铁路桥涵上跨既有地铁高架区间安全影响研究

铁路桥涵上跨既有地铁高架区间安全影响研究

韩阳

天津市地下铁道集团有限公司 天津 300000

摘要：为研究铁路桥涵上跨既有地铁高架区间的影响，以京滨铁路工程为例，采用有限元分析软件，通过模拟施工工序计算了高架区间的结构位移等参数[1]-[5]。分析结果表明：施工期间对9号～12号桥墩进行变形监测，验证和校核理论计算结果，并根据监测资料的分析，判断既有桥梁变形，对铁路运营安全进行预警。一旦监测异常，应立即停止施工，启动事故应急预案处理。对观测变形超标的桥墩，分析产生原因，研究对策，提出整改措施后再进行施工，以保证既有地铁线路运营的安全。

关键词：桥涵；既有地铁；安全；数值模拟

中图分类号：U231.3         文献标志码：C

一、工程概况

新建北京至天津滨海新区铁路宝坻至滨海新区段（以下简称“京滨铁路”）地处环渤海京津冀地区。线路起自京唐铁路宝坻南站，迄于天津地区滨海站。正线新建线路全长95.766km。京滨铁路东丽特大桥里程为DK150+163.45~DK159+589.06，桥梁全长9425.61m。桥址位于天津市北辰区及东丽区。京滨铁路东丽特大桥与既有地铁6号线在新外环东路~南何庄高架区间上跨交叉，与既有地铁六号线右线、左线交叉处京滨铁路里程分别为DK156+980.96和DK156+984.60，既有地铁六号线里程为K0+778.24。交叉角度为98°33′，接触网杆顶高程为15.61m，设计采用60+100+60m连续梁上跨通过（大里程边跨60m跨越既有天津地铁6号线高架桥）。

东丽特大桥桥跨布置采用（60+100+60m）预应力连续梁，全长223.1m（含两侧梁端至支座中心各1.55m）。主墩为181#墩与182#墩，边墩为180#、183#墩。具体桥跨布置如图1所示。东丽特大桥标准简支箱梁为梁场预制架设，60+100+60m预应力混凝土连续梁施工方法为挂篮悬臂浇筑法施工，跨越地铁6号线施工时挂篮采用全封闭，并做绝缘措施。

图1 东丽特大桥（连续梁）桥跨布置图

既有天津地铁6号线，北起南孙庄，南至梅林路，线路全长41.6 km，共设车站39座，设大毕庄车辆段和尖山路停车场。沿线经过东丽区、河北区、红桥区、南开区、河西区、津南区6个行政区，本条线路在金钟河大街、肿瘤医院、天津宾馆、文化中心与既有地铁5号线换乘，形成“O型”环线；在北站、红旗南路站与地铁3号线换乘；在西站与地铁1号线换乘；在长虹公园站与2号线换乘。交叉处地铁6号线区间桥梁上部结构为预应力混凝土连续梁。桥跨布置采用（32+45+32m）预应力连续梁，全长109m，如图2所示。主墩为11#墩与12#墩，边墩为10#、13#墩。新建京滨铁路东丽特大桥上跨位置在10#墩与11#墩之间。

图2 既有地铁六号线区间桥梁布置图

新建京滨铁路东丽特大桥与既有地铁六号线交叉，夹角98°33′，采用60+100+60m连续梁上跨通过（大里程边跨60m跨越天津地铁6号线高架桥）。京滨铁路东丽特大桥与既有地铁6号线在新外环东路~南何庄高架区间上跨交叉，与既有地铁六号线右线、左线交叉处京滨铁路里程分别为DK156+980.96和DK156+984.60，既有地铁六号线里程约为K0+778.24。交叉角度为98°33′，接触网杆顶高程为15.61m，新建桥梁距接触网杆顶最小距离为2.54m，对地铁6号线运营无影响。182#主墩承台边缘距离地铁六号线桥梁结构边缘22.0m，183#边墩承台边缘距离地铁六号线桥梁结构边缘19.6m，地质为粉土及粉质粘土，施工时采用钻孔桩进行防护。预应力连续梁结构于182#与183#墩间跨越既有地铁六号线区间桥梁，跨越处京滨铁路桥面至地面高差为22.45m。

二、地质情况

（一）工程地质

沿线地表局部分布杂填土、素填土，坑塘遍布，塘底分布淤泥，厚度约0.50～1.5m。沿线勘探范围内为第四系全新统人工堆积层（Q4ml）、第四系全新统新近沉积层（Q43Nal）、第Ⅰ、Ⅱ陆相层（Q4al）、第Ⅰ海相层（Q4ｍ）；第四系上更新统第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ陆相层（Q3al）、第Ⅱ、Ⅲ海相层（Q３ｍ）；第四系中更新统第Ⅵ陆相层（Q2al）、第Ⅳ海相层（Q2ｍ）。沿线地层由冲积向冲海积过渡，现从新到老分述如下：

1.第四系全新统人工堆积层（Q4ml）

①1杂填土：黄褐色，松散～稍密，稍湿～潮湿，成份以石灰、石屑、砖块及生活垃圾为主，局部含混凝土块，含有机质。沿线地表局部分布垃圾场，层厚最大约0.8～7.0m。

①2素填土：杂色，成分以黏性土为主，含粉土团块和砂粒、铁锰质结核、大量植物根茎和碎石、砖块。沿线地表局部分布，层厚最大约0.8～3.5m。

①3填筑土：填筑土主要分布于既有铁路、公路的路基和沟渠的堤坝，以粉质黏土、砂类土和碎石类土为主，厚度一般小于0.8～4.5m。

2.第四系全新统新近沉积层（Q43Nal）

②1黏土：黄褐色、灰黄色、灰褐色，可塑～流塑，具锈斑及灰色条纹，局部夹粉土薄层。层厚0.60～3.90m。

②2粉质黏土：黄褐色、灰黄色、灰褐色，可塑，具锈斑及灰色条纹，局部夹粉土薄层。层厚0.90～2.50m。

②3粉土：褐黄色、褐灰色,潮湿,稍密～密实,含锈斑,含少量黏土及云母,夹锈斑,偶见姜石。层厚0.80～3.70m。

②5淤泥质黏土：黄褐色、灰黄色、灰褐色，流塑，具锈斑，夹粉土薄层。层厚1.10～2.40m。

3.第四系全新统第Ⅰ陆相层（Q4al）

③1黏土：黄褐色，软塑～硬塑，见大量黑色有机质，偶见锈斑，可见大量锈斑。层厚1.000～4.80m。

③2粉质黏土：黄褐色～灰褐色， 软塑～硬塑，局部含少量植物根系，可见黑色斑点及有机质。层厚0.90～4.70m。

③３粉土：灰黄色～黄褐色，稍密，潮湿～饱和，含锈斑，局部表层为耕植土，含植物根系。层厚0.70～5.80m。

③4淤泥：灰褐色，流塑。层厚0.00～1.60m。

③5淤泥质黏土：灰褐色～褐黄色，流塑，含少量锈斑。层厚1.4～3.80m。

③6淤泥质粉质黏土：褐黄色，流塑，含少量螺壳碎片，夹粉土薄层，偶见黑色有机质，含锈斑。层厚1.30～3.20m。

③7粉砂：褐灰色，稍密～中密，饱和，主要成分为石英、长石，含云母，层厚1.00～6.30m。

4.第四系全新统第Ⅰ海相层（Q4m）

④1黏土：褐色，软塑～硬塑，含少量铁质锈斑、氧化物斑点。层厚0.70～5.20m。

④11黏土：褐灰色,软塑,土质均匀,切面光滑。具有孔隙比大、含水量高、压缩性大等特点。层厚1.60～2.80m。

④2粉质黏土：灰色，软塑， 土质不均，夹粉质黏土薄层及贝壳碎片。层厚0.50～12.80m。

④3粉土：灰色，稍密～密实， 潮湿～饱和，夹薄层粉质黏土，含少量黑色斑点、贝壳碎片。层厚0.70～8.90m。

④4淤泥：褐灰色，流塑，夹灰黑色斑点和少量贝壳碎屑。层厚0.70～1.50m。

④5淤泥质黏土：灰色，流塑，局部夹粉土薄层，含贝壳碎屑及少量有机质。层厚1.40～4.10m。

④6淤泥质粉质黏土：灰褐色，流塑，含贝壳碎屑及少量有机质。层厚0.7～7.20m。

④71粉砂：褐灰色，稍密，饱和，成分以石英、长石为主，偶见贝壳碎片。层厚1.20～6.00m。

④72粉砂：灰褐色，中密，饱和，矿物成份以石英、长石为主，夹薄层粉质黏土。层厚4.20～7.80m。

④73粉砂：灰褐色，密实，饱和，矿物成份以石英、长石为主，夹薄层粉质黏土。层厚3.70～4.60m。

④81细砂：褐灰色，稍密，饱和，矿物成份以石英、长石为主，含贝壳碎片。层厚2.10～4.00m。

5.第四系全新统第Ⅱ陆相层（Q4al）

⑤1黏土：黄褐色～灰黄色，软塑～硬塑，含少量锈斑，偶见姜石。层厚0.80～4.50m。

⑤11黏土：黄褐色～灰黄色，软塑～硬塑，含少量锈斑，偶见姜石。层厚2.10～2.40m。

⑤2粉质黏土：灰黑色～灰黄色，软塑，可见少量锈色斑点，含少量锈斑，偶见姜石，局部为泥炭层。层厚0.60～9.30m。

⑤3粉土：灰色，稍湿，密实，含有锈色斑点及少量螺壳。层厚0.60～7.00m。

⑤71粉砂：灰黄色，稍密，饱和，矿物成份以石英、长石为主，含锈斑、云母。层厚2.60～7.30m。

⑤72粉砂：褐色，中密，饱和，矿物成份以石英、长石为主。层厚0.60～9.00m。

⑤73粉砂：褐黄色，密实，饱和，主要成分为石英、长石。层厚1.70～7.30m。

⑤83细砂：黄褐色、褐黄色，密实，饱和，主要成分为石英、长石，夹粉土薄层。层厚0.50～4.30m。

（二）水文地质特征

地下水为第四系松散堆积层孔隙水，勘测期间地下水埋深1.6～2.8m（高程-1.93～-0.73m），水位变幅1.0～2.0m。地下水主要靠大气降水和地表水补给，排泄方式以人工开采及侧向径流为主，蒸发为辅。土壤最大冻结深度0.7m。

（三）不良地质和特殊地质

人工填土：①2素填土，呈层状分布，层厚0.0~1.9m,，以黏性土为主，表层含植物根系，①4填筑土，呈透镜体分布，层厚1.3m，以粉土为主，含砖块及石屑。

（四）地震效应

Ⅱ类场地条件下基本地震动峰值加速度分区值0.20g；Ⅱ类场地条件下基本地震加速度反应谱特征周期分区值0.40s（为现铁路抗震规范的2区）。

三、数值模拟分析

1.模拟过程

本次评估分析选取大型非线性通用有限差分软件FLAC作为计算平台。FLAC由美国Itasca公司开发的仿真计算软件。FLAC3D是二维的有限差分程序FLAC的拓展，能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发生变形和移动（大变形模式）。FLAC采用了显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动。由于无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。

FLAC有以下几个优点：

（1）对模拟塑性破坏和塑性流动采用的是“混合离散法“。这种方法比有限元法中通常采用的“离散集成法“更为准确、合理。

（2）即使模拟的系统是静态的，仍采用了动态运动方程，这使得FLAC在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍。

（3）采用了一个“显式解“方案。因此，显式解方案对非线性的应力-应变关系的求解所花费的时间，几乎与线性本构关系相同，而隐式求解方案将会花费较长的时间求解非线性问题。而且，它没有必要存储刚度矩阵，这就意味着；采用中等容量的内存可以求解多单元结构；模拟大变形问题几乎并不比小变形问题多消耗更多的计算时间，因为没有任何刚度矩阵要被修改。

计算模型岩土体尺寸为350m×200m×150m，按新建铁路东丽特大桥施工工序建立主要的施工阶段；通过施工阶段的分析，建立三维实体有限差分元模型进行数值模拟计算：

（1）初始应力场的模拟：根据地勘钻孔资料及天津地铁设计资料提供的不同土层剖面，考虑不同的土体分层条件和重度；考虑了既有地铁桥墩对初始应力场的影响。

（2）连续介质材料的模拟：有限差分元数值计算中土体采用“莫尔—库伦（M-C）”土体弹塑性模型，天津地铁六号线区间桥梁、新建铁路东丽特大桥桥桩基。

（3）边界条件的模拟：对计算土体的底面约束竖向z的位移（z=0），侧面分别约束横向x（x=0）、纵向y的位移（y=0），地表为自由面；天津地铁桥桩、新建京滨铁路东丽特大桥桥桩基础约束z方向的转角。

（4）施工过程的模拟：通过有限差分元软件的“激活单元、杀死单元”模拟东丽特大桥（60+100+60m）预应力连续梁桥段上跨交叉地铁六号线工程施工、运营对既有地铁六号线基础10#～13#墩桩基础及上部结构的影响。

新建铁路东丽特大桥与既有地铁区间桥梁空间三维分析模型如图3所示。

图3三维几何模型

列车荷载参照ZK荷载取值，静力荷载综合取值q=64kN/m，ZK活载的计算图示如图4所示。

图4 ZK活载图示

根据本工程的地质勘察报告中取值并参照天津滨海地区相关工程的地层参数取值，各层土的C、φ取直剪固快试验指标计算，地质土层的主要物理力学参数见表1。

表1  地层物理力学参数

钢筋混凝土本构关系采用整体式的理想弹性模型，表达式：。有关钢和混凝土物理参数按规范取值，见表2。

表 2 混凝土和钢筋计算参数

注：钢筋混凝土的含筋量按照实际配筋情况计算后确定，作为材料的特性参数输入。

2.分析结果

摩擦桩的承载力主要由两部分组成：桩侧摩阻力和桩端的承载力，且桩侧摩阻力分担的较多。摩阻力分为正摩阻力和负摩阻力。简单来讲：当桩周土相对于桩向下位移时，则使桩身承受向下作用的摩擦力，即负摩阻力；反之为正摩阻力。桩周负摩阻力非但不能为承担上部荷载做出贡献，反而要产生作用于桩侧的下拉力，而造成桩端地基的屈服或破坏、桩身破坏、结构物不均匀沉降等影响。因此，考虑桩侧负摩阻力对桩基础的作用是桩基础设计必不可少的问题之一。

当桩基础周围环境发生变化，例如桩周围土体因自重固结、场地填土、地面大面积堆载、降低地下水位、大面积沉桩等原因而产生的沉降大于基桩的沉降时；应视具体工程情况分析计算桩侧负摩阻力对基桩的影响。负摩阻力的大小受着多种因素的影响，诸如桩周土与桩端土的强度、变形特性、应力历史、地面荷载、桩的类型和设置方法、地下水位的变化以及历时等。故计算负摩阻力是一个复杂问题。

新建铁路桥梁及运营后的列车荷载对结构下的土体产生压缩，对既有地铁桥梁桩基产生向下的摩擦力，即负摩擦力。负摩擦力的存在使得桩基的极限承载力降低，沉降量增加，对工程较为不利。桩侧摩阻力计算较为复杂，而对于既有地铁桥梁考虑铁路修建及运行前后对桩基础的影响，在这里从桩基础轴力变化的幅值来考察。因为新建桥梁修建对于场地土是一个持续加载的过程，故考虑最后一个施工阶段即通车运营阶段与地铁桥梁自身桩基轴力进行比较。通过FLAC 3D计算，可得到8#~13#桥墩桩基础在新建桥梁施工前和运营阶段其轴力的变化，来评价桩基承载力的变化。

由于计算中桩基采用实体单元计算，实体单元仅能计算其应力，故施工前及施工后的地铁桥梁桩基竖向应力云图分别如图5和图6所示。

图5 施工前地铁桥梁桩基竖向应力云图（Pa）

图6 施工后地铁桥梁桩基竖向应力云图（Pa）

通过应力与轴力的转换公式计算可得，从Phase 2～Phase 14阶段，桩基轴力变化值见表3，最大变化值为234.7kN，12#桥墩轴力变化最大。

表3 地铁桥墩桩基承载力变化表（单位：kN）

由表3可见，12#桥墩单桩荷载增加值约为设计单桩富裕承载力的34.5%，即新建桥梁施工后仅占用了既有桥梁桩基富裕承载力的1/3。

地铁桥墩桩基单桩轴力受到新建东丽特大桥施工及运营的影响，其单桩荷载增加值小于设计单桩富裕承载力，能够满足安全要求。

3.结论

（1）施工期间对9号～12号桥墩进行变形监测，验证和校核理论计算结果，并根据监测资料的分析，判断既有桥梁变形，对铁路运营安全进行预警。一旦监测异常，应立即停止施工，启动事故应急预案处理。对观测变形超标的桥墩，分析产生原因，研究对策，提出整改措施后再进行施工，以保证既有地铁线路运营的安全。

（2）京滨铁路东丽特大桥施工期间，既有桥梁外侧起向外各200米范围内禁止抽取地下水，并做好施工期间的防、排水工作。

（3）施工弃土、弃渣、废料等要及时妥善处理，严禁乱取乱放，渣土外运应采用专用车辆，防止扬尘扬沙。

（4）东丽特大桥施工前应注意调查地铁沿线管线等地铁及市政设施，避免施工破坏，制定行之有效的施工方案，并组织专家评审通过后，报铁路主管部门行政审批，审批通过后方可施工。

（5）由于新建铁路桥梁距离既有地铁桥墩较近，机械施工时应采取有效措施避免机械碰撞桥墩。

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