岩溶地区回转式套管桩施工对邻近既有高铁桥墩的影响分析.pdf
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1、2023年6 月3 0 日铁路地质与路基2023年第1期总第10 5期岩溶地区回转式套管桩施工对邻近既有高铁桥墩的影响分析阮晨希(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)摘要本文以某新建铁路线下穿既有沪昆高铁的桩基工程为例,通过建立三维数值计算模型,研究了岩溶地区回转式套管桩施工时,邻近既有桥墩的沉降、水平位移及周边地表沉降变化规律,同时通过对现场监测值与模型计算值进行直观数据对比,论证了回转式套管桩在岩溶地区邻近既有高铁的桩基施工的适用性,可为类似工程提供参考。【关键字岩溶既有高铁回转式套管桩数值模拟随着我国铁路网高速发展,下穿既有铁1工程背景路工程呈逐渐增长趋势,加
2、之我国岩溶地区分布广泛,因此,对溶洞发育地区邻近既有线路施工的研究具有一定的工程意义。石振明以吉安永和大桥桩基施工为例,系统介绍了溶洞处理的一般原则和处理方法选择依据。徐浩然2 I基于边坡支护的基本原理,结合某特大桥桩基工程,运用岩溶注浆、旋喷桩隔离既有线、片石填充、护筒跟进、抗滑桩围护及变形监测等手段,避免了岩溶地区桥梁桩基施工所产生的地面塌陷、溶洞封堵漏浆、桩孔塌及周边变形超限等问题。覃文元3 结合湖南常吉高速工程五处钻孔灌注桩施工案例,阐述了桥梁桩基穿越多层溶洞的钻孔施工方法。黄自文4 采用全护筒二次成孔分级防护的方案,成功解决了桩基穿过复杂连通溶洞时孔内泥浆水头迅速下沉的问题。杨卫东5
3、 通过数值模拟和灰色理论分析研究了单桩穿越大型溶洞时不同桩长、桩径、洞高对桩基承载力特性的影响。本文依托某铁路线桥梁下穿沪昆高铁客运专线工程,对岩溶地区下穿既有高铁线路的桥梁桩基施工对既有线的影响进行研究。1.1工程概况某铁路线桥梁桩基施工工程,拟建桥梁起屹里程DK1+123.75至DK2+445.17,桥梁全长13 2 1.4 2 m。于设计里程DK2+120.18至DK2+152.98处以T梁形式下穿沪昆高铁特大桥2 6-2 7 墩之间(中心里程为K1145+278.04),相交角度8 0,其2 8 号与2 9 号桥墩邻近既有高铁,距既有线桥梁最小水平距离为6.3 0 m,距既有线桥墩最小
4、水平距离13.4 0 m,桥面净高差13.9 8 m。拟建桥梁桩基与既有沪昆高铁线的相对平面位置关系如图1,立面位置关系图见图2。新建铁路线沪昆铁路客运专线铁路28-428-5-28-128-228-3图1桥位平面关系图23113.4图中标注单位:m3026沪昆铁路客运专线铁路桥中心27268661新建铁路桥墩1013.5600点布置图见图4,测点编号表见表1。新建铁路线29号桥墩8LL沪昆高铁$=125=125图中标注单位:cm图2 桥位立面关系图沪昆高铁特大桥2 6 号桥墩承台厚度2.30m,桩基础采用12 根基桩,桩径1.2 5m,桩长14.0 0 至18.5米。2 7 号桥墩承台厚度2
5、.30m,桩基础采用12 根基桩,桩径1.2 5m,桩长6.0 0 至12.50 米。拟建桥梁2 8 号、2 9号桩基由5根基桩构成,桩长19 至4 0 m,28号桥墩下方布有强发育溶洞。对工程场区进行了地质勘察,据勘察结果显示,桥址区地层按其成因分类,主要为第四系全新统人工回填土(Q4m)、粉质黏土(Q4a+pl)、圆砾土、残积层(Q)黏土、石炭系壶天群(C2+3)白云质灰岩。新建铁路与既有线交叉处岩溶强烈发育,场区以密集中小型层叠状岩溶为主,个别位置发育有大型溶洞,溶洞以全填充和半填充灰岩碎块、粉质黏土、粗圆粒土为主,无填充溶洞占比较少,新建铁路桩基2 8 下方溶洞高度为11.1至16.3
6、 m,物探法测得场区岩溶布置如图3。1.21监测方案由于新建铁路桥墩施工可能引起沪昆高铁结构和地基应力发生变化,使沪昆高铁桥梁结构发生较大的位移,危及高铁行车安全。因此,本工程在桩基施工期间和施工后一段时间内对新建铁路线与沪昆铁路线交界处既有高铁桥墩的沉降、水平位移及周边地面沉降进行监测,使工程处于受控状态,测28号桥墩=125图3桥址区岩溶分布图新建铁路线29号桥墩沪昆高铁DB1DB228号桥墩6图4测点布置示意图表1测点编号表图例编号CDBW2三维数值模拟计算模型2.1计算假定由于施工场区岩溶呈层叠状发育,个别溶洞强发育,大部分溶洞净高较小,为简化计算模型并使计算结果呈现普适规律,本次数值
7、模拟默认各土层与岩层在空间平面上层31桥址区岩浴W2监测项目监测点数桥墩沉降4地表沉降2墩顶水平位移2厚统一,新建桩基下方溶洞理想化为球体空洞。本次数值分析模拟计算假定如下:(1)同种材料为均质、各向同性体;(2)桥墩、承台、桩体假定为线性弹性体;(3)理想弹塑性体的地基土和基岩;(4)桩土相互作用由假想的桩土接触面耦合弹簧来模拟;(5)溶洞以理想化球体性状建立。(6)桩孔开挖与混凝土浇筑过程不考虑时间因素对桩孔以及周边土体的影响,开挖及浇筑均在瞬时完成。2.2计算模型确定根据新建桥梁桩基与既有线的位置关系可知,场区主要施工边界近似于边长3 0 m的方形区域,既有线最大桩长18 m,拟建桩基仅
8、有两根过溶洞基桩长4 0 m,其余桩长均在2 0 m左右,故本次模拟计算区域以新建桥梁与既有线交点为中心,平面长宽取3 倍施工场区边长,深度取3 倍桩长计算,最终确定计算区域几何尺寸为:长10 0 m,宽100m,深度6 0 m,模型建立过程如下:(1)建立拟建桩基开挖处的单元以及溶洞模型体。(2)建立场区土层及岩层模型。(3)在既有线桥墩位置上方建立既有高铁的桩基、承台和桥墩模型,同时在既有线桩基外表面建立接触面模型,将桥墩、承台、桩基整体下移至拟定位置。几何模型坐标系统X轴沿东西方向分布,以东向为正,Y轴沿南北方向分布,以北向为正,乙轴垂直地表以向上为正,坐标原点位移几何模型左下地表顶点处
9、,计算模型网格单元在既有线与桩基施工点处划分密集,在远离施工场区土层及岩层网格划分稀疏,计算模型图见图5。模型块体建立完成后对各分组进行本构模型定义,其中粉质黏土、圆砾土、白云质灰岩采用摩尔库伦模型,桩基、承台、桥墩、钢套管采用各向同性线弹性模型。同时32e2012 ItascaConsuFLAC3D5.00tingGrouZoneColoflorbyGroupAny根据现场地质勘察报告以及相关工程手册选取对应力学参数。由于场区基岩与土层交错分布,接触面极为复杂,且场区地表土层厚度较比基岩厚度较小,在长期自重应力作用下土层与岩层接触面嵌合度良好,故不考虑基岩与土层的接触面模型,使用软件贴合命令
10、将岩土层视为整体,仅考虑桩基与土层和岩层之间的接触面模型,接触面参数选取参照FLAC3D使用手册建议值,取较弱一侧的粘结力与摩擦角,切向刚度与法向刚度取相同值,为10 倍的弱侧剪切模量值,各地层与桩基接触面分别定义,桩土接触面参数选取表见表2。表2 桩土接触面参数表粉质粘土-圆砾土一白云质灰岩一桩接触面桩接触面桩接触面切向刚度/MPa19.7法向刚度/MPa19.7模型建立与参数赋值完成后,需对模型的边界条件进行设置,本次模拟限制模型X方向与Y方向的四周边界面处位移,Z方向限制模型底面位移,顶面不做限制。3数值模拟结果分析3.1既有线桥墩沉降分析对既有线桥墩的工后沉降进行分析,图6为既有线桥墩
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