铁路路基下穿地铁工程安全风险与处置对策研究.pdf

2023年6 月3 0 日铁路地质与路基2023年第1期总第10 5期铁路路基下穿地铁工程安全风险与处置对策研究廖科（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉4 3 0 0 6 3）【摘要近年来，我国城市化进程快速发展，新建铁路路基下穿既有桥梁的情况日益增多。本文以新建北仑支线复线下穿地铁桥梁为背景，通过AI地质勘探和数智地调技术，查明下穿处的地质情况，利用PLAXIS3D模拟软件，以实际工程条件为基础，分析新建铁路路基的最大沉降和对既有地铁桥梁的变形影响，评估新建铁路对既有地铁工程的安全性。【关键字北仑支线复线下穿地铁路基沉降桥梁变形三维模型模拟随着我国基础设施建设的持续推进，新建铁路路基下穿桥梁将成为常态。新建铁路无论以何种形式通过，都将对既有桥梁桩基产生不同程度的影响，因此有必要对邻近桥梁桩基的工程安全进行评价与研究-1。国内外下穿工程风险分析与处置研究较多。吴世明结合杭州庆春路过江隧道泥水盾构穿越钱塘江南岸大堤的工程实例，对盾构下穿堤防的风险源和原因进行系统分析，阐述造成的危害及规避和处理措施3。蒋海青依托上海市梅陇基地雨、污水排水管网改造顶管工程，对下穿地铁的顶管工程风险控制以及对周边环境沉降影响进行分析(4 。赵伟在沈阳地铁四号线南五马路站砂阳路站盾构区间下穿南八马路高架桥工程中，利用有限元计算分析盾构区间施工对高架桥安全的影响，揭示了承台沉降量及承台差异沉降量与地面沉降量近似呈线性关系5。Elgamal A运用PLAXIS3D模拟分析了微型桩施工对现有桥梁基础的影响，为地下施工提供了一个减少桥梁基础沉降的解决方案。国内外目前对铁路路基下穿工程的研究较少。本文以新建北仑支线复线下穿宁波地铁1号线为依托，以实际工程条件为基础，采用硬化土模型（HSS），在PLAXIS3D软50件中对路基沉降和既有桥梁桩基变形进行数值分析，研究新建铁路下穿宁波地铁1号线的工程安全风险与处置对策。1工程概况1.1工程简介北仑支线复线位于浙江省宁波市，工程起始于邱隘站，终于大站，与既有北仑支线并行。下穿地铁1号线位于新建铁路里程DK168+920D K 16 8+9 8 5段，该处地形为山前缓坡，新建路基为既有线帮宽工程，线路小角度并行地铁1号线，邻近地铁1号线D-05号墩台，并下穿地铁1号线D-06号门式墩。距离最近的桥墩为D-05号墩台。1号线门式墩D-061号线门式墩D-06复线路基段1号线相邻桥墩D-05图1下穿地铁一号线空间关系1.2工程地质条件北仑复线经过区主要为海积平原区，局部地段为丘陵，海积平原区地势平坦开阔，1号线相邻桥墩D-05河流密布，居民稠密，零星分布馒头状的低矮丘陵，低山丘陵区海拨高度3 0 18 0 m。山脊呈波状起伏，山顶一般因长期剥蚀呈浑圆状，坡度一般153 5，丘陵区一般植被较发育。本次新建路基下穿地铁桥梁位于丘陵区，工程地质条件较好。沿线海积平原区表层主要为第四系淤泥质粉质黏土，局部夹粉细砂层，厚204 0 m，工程地质条件差。其下为含砾粉质黏土、砂砾石层，厚0 3 0 m，工程地质条件较好，下伏基岩为罗系上统的火山碎屑岩及熔岩。低山丘陵区主要以中生代侏罗系熔结凝灰岩为主，局部有流纹岩、英安岩分布，岩石致密坚硬，地质构造单一，风化层厚度较薄，工程地质条件总体较好，但因岩质坚硬，地形地貌陡峭，局部基岩出露，区内局部有小型滑坡、危岩落石等不良地质现象。1.3水文地质条件沿线海积平原区，河网沟渠纵横，地表水较发育，零星分布有水塘。沿线地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。松散岩类孔隙水主要分布于沿线滨海平原及沟谷地带，赋存于第四系松散地层中。含水层岩性为海积、冲海积、冲积、洪积相砂、砂砾石。含水层顶板埋深视其时代、成因不同可分别为十数米至近百米不等，厚53 0 m，水量丰富。基岩裂隙水分为构造裂隙水和风化带网状裂隙水两种。构造裂隙水主要分布在火山岩、火山碎屑岩、岩浆岩的裂隙中，富水性与节理、裂隙的发育程度及性状有关，单井涌水量一般为110 0 t/d，富水性属贫乏。风化带网状裂隙水主要分布在基岩顶部厚度不一的风化层中，一般强风化带厚25m，风化裂隙呈网状交织，方向性差，连续性好，形成基岩裂隙水的主要赋存场地。网状裂隙水主要受大气降水及上覆第四系松散层孔隙水补给，一般水量不大，小于5t/d，但在构造破碎带及接触带中，却极为富水，涌水量大，可达9 0 t/d以上，地下水位受地形控制，流向与地形起伏一致，向沟谷排泄。2地基处理方案2.1常规处理D-05桥墩处，新建路基邻近地铁1号线墩台处采用槽型墙支挡收坡，墙高2.1m，路基筏板距离地铁1号线墩台边缘最小净距约1.2 4 m。新建路基两侧采用钢板桩防护，降低对既有线路基和地铁桥梁桩基的影响。既有桥染3.206.005.436.666钢板桩防护，长6 mV(9)含砾粉质黏土(13)1全风化凝灰岩(13)2强风化凝灰岩(13)3弱风化凝灰岩图2 常规处理横断面图砾石类、碎石类A1、A 2 组填料6.20TTD-005墩b-7.6.20DK168+929.3H-1.06.20钢板桩防护，长6 m00512.2桩板结构处理D-05桥墩处，新建路基采用桩板结构，横向采用2 排钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩径1.0 m，钻孔桩横向桩间距为4 m，纵向桩既有北仑线间距为6 m，桩长13 14 m。邻近地铁1号线墩台处采用槽型墙支挡收坡，筱板上墙高6.02.1m。路基筏板距离地铁1号线墩台边缘最槽型墙部分D-05号墩新建北仑复线图3 常规处理平面图小净距约1.2 4 m，钻孔桩与地铁1号线桩基最小中心距为5.13 m，桩基外侧结构最小净距约4.0 3 m。新建路基两侧采用钢板桩防护，降低对既有线路基和地铁桥梁桩基的影响。既有桥染6.003.205.436.666钢板桩防护长6 m/(9)含砾粉质黏土(13)1砾石类、碎石类A1、A 2 组填料1.503.201.506.201b=7.6D-005 墩.201.20钢板桩防护，长6 m0ST全风化凝灰岩2根.d4m(13)2(13)3C35钢筋混凝土板+C35钢筋混凝土桩（桩径1.0 m）强风化凝灰岩弱风化凝灰岩DK168+929.3H=-1.06图4 桩板结构横断面图3数值模拟分析O3.1假定条件既有北仑线6.00O86.09%19.98新建北仑复线图5桩板结构平面图岩土工程数值分析的关键之一是选择合适的土体本构模型。本文采用考虑小应变的硬化土模型（HSS模型），Benz在HS模型6.0元的基础上，结合修正的Hardin-Drnevich剪槽型墙部分D-05号墩切模量关系式，考虑了土体在小应变区域内刚度随应变的非线性变化，提出了土体硬化小应变模型 7-8 。52验的切线压缩模量Ered、刚度应力水平相关+挡土墙-+地基基础+隧道非常小小应变应变010610-5动力测试法局部应变测量图6 土体的典型刚度应变曲线HSS在HS基础上增加了两个参数，分别为小应变参考初始剪切模量G和参考剪应变0.7（通常取0.0 0 0 2）。和HS模型相比，HSS模型不仅仅考虑了土体的剪切硬化以及压缩硬化，还考虑到了土体小应变情况下的土体特性。3.2计算参数HS模型共有11个参数，有效黏聚力c、有效摩擦角、剪胀角、三轴固结排水剪切试验的参考割线模量E、固结试容重E%EEGc土层名称/0/kN/m3/kN/m/kN/m/kN/m/kN/m/kN/m(1)1粉质黏土18.50479539962877186313（1）2 淤泥质粉质黏土17.0525382115152284568411.093（3）粉质黏土18.525054421230326887533.004（1)粉质黏土19.505303441931817954501.235(1)粉质黏土19.21（5）3 细圆砾土19.21(6）1粉质黏土19.31(7)1粉质黏土19.217279606643675131026（9）含砾粉质黏土19.217279606643675131026（13）1全风化J3凝灰岩19.808752729352509157528（13）2 强风化J3凝灰岩20.381636513638 98193294580（13）3 弱风化J3凝灰岩20.5825502212521530144590433.3建立计算模型及边界条件embedded桩单元建模，钢板桩采用板单元利用PLAXIS3D建立三维有限元模建模，路基填土等采用实体单元建模，所型，桥墩承台及以上采用实体单元建模，有土体均采用排水类型。模型边界条件为桥墩承台以下桩基和新建铁路下桩基采用100 84 30m。幂指数m（统一取0.8）、三轴固结卸载再加载试验的卸载再加载模量E、泊松比vur传统土工试验（统一取0.2）、参考应力pref（统一取10 0大应变kPa）、破坏比R,（统一取0.9）、正常固结10-10310-2剪应变。表1各地层HSS模型参数表2658214851349271047821.377279606643675131026699858324199012597110-1静止侧压力系数K。其变形参数（模量参数）可按照上海市基坑工程技术标准（DG/TJ508-61-2018）推荐的公式进行计算：Eroe.-0.9E,s1-2K-3Erur式中，Es1-2为常规岩土工程勘察报告提供的压缩模量。有效黏聚力和有效摩擦角可根据经验公式9 从土体初始孔隙比推导：=26.9e-0.72c=0.76(g-38)本文各土层参数取值如下表：Es1-2强度。/kN/m/kN/m34423.4034.0436.46.436.26.2037.6037.8037.6037.6037.3039.8041.5444023504680491053907.667407.864807.667407.667407.381039.81515311.5236138005312060100160160200180200200250500桩板结构工况，新建路基采用桩板结构。邻近地铁1号线墩台处采用槽型墙支挡收坡。新建路基两侧采用钢板桩防护。D-06号墩-右D-06号墩-左感有路基新建路基D-05号墩钢板桩图10 桩板结构工况下穿有限元网格图图7无桩工况下穿有限元模型D-06号墩-右D-06号墩-左既有路基新业路基3.5数值模拟计算与分析经过数值模拟计算，无桩工况下，新建路基后最大变形为8.6 5mm，位于新建路基中心附近，如图11所示。新建路基对既有邻近地铁桥梁桩基础变形影响的最大为0.41mm，位于桩顶位置处，其中竖向变形为0.40mm，水平向变形0.0 1mm。PD-05号墩7.07.00钢板桩图8 桩板结构工况下穿有限元模型3.4计算工况常规处理工况即无桩工况，新建路基邻近地铁1号线墩台处采用槽型墙支挡收坡。新建路基两侧采用钢板桩防护。图9 无桩工况下穿有限元网格图54图11无桩工况沉降变形图经过数值模拟计算，桩板结构工况下，新建路基后最大变形为1.4 0 5mm，位于新建路基中心附近，如图12 所示。新建路基对既有邻近地铁桥梁桩基础变形影响的最大为0.34mm，位于桩顶位置处，其中竖向变形为0.31mm，水平向变形0.0 3 mm。对于下穿宁波地铁1号线工程，根据城市轨道交通结构安全保护技术规范（C JJ/T 2 0 2-2 0 13）规定，水平位移和竖向位移控制值均为2 0 mm。参考类似项目，取2.0安全系数，沉降变形限制取10 mm，本项目地铁1号线墩台沉降变形控制标准参照该桩板结构通过。同时，新建路基施工时要注1.2.意监测既有高架桥梁变形，保障施工安全。6参考文献：1徐宇，李永奎.新建铁路下穿宜泸高速公路桥对其桩基变形影响分析J.路基工程,2 0 19,(06):108-113.图12 桩板结构工况沉降变形图标准执行。经过数值模拟计算，常规处理和桩板结构处理均满足规范要求。桩板结构处理工况下，新建路基最大变形远小于常规处理工况，邻近桥梁桩基变形也小于常规处理工况，建议该处新建路基下穿宁波地铁1号线采用桩板结构处理。4结论本文基于PLAXIS3D，建立新建北仑支线复线以路基形式下穿宁波地铁1号线的三维有限元模型，分析了常规处理和桩板结构处理工况下新建路基对既有桥梁的影响，得到结论如下：（1）常规处理工况下，新建路基最大沉降为8.6 5mm，新建路基对邻近桥梁桩基础的变形影响最大值为0.4 1mm，位于桩顶位置，满足规范安全控制要求。（2）桩板结构处理工况下，新建路基最大沉降为1.4 1mm，新建路基对邻近桥梁桩基础的变形影响最大值为0.3 4 mm，位于桩顶位置，满足规范安全控制要求。（3）由于新建路基与既有桥梁结构净距较近，且该处为斜坡，建议新建路基采用2 3 吴世明，林存刚，张忠苗，等.泥水盾构下穿堤防的风险分析及控制研究J.岩石力学与工程学报,2 0 11,3 0（5）:9.4 蒋海青.下穿地铁轨道顶管工程风险控制以及对周边环境沉降影响分析J.交通科技与管理，2022（0 0 1):0 0 0.5赵伟，盾构隧道下穿既有高架桥工程措施及施工影响分析J.北方交通，2 0 2 3（2）：5.6 Elgamal A.Numerical analysis of the effect ofunderpass construction on an existing bridgefoundationJ.2021.7汤道飞，王长虹.小应变硬化土本构模型在FLAC3D中的开发及应用J/OL.上海大学学报（自然科学版）:1-13 2 0 2 3-0 3-14 8 罗敏敏，陈赞，周江.小应变土体硬化模型参数取值研究现状与展望J.工业建筑,2 0 2 1,51(04):172-180.9顾晓强，吴瑞拓，梁发云等.上海土体小应变硬化模型整套参数取值方法及工程验证J.岩力学,2 0 2 1,4 2（0 3）:8 3 3-8 4 5.王睿.邻近高铁新建构筑物对商合杭高铁桥梁的变形影响分析J.城市道桥与防洪,2 0 19,(09):94-97+118+13.55