框构桥顶进施工对邻近构造物的影响研究

时间：2024-07-28

葛德书

(辽宁省公路勘测设计公司沈阳市 110006)

随着我国经济的快速发展，城市规模不断扩大，现有的城市交通网络已不适应发展需求，尤其是既有铁路限制了城市发展布局，需采用上跨或下穿方式实现铁路两侧的连通。受城市发展规划及周边建筑物等的限制，框构桥、U型槽等下穿方案更为符合实际需求，但框构桥、U型槽的修建会对既有铁路路基或桥梁产生不利影响，为确保既有铁路线路的安全运营，使用科学方法分析其影响成为项目决策的前置条件。通过实证研究，为同类工程提供借鉴。

1 工程概况

焦作市东海大道位于焦作市城区东部，道路呈南北走向，北起焦辉路(国道207)，南至S104(国道327)，线路全长20.08km，规划为城市主干路，是焦作市规划三环路的重要组成部分，承担焦作市的货运交通和过境交通。道路标准横断面为四幅路型式，具体断面布置形式为：5m人行道及非机动车道+4.5m边绿化带+15m机动车道+7m中央分隔带+15m机动车道+4.5m边绿化带+5m人行道及非机动车道。

东海大道于K6+852处与郑焦铁路交叉，郑焦铁路里程K58+974.4，交角为86.1°。于K6+822.7处与既有新焦线交叉，既有新焦线里程K0+842.7，交角为85.3°。既有新焦线为双线电气化铁路，轨道为60kg/m钢轨，无缝线路，Ⅲ型钢筋混凝土轨枕(1667根/km)。既有新焦线为繁忙铁路干线，工程位于修武-待王区间，该区间每日开行客车5对，货车142对，其中旅客列车最高时速120km/h。框架桥处新焦上行K47+717.2位于直线段，线路纵坡为焦作方向(大里程方向)3.6‰的上坡，新焦下行K47+717.2位于直线段，线路纵坡为焦作方向(大里程方向)3.9‰的上坡。

东海大道下穿既有新焦线采用框架桥顶进施工，既有新焦线框架桥工作基坑位于既有新焦线北侧，基坑外缘至郑焦铁路距离约40m，且中间相隔既有新焦线铁路路基，东海大道下穿郑焦铁路采用U型槽。新焦铁路、郑焦铁路、框构桥及U型槽的平面位置关系见图1，立面位置关系见图2。

图1 新焦铁路、郑焦铁路、框构桥及U型槽的平面位置关系图(单位：m)

图2 新焦铁路、郑焦铁路、框构桥及U型槽的立面位置关系图(单位：m)

框构桥顶进施工前，需于郑焦铁路北侧开挖工作基坑，基坑四周设置止水帷幕，并沿桥梁两侧各200m范围内设置止水帷幕，配合桥下注浆的方式在基坑周围形成闭合止水墙配合混凝土封底进行止水处理。基底混凝土封底完成后进行顶进滑板、后背墙、后背桩及框架主体的施工。基坑防水及基地处理见图3。

图3 基坑防水及基地处理示意图

设计框架桥涵共计三部分：主体采用14.5m+(18.15+18.15)m+11m三孔布置框架桥。箱体锐角为86°。工作坑设置在线路北侧，由北向南顶进施工。框架顶板厚为1.05m，底板厚为1.25m，边墙厚为1.05m，中墙厚为1.2m。框架净高的确定考虑道路使用高度、箱体加肋影响、道路纵横坡影响、道路路面厚度、道路下埋设管线影响和顶进误差等因素，按7.5m设计。桥下道路使用净高不小于5.5m，框架总高9.8m。框架桥沿铁路方向总长为72.86m，沿道路中线方向总长16.05m，铁路轨底距框架顶板顶面最小距离为0.8m(含保护层厚度)[1-3]。顶进框架桥具体尺寸见图4。

注：除高程单位为m，其余单位为cm

2 施工过程

项目的施工可分为两个部分，即框构桥顶进和U型槽施工。框构桥的施工工序为：修建止水帷幕-基坑开挖-顶进作业。框构桥施工完成后，进行U型槽施工，为保证郑焦铁路桥梁的安全，U型槽施工需分为5个区域进行，即开挖既有桥中心位置U型槽(1区域)；开挖完成后进行U型槽施工，施工完成后将U槽内填土至道路路面高程；待第一节U槽施工完成后进行既有线左、右两侧U槽开挖(2和3区域)，随着开挖进行，在区域1已施工U型槽上压重；开挖完成后进行U型槽施工，施工完成后将U槽内填筑路面至路面高程；待1、2和3节U槽施工完成后进行4和5区域基坑同时开挖，随着开挖进行，在区域2和3已施工U型槽上压重；开挖完成后进行U型槽施工，施工完成后将U槽内填土至道路路面高程；完成后将U型槽上压重分批、对称撤下。U型槽分段方式见图5。

图5 U型槽施工方案布置图

3 风险源分析

东海大道采用框构桥下穿新焦铁路，框架桥施工过程中，会对郑焦铁路(高速铁路)既有桥梁结构有一定影响。为了评估框构桥施工方案的合理性，避免高速铁路既有桥梁在框构桥施工期间出现异常，需首先找出潜在风险源，然后针对各风险因素进行分析研究。

经风险分析，潜在风险源为框架桥顶进下穿既有新焦线施工对郑焦铁路桥墩影响。针对潜在风险源，对框架桥顶进施工过程中由于土层受力状态变化引起郑焦铁路桥梁桥墩位移变化进行研究。

4 研究方法

目前，国内外关于施工和运营引起地层变形的预测分析方法有很多种，主要有经验法、解析法、有限元法等。其中经验法及解析法多是针对地下工程施工引起地层变形的情况提出，而有限元法能考虑复杂的边界条件，模拟复杂的岩土介质的特性，能够动态模拟工程的实际建造过程，模拟空间效应和求解复杂的结构问题[4]。本项目针对施工和运营过程中，土层受力状态变化引起铁路桥墩位移变化，此部分，采用PLAXIS岩土有限元软件，模拟框架桥顶进下穿既有新焦线施工对郑焦铁路桥梁的影响，并根据相关规范给出评价和建议。

5 框架顶进模型建立及计算工况分析

5.1 既有新焦线框架顶进模型

(1)土体

综合考虑边界效应及计算效率，以桥梁2号桥墩中间为中心，240m×160m×85m范围内土体建立模型。

(2)单元的选取

土层采用实体单元；郑焦铁路桥墩和承台采用实体弹性单元；钻孔灌注桩采用桩单元模拟；顶进框架采用板单元模拟。

(3)边界及荷载

土体四周边界采用水平约束，底边界采用竖向约束；定义改变属性边界条件模拟桥墩、承台、顶进框架在施工过程中实体属性改变的情况；郑焦铁路跨东海大道成桥荷载以面压力荷载的形式分别施加于承台顶。

模型划分为114497单元，162885节点。计算模型见图6。

图6 结构计算模型(框构桥)

5.2 计算工况分析

具体计算工况如表1所示。

表1 计算工况

6 框架桥顶进计算结果及分析

桥梁0～4号墩台竖向位移和相邻墩沉降差计算结果见表2。

由表2可知，既有新焦线框构桥顶进施工会使郑焦铁路桥墩产生位移，对2号墩影响最大。在框构桥顶进施工过程中，2号桥墩墩顶沉降最大发生在框架顶进后，沉降为向上1.13mm；U型槽施工过程中，2号桥墩墩顶沉降最大发生在基坑开挖过程中，沉降为向上2.16mm；全部施工完成后，绝对沉降为向上0.38mm，相邻墩沉降差为0.19mm。

表2 0～4号墩台竖向位移计算结果(单位：mm)

参考《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》中3.0.3规定，本项目高速铁路为有砟铁路，墩台顶位移限值为3mm，框构桥施工对高速铁路桥的影响小于规范规定限值[5]。

为确保郑焦铁路的运营安全，建议施工期间对既有桥梁进行监控测量。根据计算结果，结合规范要求及工程实际特点，综合考虑施工误差、测量仪器的监测精度和列车行走对轨道、地面的随机影响，确定变形控制值，建议将控制值的70%作为预警值，控制值的85%作为警报值。