钻孔灌注桩基础变形对既有线的影响范文

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《公路杂志》2016年第10期

摘要：

新建高速铁路跨越既有线施工过程中，存在诸多工程问题，包括基坑开挖、现浇箱梁支架钻孔灌注桩基础变形等对既有线的影响等。采用三维有限元方法模拟分析跨越既有线连续梁现浇支架的基础灌注桩施工的“缩颈效应”、支架基础变形引起的“牵连作用”等对既有线的影响。针对计算结果及工程经验，建议灌注桩施工期间采取限速等措施，以确保既有线行车安全。

关键词：

既有线；钻孔灌注桩；基础；变形；有限元分析

新建高速铁路跨既有线的连续梁采用现浇支架法施工时，其荷载将通过钢管支架传递至支架基础上，进而通过基础下的钻孔灌注桩传递至地基，地基将在上述荷载作用下发生一定量的变形（以竖向变形为主）。由于支架基础紧邻既有线路基，其沉降变形将会对既有线产生“牵连作用”，从而导致既有线路基与铁轨产生变形［1－3］。此外，支架基础灌注桩施工时，产生的“缩颈效应”同样对既有线产生一定的影响［4－7］。因此，研究现浇箱梁支架的钻孔灌注桩基础变形对既有线的影响具有非常重要的工程意义。本文结合工程实例，采用有限元方法分析在上述“缩颈效应”、“牵连作用”下，钻孔灌注桩基础变形对既有线路基的影响，工程实践表明，方案与计算结果均具有指导意义。

1工程简介

三条新建高速铁路采用主跨100m的连续梁跨越既有线，连续梁采用支架法施工，支架基础与既有线平行，采用条形基础＋桩的形式。条基截面尺寸为1．8m×1．0m（宽×高），长度为192．75m。桩基为1200mm的钻孔灌注桩，间距为5．0m，如图1、图2所示。

2计算模型

为减小数值模型中边界约束条件对计算结果产生的不利影响，取计算模型尺寸为：宽度方向70m，长度方向为242m，深度方向约为60m（最大钻孔深度），如图3所示。

2．1缩颈效应的计算模型

本工况下的施工顺序为先施工一侧钻孔灌注桩，再施工另一侧，为便于分析将4根铁轨按照与先施工一侧桩基的距离编为1～4号轨道，如图4所示。划分网格后的三维模型如图5所示；图6为桩基与既有线路基以及轨道的空间关系。

2．2牵连作用的计算模型

本工况下划分网格后的三维模型如图7所示；桩基、承台与既有线路基及铁轨的空间关系如图8所示。

2．3单元类型

数值模拟分析中采用三维有限元软件，土体、桩、铁路路基均采用三维8节点六面体实体单元，铁轨采用桁架单元；桩—土接触面单元采用无厚度的Goodman单元；采用理想弹塑性的mohr－coulomb强度准则。模型的边界条件为：顶面为自由边界条件；侧面限制外法向位移；底部边界的3个平移自由度均限制其位移。

3计算结果

采用三维有限元计算模型分析在“缩颈效应”、“牵连作用”下，对既有线路基、铁轨的变形影响。在下面的计算结果中，X正方向为沿着铁路向右，Y正方向为朝向第一批施工灌注桩方向、Z正方向为向上（即隆起）。

3．1缩颈效应的计算结果

3．1．1基桩施工引起的既有线位移

在最不利工况下（不含列车荷载的作用），分析桩基施工对既有线路基及轨道的位移的影响，计算结果见表1。从上述计算结果中可以得出，在没有列车荷载的作用下，因基桩施工引起的轨道的最大竖向位移约为16mm，但这是在下列最不利工况下得到的，即既有线一侧的钻孔灌注桩同时进行成孔后（不浇筑混凝土），进行另外一侧的成孔施工，显然与实际工程施工不符。根据经验修正，一般取其最大值的25％较为合理，即因钻孔灌注桩施工所引起的轨道沉降最大值约为4mm；差异沉降很小，即使按照最不利工况考虑，差异沉降也仅为1．0mm左右。

3．1．2列车荷载引起的轨道的位移

在最不利工况下（双向列车在施工区域会车），分析列车荷载对既有线的轨道的沉降的影响。结果表明，列车荷载引起的既有线轨道的最大沉降约为10．6mm，差异沉降约为1．5mm，沉降云图如图9、图10所示。

3．1．3列车荷载作用下基桩施工引起的轨道的位移

在列车荷载作用下，分析基桩施工对既有线轨道的位移的影响，计算结果见表2．结果表明，在钻孔灌注桩施工时，考虑既有线列车会车荷载的作用，轨道的最大沉降约为25．67mm，包括列车运行所引起的沉降约10．6mm，则由于钻孔灌注桩施工所引起的附加沉降约为15mm，与上述计算结果较为一致。综上所述，在列车荷载作用下，因“缩颈效应”引起的既有线轨道的最大沉降约为14．6mm，差异沉降约为2．7mm，为了确保施工期间既有线的行车安全，建议采取限速措施等。

3．2牵连作用的计算结果

在各工况下，支架基础变形对既有线路基及轨道的位移影响见表3。结果表明，因支架基础变形对既有线轨道的最大沉降约为11．58mm，包括列车运行所引起的沉降约10．6mm，因此，由于支架基础变形所引起的既有线轨道的附加沉降仅为1mm左右，故对既有线的影响较小。

4结语

根据上述数值模拟分析可得到以下主要结论。

（1）本工程钻孔灌注桩施工时，会对邻近的既有线路基及轨道产生一定的影响；不考虑列车荷载的情况下，灌注桩施工所产生的最大附加沉降约为4mm，最大的差异沉降约为1．0mm。

（2）钻孔灌注桩施工时，对邻近的既有线路基及轨道产生的附加水平位移影响较小。

（3）仅考虑列车荷载作用，轨道的最大沉降约为10．6mm，差异沉降约为1．5mm。

（4）在钻孔灌注桩施工时，考虑既有线列车会车荷载的作用，轨道的最大沉降约为14．6mm，差异沉降约为2．7mm。

（5）在钻孔灌注桩施工期间，为了确保既有线的行车安全，建议采取限速等措施。

（6）因支架基础变形所引起的既有线轨道的附加沉降约为1mm，故对既有线的影响较小。目前，该新建高速铁路跨越既有线的连续梁桥，在限速的情况下，已安全施工完毕，验证了该分析方法是可行的，为在类似施工条件下跨越既有线的连续梁桥的支架法施工积累了宝贵的经验。

参考文献：

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［2］李龙剑，杨宏伟，李政林，等．基坑开挖对邻近桥梁桩基的影响分析［J］．地下空间与工程学报，2011，7（增2）：1697－1701．

［3］王翠，闫澍旺，张启斌．深基坑开挖对邻近桥桩的影响机制及控制措施研究［J］．岩石力学与工程学报，2010，29（增1）：2994－3000.

［5］楼晓明，金志靖．钻孔灌注桩基础对紧邻地铁隧道产生竖向附加应力和变形的计算分析［J］．岩土力学，1996，17（3）：48－53．

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［7］温世游，陈云敏．钻孔灌注桩变形机理的理论分析和数值模拟［C］∥中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集，2003．

作者:韩学伟 王高彦 王君 单位:中国交通建设股份有限公司 河海大学 中交第二公路工程局有限公司