桥梁桩基础施工对既有高速铁路桥梁基础变形的影响

李 刚，王 珣，刘 勇，伏 坤

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

近年来，随着社会和经济的快速发展，高速铁路建设规模不断扩大，为减少国家建设用地及工程投资，同时降低对既有交通及周围环境的影响，新建铁路与既有铁路和高速公路的交叉、并行相互影响也越来越严重[1]。并行铁路的建设施工对既有铁路基础产生不同程度的影响，引起基础在水平和竖向位移。由于高速铁路轨道平顺性对变形控制的要求极为严格[2]，此类并行高速铁路的设计、施工过程较为复杂，要考虑诸多影响因素。当新建铁路桥梁承台基础与既有并行铁路桥梁基础相邻时，在设计与施工阶段要充分考虑基础开挖对已有桥梁基础的影响，将其控制在一定范围内，保障既有铁路运营安全。

本文以衡茶吉铁路正线与武广高速铁路并行段为例，通过数值模拟，分析衡茶吉铁路竹山屋中桥桥梁桩基础开挖、灌注施工对周围土体及邻近既有武广高速铁路竹山屋特大桥的影响。

图1 新建铁路桥梁与既有高速铁路桥梁位置关系(单位：m)

1 工程概况

衡茶吉铁路正线引入衡阳东站，衡茶吉铁路正线DK211+000—DK212+100与武广高速铁路K1762+000—K1763+100并行，并行段长 1 100 m，如图1所示。两线间距从32 m渐变至16 m,DK211+574.15—DK211+658.25段路堤右侧边坡侵入武广高速铁路竹山屋特大桥红线范围内，引起竹山屋特大桥71#—73#墩台基础单桩轴力超限，不满足高速铁路桥梁结构及行车安全要求，将该段路基变更为桥梁。研究区地下水为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水，水位基本在16.5 m左右。

2 数值模拟计算

2.1 模拟方法

FLAC 3D基于流体动力学原理，研究物质中每个流体质点随时间变化的运动轨迹、压力、速度等。拉格朗日算法将模型划分为若干个单元。计算过程中每个单元网格随材料的变形而变形。通过计算可准确地模拟材料的屈服强度、塑性流动和软化，最终获得收敛时的最大变形，尤其在材料的弹性变形分析、塑性变形分析、施工过程模拟等领域有其优点。

依据FLAC 3D的计算方法和思路，采用不断迭代计算，获得每时步桥梁桩基础开挖、灌注过程中周围土体和既有桥梁结构各单元的应力和应变，进而模拟整个施工过程中基础变形。

2.2 模型的建立及参数的选取

图2 三维数值模型

根据实际地质情况建立计算模型，对具有相似力学性质的土层进行归类合并，以提高计算效率。模型第1层是厚8 m粉砂，第2层是厚4 m的粉质黏土，第3层是厚6 m的细圆砾土，第4层是厚3 m的强风化盐岩，第5层是基岩。将土体视为理想弹塑性体，初始应力场为重力场。各岩(土)层物理力学参数见表1。

表1 各岩(土)层物理力学参数

竹山屋中桥墩台采用分层开挖的方式，开挖到位后使用预制钢筋混凝土套箱进行防护。桩基础采用旋挖的施工方式，钻孔直径为1 m，旋挖完成后进行桩基础灌注。

考虑到每根桩开挖引起的变形量太小，因此将每个承台下所有桩做同时开挖处理。计算流程见图3。

图3 计算流程

2.3 模拟结果与分析

2.3.1 桥梁桩基础施工对地表土体变形的影响

在各个新建桥梁桩基础与既有线间布设3个监测点，分别距新建桥梁桩基础2，4，8 m，在新建桥梁桩基础开挖、灌筑过程中监测地表土体应变和应力的变化。监测点布设如图4所示。

图4 监测点布设

地表监测点位移见图5。可知：桥梁桩基础施工过程中地表土体的水平位移和竖向位移不断增加，随着计算时步的增加各监测点的变形逐渐收敛，并趋于稳定。新建桥梁桩基础开挖引起的地表土体变形主要以卸荷引起的水平位移为主，其值在4～15 mm。随着距桥梁桩基础距离的增大，水平位移逐渐减小。新建桥梁桩基础地表土体的竖向位移较水平位移小，其值在-2～-7 mm。随着距桥梁桩基础距离的增大，竖向位移逐渐减小。

图5 地表监测点位移

对监测数据进行拟合分析得出：监测点的水平位移与距新建桥梁桩基础的距离为幂指数关系，上限拟合公式为y=3.862 5x-1.404，下限拟合公式为y=1.797 3x-0.632，相关系数大于0.98。竖向位移与距新建桥梁桩基础的距离亦为幂指数关系，上限拟合公式为y=0.991 7x-0.404，下限拟合公式为y=0.495 3x-0.792，相关系数大于0.97。

2.3.2 桥梁桩基础施工对周围土体变形的影响范围

大多数情况下，认为新建桥梁桩基础开挖引起地表沉降的主要影响范围为2倍桥梁桩基础开挖深度[3-4]。对于邻近既有桥梁基础的新建桥梁桩基础开挖，水平变形往往是引起既有桥梁结构损坏的主要原因，且塑性变形较大。为此，对新建桥梁桩基础施工过程中塑性变形的影响范围进行研究。

由各施工步新建桥梁桩基础周边塑性区分布可知：每个施工步后塑性区范围均有所扩大，但是扩大的范围较小，表明新建桥梁桩基础开挖、灌筑对周围土体影响较小。

图6 施工完成后桩基础不同部位剪切应变增量分布平切图

施工完成后桩基础不同部位的剪切应变增量分布平切图见图6。可以看出：新建桥梁桩基础开挖得越深对周围土体影响越小，开挖得越浅对周围土体影响越大。在桩基础上部影响范围约为桩径的3～5倍，在桩基础中下部影响范围约为桩径的1～2倍。

2.3.3 施工对既有桥梁桥面及承台位移的影响

列车在行驶中对高速铁路轨道的平顺度要求非常严格。当新建桥梁桩基础与既有高速铁路桥梁邻近时，要充分考虑开挖新建桥梁桩基础对既有邻近高速铁路的扰动以及由此引起的既有桥梁桥面和承台的变形。

施工引起的既有桥梁桥面位移见图7。可见：桥面的位移以沿着开挖方向的水平位移为主，最大水平位移约0.90 mm，最大竖向位移约0.34 mm。根据TG/GW 115—2012《高速铁路无砟轨道线路维修规则》中第6.1.3条[5]对既有桥梁桥面的静态几何尺寸偏差进行计算。其水平几何偏差最大仅为 0.008 9 mm，竖向几何偏差仅为 0.003 4 mm，远小于规范限值2 mm。

图7 施工引起的既有桥梁桥面位移(单位：m)

图8 施工引起的既有桥梁承台位移

施工引起的既有桥梁70#—73#墩承台位移见图8。可见：70#墩承台位移较小，主要是开挖位置与70#墩承台位置较远。71#墩承台位移最大，但相对来说数值较小，水平位移0.03～0.35 mm，竖向位移0.10～0.90 mm。新建桥梁桩基础施工对既有桥梁墩承台影响较小。

2.3.4 施工对既有桥梁桩基础沉降的影响

新建桥梁桩基础施工引起的既有桥梁桩基础沉降见图9。可以看出：既有桥梁桩基础沉降较小。沉降最大的71#桩基础也仅有0.28 mm。

图9 施工引起的既有桥梁桩基础沉降

3 结论

1)新建桥梁桩基础开挖引起的地表土体变形主要以水平位移为主，其值在4～15 mm，竖向位移在-2～-7 mm。随着距新建桥梁桩基础距离的增大，地表土体的水平位移和竖向位移均逐渐减小，水平位移、竖向位移与距新建桥梁桩基础的距离均为幂指数关系，相关系数均大于0.97。

2)新建桥梁桩基础开挖的深度与周围土体的变形成反比关系。在桩基础上部影响范围约为桩径的3～5倍，在桩基础中下部影响范围约为桩径的1～2倍。

3)新建铁路桥梁桩基础开挖完成后，既有高速铁路桥梁桥面的最大位移仅为0.90 mm，承台最大位移仅为0.90 mm，既有铁路桥梁桩基础最大沉降为0.28 mm，既有铁路桥梁桥面水平和竖向几何偏差远小于规范限值。

4)鉴于既有高速铁路桥梁的水平位移和竖向位移较小，虽新建桥梁桩基础开挖距离既有桥梁较近，但对既有高速铁路桥梁的桥面、承台及桩基础影响均较小，对列车运营安全不会造成影响。