我国高速铁路事业发展迅速, 即将形成“八纵八横”高速铁路网, 大力建设高速铁路的同时城市化进程也在加速, 大量市政设施开始兴建, 特别是水路密布的南方城市新建河道工程日益增多。由于城市的整体性、土地稀缺性及市政景观规划等因素, 不可避免地带来新建河道下穿高铁桥梁的问题。河道下穿高铁桥梁必然需进行开挖, 势必会引起地层的扰动而使高铁桩基发生偏移, 进而导致高铁桥墩发生变形, 最终将变形反应在轨面上, 对于线路变形要求极高的高速铁路来说将影响行车安全^[1,2,3,4]。吉军立^[5]结合典型的工程实例, 对道路下穿高铁进行结构安全数值分析, 建议适当压缩非机动车与人行道断面, 以减小施工对于高铁的影响等工程措施。冯印等^[6,7,8,9]提出, 施工隔离桩可以隔断高铁桥梁下开挖引起的地层位移, 起到保护高铁桩基的作用。目前的研究多是盾构隧道与城市道路下穿高铁桥梁, 关于河道下穿的研究比较少, 文章结合工程案例分析河道下穿引起的高铁桥梁的变形规律与相应的高铁桥梁保护措施。

宁波诚信路新建河道工程下穿杭深高铁, 该铁路设计速度为250km/h, 日通行旅客列车120对。河道从杭深高铁122号和123号墩之间通过, 交叉角为95°;穿越处高铁桥梁为简支梁结构, 铁路桥墩为圆端形, 桥墩延横桥向方向宽度为8m, 延顺桥向方向宽度为2.6m, 桥墩桩基础为8根直径1.25m的钻孔灌注桩, 桩长68m, 承台顶面标高为-0.970m, 河道围护桩与高铁桩基水平最小净距5.9m。新建河道下穿杭深高铁桥梁平面及剖面情况如图1所示。

杭深高铁桥梁桩基穿越地层从上至下依次为: (1) 黏土层, 层厚1.7m; (2) 淤泥质黏土层, 层厚11.5m; (3) _-1淤泥质粉质黏土层, 层厚27.0m; (5) _-1粉砂层, 层厚2.3m; (6) _-2粉质黏土层, 层厚5.0m; (7) _-3砾砂层, 层厚5.7m。各土层的物理力学参数如表1所示。

设计方案中高铁桥梁下河道开挖宽度为13m, 深度为4.5m, 围护结构采用一排钻孔桩, 在高铁桥梁承台范围内增加为2排钻孔桩以提高抗变形能力, 减少河道开挖引起的高铁桥梁偏移。围护结构钻孔桩径为1m, 桩间距为0.8m, 桩长为30m;为利于河道开挖工作, 在钻孔桩外侧施工桩径为0.5m, 桩间距为0.25m的搅拌桩作为止水结构;钻孔桩和搅拌桩之间采用花管注浆以确保围护的止水性能, 以保证河道开挖工作面的干燥。

围护桩采用“施一隔一”的施工顺序, 即待一根钻孔桩施工灌注完成, 混凝土凝固达到一定强度后再施工相邻的另一根桩, 以减小施工钻孔桩过程中的应力释放对于高铁桥梁的影响。

为保证围护结构的稳定性, 桩顶圈梁的设置尺寸为1.0m×1.0m, 横向钢支撑在开挖深度为1.0m时设置, 然后开挖至河底标高, 施工1m厚的河道底板, 并在钻孔桩身凿毛, 施工护壁混凝土, 最后拆除支撑及圈梁。

采用大型有限元分析软件Plaxis 3D建立三维数值分析模型, 模拟围护结构施工、河道开挖、河道结构施工的完整施工过程对于高铁桥梁的影响。考虑实际的施工情况并结合减小有限元模型的边界效应, 模型的长宽设为100m, 由于高铁桥梁桩长较长, 模型的深度设置为120m。由于施工过程中有对于土体的卸载和加载, 故土体模型本构模型采用可考虑应力路径和应力水平的剑桥模型;高铁桥梁桩基采用Embedded Pile单元来模拟, 可优化网格提高计算精度, 在Embedded Pile中设定桩径、弹性模量、侧摩阻力和端阻力;承台和桥墩采用实体单元来模拟, 材料本构为线弹性, 材料设置为C30混凝土, 为了提高有限元网格质量, 河道围护结构桩采用刚度等效原则, 将圆形围护桩等效为方桩, 同时为了更好地模拟桩土之间的相对位移, 引入桩土界面单元, 新建河道有限元计算模型如图2所示。

施工过程的模拟方面, 围护桩施工阶段通过“杀死”桩径范围内相应的土体单元来模拟围护桩的钻孔施工过程, 将土体材料替换为混凝土材料来模拟最后的成桩过程;河道开挖阶段通过分层“杀死”对应的土体单元来模拟开挖过程;最后在开挖到设计标高的河道底部“激活”河道底板并施加45k Pa的水荷载来模拟河道满水时的工况。

依据实际施工情况建立有限元模型进行分析, 得出整个施工过程中各工况对于高铁桥梁的影响, 清楚客观地揭示了新建河道施工及正常使用阶段对于铁路桥梁安全的影响程度。

杭深高铁桥墩竖向位移如图3所示, 正值表示隆起, 负值表示下沉。由图3可知, 围护结构施工造成了桥墩沉降, 随后的河道开挖卸载导致桥墩发生隆起变形, 施工河道结构即浇筑底板和边墙相当于加载行为, 导致桥墩发生沉降, 最后满水位使用也相当于加载行为, 桥墩发生进一步沉降, 最终122号桥墩的竖向位移值为0.46mm, 123号桥墩的竖向位移值为0.47mm。

1) 杭深高铁桥墩顺桥向位移如图4a所示, 正值表示向南, 负值表示向北。由图4a可知, 围护结构施工造成了桥墩发生较小的顺桥向变形, 但河道的开挖卸载导致围护结构变形, 地基土发生比较大的扰动, 再加上开挖处距离承台较近, 桥墩顺桥向位移明显, 两桥墩均呈现出向河道“倾斜”的变形趋势, 后续的河道结构浇筑和通水使用均增加了桥墩的“倾斜”程度。

2) 杭深高铁桥墩横桥向位移如图4b所示, 正值表示向东, 负值表示向西。由图4b可知, 由于河道与桥梁交角较小, 几乎垂直于高铁桥梁, 故桥墩横桥向位移远小于顺桥向位移。但由于桥梁桩基结构抗水平向变形能力弱, 侧向的施工也造成了一定程度的横桥向位移, 122号和123号墩的最大横桥向位移分别为0.88mm和0.41mm。

为及时掌握围护桩施工、河道开挖及河道附属结构物施工过程对杭深高铁桥梁的影响, 保证整个施工过程对杭深高铁桥梁变形的影响在可控范围内, 同时通过实时监测数据指导施工优化下一步施工参数^[10]。监测内容包括桥墩的竖向位移及水平向位移, 监测方法为采用具有强制对中功能的NET05自动全站仪, 河道施工阶段监测桥墩变形预警值及报警值如表2所示。

为了准确地反映施工对于高铁桥梁的影响, 在每个桥墩的墩身设置4处观测点, 其中2个观测点设置在桥墩下部, 分别在桥墩的南北两侧;另外2个观测点在考虑到安置难度以及视野限制等问题后, 放置在对应上述2个测点的桥墩上部的墩顶位置, 监测点均采用棱镜, 桥墩测点布置如图5所示。

整个施工过程主要分为河道围护桩施工、河道开挖、河道结构施工, 为能较准确地反映各个施工阶段桥墩的变形情况, 每个施工阶段设定的监测频率不同:河道围护结构施工4次/d;河道开挖至底板12次/d;河道结构施工4次/d。

河道围护结构自2014年6月19日开始施工, 到8月7号全部围护桩施工完毕, 自8月9日开始进行河道的开挖随后进行河道结构的浇筑施工。

1) 高铁桥梁墩的竖向位移分析杭深高铁桥墩竖向位移变化情况如图6所示, 正值表示隆起, 负值表示下沉。由图6可知, 河道围护结构施工过程中相邻两个桥墩均出现了一定程度的下沉, 这是因为原本的土体被重度更大的混凝土围护桩代替, 相当于在桥墩旁进行加载, 产生沉降;自河道开挖施工开始两桥墩均呈现出了一定的隆起趋势, 由于卸载下部地基土体隆起带动桥梁发生隆起变形, 且随着开挖深度的增加, 隆起量增大, 最后开挖完成桥墩的变形也基本稳定;整个施工过程中桥墩的最大下沉量为0.4mm, 最大隆起量为0.2mm。

2) 高铁桥梁墩的顺桥向位移分析杭深高铁桥墩顺桥向位移变化情况如图7所示, 正值表示向南, 负值表示向北。由图7可知, 河道施工对于桥梁的顺桥向位移影响较大;河道围护结构施工过程中两个桥墩顺桥向变形不明显;8月9日河道开始开挖施工, 先卸载122号桥墩处土体, 122号桥墩呈现出向南偏移的变形趋势;后卸载123号桥墩处土体, 且现场观察发现123号桥墩附近堆放了大量建材和建筑机械, 形成了侧向加载, 故在卸载初期产生了小幅度的向南位移趋势;当河道卸载至设计标高时122号桥墩向南偏移2.15mm左右, 123号桥墩向北偏移1.43mm左右, 均趋于稳定。

3) 高铁桥梁墩的横桥向位移分析杭深高铁桥墩横桥向位移变化情况如图8所示, 正值表示向东, 负值表示向西。由图8可知, 因为河道和高铁桥梁交叉角几乎垂直, 故河道施工对于桥梁的横桥向位移影响相对较小, 但是由于桩基的竖向抗变形能力几乎是水平向的几十倍, 河道开挖对于桥梁的横向位移还是有一定影响的, 最终两桥墩均呈现向东偏移, 最值分别为0.65mm和0.81mm, 均未超过报警值。

通过有限元模拟新建河道下穿高铁桥梁的整个施工过程和河道满水位使用的工况, 并结合施工阶段的实测桥墩沉降、水平向位移数据, 得出以下结论。

1) 围护桩施工相当于桥梁旁的加载行为, 会导致高铁桥梁发生一定的沉降, 经有限元计算对比现场实测数据发现最大下沉量未超过相应的报警值。软土地区高铁桥梁易受到地面加载行为的影响而变形, 施工中堆放的备用建材和机械应尽量远离高铁桥梁墩。

2) 开挖行为对于高铁桥梁影响较大, 特别是水平方向的变形。开挖导致的河道底隆起和侧壁的变形较大, 导致临近桥墩出现了较大的水平方向变形, 实际设计中应增加围护桩的桩径和桩长来增加围护桩的抗变形能力, 施工中要控制开挖的速度做到均匀分块开挖并及时施工横撑以减小围护结构位移导致的土体位移。

3) 河道下穿高铁桥梁不同于公路下穿, 首先河道下穿开挖面积大、开挖深度大;其次, 开挖完成后, 由于河道结构考虑到防渗漏的原因, 混凝土侧壁厚度大, 对桥梁的影响大, 在日后的设计中可考虑引入轻量化的防水材料从而减少浇筑河道的混凝土用量。

4) 实测数据未测量河道满水时对于桥墩变形的影响, 通过有限元分析得到, 河道满水工况时两桥墩均发生向河道方向的“倾斜”位移, 在实际设计中须予以考虑。