樁板結構施工對高速鐵路橋梁影響
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摘要：以臺州市和合大道工程下穿在建杭紹臺鐵路椒江特大橋為依托，運用有限元分析軟件模擬了樁板結構的施工過程，得到了椒江特大橋在道路工程附加荷載作用下的墩頂位移及樁基承載力檢算結果。結果表明：在和合大道樁板結構施工及運營階段，高鐵橋梁墩頂位移（沉降量、差異沉降量、順橋向水平變形量和橫橋向水平變形量）及其樁基承載力均能滿足安全限值要求。
關鍵詞：樁板結構；鐵路橋梁；墩頂位移；樁基承載力
作為一種新型的地基處理方法，樁板結構在軟弱地基土地區下穿高速鐵路工程中取得了較好的實踐效果。當高速鐵路橋下凈空滿足通行高度，但不具備設置橋梁條件，且地質條件不宜采用路基結構下穿時［１］，鐵路管理部門多建議采用樁板結構方案下穿。因此，樁板結構施工對高速鐵路橋梁的影響研究具有重要意義。隨著高速鐵路和公路交通的不斷發展，涉及高速鐵路的立交工程越來越多，研究道路施工過程對臨近高鐵橋梁的變形影響，對維護高鐵運營安全和滿足軌道平順性要求非常重要［２－３］。以臺州市和合大道工程下穿在建杭紹臺鐵路椒江特大橋為依托，運用有限元分析軟件對樁板結構施工對高速鐵路橋梁的影響進行分析，對高鐵橋墩頂位移及其樁基承載力進行檢算。
１工程概況
杭紹臺鐵路為高速鐵路，設計行車速度３５０ｋｍ／ｈ，于ＤＫ２１２＋０６０處上跨椒江。椒江特大橋為（８４＋１５６＋４８０＋１５６＋８４）ｍ連續鋼桁斜拉橋，且為四線橋，線間距為（５．３＋５＋５．３）ｍ，有砟軌道，位于直線及１．３‰、－１．３‰的縱坡上。和合大道采用樁板結構從椒江特大橋第５１＃～５２＃橋墩間穿越，橋墩為四線圓端形空心橋墩，５１＃號墩采用１６根直徑Φ２．０ｍ鉆孔灌注摩擦樁基礎，設計樁長為７５ｍ，５２＃墩采用１２根直徑Φ２．０ｍ鉆孔灌注摩擦樁基礎，設計樁長為７９ｍ。５２＃墩與５３＃墩之間采用３２ｍ簡支箱梁，５３＃墩與５４＃墩之間采用２４ｍ簡支箱梁。和合大道新建樁板結構設置為三聯，跨徑具體布置為（３×１０）ｍ＋（４×１０）ｍ＋（３×１０）ｍ，總長１０１ｍ。橫向分四幅，左右幅主路機動車道各為一幅，左右幅兩側輔路機動車道、非機動車道及人行道共用一幅，共四幅，每幅之間設２ｃｍ斷縫。上部結構承載板厚０．８ｍ，采用Ｃ４０鋼筋混凝土；樁基采用Φ１ｍ鉆孔灌注樁，樁間距３．５～４．０ｍ，采用Ｃ３０水下鋼筋混凝土。基樁長度在４８～５８ｍ范圍內。下穿杭紹臺鐵路處地質從上到下依次為：雜填土、淤泥、粉質黏土、細圓礫土、含礫粉質黏土，其中淤泥層厚度約２７ｍ，地質條件相對較差。樁板結構左幅人行道欄桿外側距離杭紹臺鐵路５１＃橋墩最小距離為５．５３ｍ，右幅人行道欄桿外側距離杭紹臺鐵路５２＃橋墩最小距離為４．３６ｍ；樁板結構樁基中心距離杭紹臺鐵路５１＃橋墩樁基中心最小距離７．５２ｍ，距離杭紹臺鐵路５２＃橋墩樁基中心最小距離８．１２ｍ；樁板結構距杭紹臺鐵路梁底約為４０ｍ。和合大道樁板結構與椒江特大橋的相對位置關系，見圖１、圖２。
２有限元數值模擬
２．１模型建立
根據專項設計及地勘報告等資料，利用ＭＩＤＡＳＧＴＳＮＸ軟件建立三維有限元數值分析模型。在三維建模中，計算區域主要根據新建樁板結構與既有橋梁的位置關系，并滿足一定邊界效應的要求來確定。在本模型中，為滿足橋梁施工的邊界效應，三維數值模型整體尺寸為３５０ｍ（ｘ）×３００ｍ（ｙ）×２００ｍ（ｚ）。本模型采用位移邊界條件：側面限制水平位移，底部限制垂直位移，模型上表面取為自由邊界。土體強度準則為Ｍｏｈｒ－ｃｏｕｌｏｍｂ準則，采用實體單元模擬，土層計算參數結合本工程地質勘察報告和相關的工程經驗進行取值，得到計算模型如圖３和圖４所示。依據《城市橋梁設計規范》［４］ＣＪＪ１１—２０１１，城－Ａ級車道荷載的均布荷載標準值取為１０．５ｋＮ／ｍ。
２．２施工過程模擬
施工過程分析步驟為：初始化地應力場、高鐵施工階段、位移清零、樁板結構樁基施工、承載板施工、道路運營［５－６］。具體模擬過程見表１。
２．３數值模擬計算結果
２．３．１高鐵橋墩的變形。通過數值模擬，得到和合大道施工過程對杭紹臺鐵路椒江特大橋５１＃～５４＃橋墩及承臺的影響（樁板結構樁基施工及承載板施工），主要包括橫橋向位移（模型ｙ方向）、順橋向位移（模型ｘ方向）以及豎向的沉降（模型ｚ方向），和合大道施工階段鐵路橋梁墩臺的位移云圖如圖５所示。為避免冗余，運營階段的計算結果詳見表２和表３。表２表明，和合大道樁板結構施工過程引起的高鐵墩頂最大豎向位移０．８５４２ｍｍ，位于５２＃墩，滿足３０ｍｍ的控制限值要求；高鐵墩頂最大差異沉降０．５５３１ｍｍ（５２＃和５３＃墩之間），滿足１５ｍｍ的控制限值要求；高鐵墩頂最大順橋向位移１．８３６３ｍｍ，位于５２＃墩，滿足２４．５ｍｍ的控制限值要求；高鐵墩頂最大橫橋向位移０．１３９３ｍｍ，位于５２＃墩，最大橫橋向位移差０．０９２８ｍｍ（５２＃和５３＃橋墩之間），滿足１２ｍｍ的控制限值要求［７］。表３表明，道路運營階段引起的杭紹臺鐵路墩頂最大沉降為０
