中国铁路设计集团有限公司 天津 300142
摘要：随着我国铁路行业的发展，铁路运行速度逐渐提升，铁路轨道平顺性要求也更加严格。临近既有铁路的新建项目施工和运营时，会对周围土体产生扰动，从而影响铁路桥梁的受力、变形。为避免由于新建项目施工造成的铁路桥梁承载能力降低、变形过大等不良后果，在施工前应对施工影响范围内的铁路桥梁进行数值模拟，优化设计方案，降低影响。本文以某新建铁路工程为背景，建立弹塑性有限元模型，模拟某新建铁路并行既有铁路施工和运营状态，分析对既有铁路桥梁受力、变形的影响，检验新建铁路线路方案的可行性，并为类似工程的设计提供参考。
关键词：有限元；高速铁路；安全评估；变形
1、工程概况
某新建铁路桥100~106号墩与既有高铁桥梁232~238号墩并行。既有铁路为时速350km/h的双线高速铁路，采用无砟轨道。并行段落的孔跨样式为（24+32m+48+80+48+32）m，双线哑铃型桥墩，桩基采用摩擦桩。新建铁路时速250km/h，采用有砟轨道。并行段落的孔跨布置为（32+48+80+48+32m+24）m，桩基采用摩擦桩。两条铁路的并行线间距为19.46m，承台最近距离8.80m，最近桩间距11.05m。具体并行情况见图1-1。
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图1-1 并行段落位置图
2 地质和水文条件
桥址区地层为第四系全新统人工堆积填筑土、杂填土、素填土，第四系全新统冲积（Q4al）淤泥、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土、黏土、粉质黏土、粉土、粉砂、中砂、粗砂、细圆砾土，第四系上更新统冲积（Q3al）黏土、粉质黏土，下伏白垩系上统赤山组（K2c）泥质砂岩、砂岩，，侏罗系中统陡山组（J2d）泥质砂岩、砂岩、凝灰质角砾岩。
桥址区地下水类型为第四系地层孔隙潜水及基岩裂隙水，稳定水位埋深为0.5～7.0m，水位季节变幅1～3m。
3 数值模拟
3.1 有限元模型建立
新建铁路施工会对临近既有高铁产生一定的影响，分析时采用有限元分析软件Midas GTS-NX建立整体三维有限元模型，土体模型认为各土层均呈匀质水平层状分布且同一土层为各向同性。根据工程范围和评估需要进行土体模型范围界定，模型长325m，宽120m，高65m。建模时规定x轴为顺铁路方向，y轴为垂直铁路方向，z轴为竖直方向。土体采用修正摩尔-库伦本构模型模拟，修正摩尔-库伦模型是对摩尔-库伦的改进，由非线性弹性模型和弹塑性模型组合，适用于淤泥或砂土等土层。摩擦桩采用1D植入式梁单元模拟，钻孔灌注桩防护采用2D单元模拟，其他结构均采用3D实体单元模拟，桥梁的上部结构均以自重形式加载在桥墩上来模拟，土体水平四周边界采用水平约束，底边界采用竖向约束。
有限元模型的网格划分对计算结果的精确度影响较大， 模型的网格划分尺寸较小时，计算结果的精确性高，但计算耗时长。因此划分网格时需控制网格尺寸，桥墩等需要重点分析的结构网格尺寸较小，土体网格尺寸可以适当加大。网格划分时为避免刚度矩阵奇异，按照最小与最大网格尺寸1：4的比例划分网格。三维有限元模型见图3-1。
3.2 施工阶段模拟
为分析新建铁路桥施工和运营对既有铁路的影响，需模拟新建铁路桥的各施工阶段。施工阶段模拟前，需模拟初始应力场。激活既有铁路桥梁的结构和外力，模拟其受力状况。天然土体在自重和既有铁路等荷载作用下，已完成固结沉降，需将此状态作为后续施工阶段的初始状态。因此，在Midas GTS建模时，需进行位移清零，设置初始场地位移为零，而应力不清零[1]。
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图3-1 有限元模型
铁路桥现场施工流程较复杂，经过简化可以划分为以下4个阶段：
（1）新建桥梁桩基施工；
（2）基坑开挖；
（3）墩台及梁部施工；
（4）新建铁路运营
3.3 计算结果分析
为分析新建铁路对既有铁路桥梁的影响，重点分析各施工阶段既有铁路桥墩顶的位移。
新建桥梁桩基阶段引起的既有桥梁墩顶最大附加沉降为0.062mm，发生在既有桥的233号墩。最大附加横向水平变形为0.130mm，发生在233号墩，方向为靠近新建铁路。最大附加纵向水平变形为0.048mm，发生在234号墩。
基坑开挖阶段由于发生荷载卸载，造成既有桥梁发生隆起，隆起最大值为0.102mm，发生在233号墩。最大附加横向水平变形为0.176mm，方向为远离新建铁路。最大附加纵向水平变形为0.029mm，发生在234号墩。
墩台及梁部施工阶段引起的最大附加沉降为0.587mm，发生在233号墩。最大附加横向水平变形为1.184mm，发生在233号墩，方向为靠近新建铁路。最大附加纵向水平变形为0.456mm，发生在234号墩。
运营阶段引起的最大附加沉降为0.683mm，发生在233号墩。最大附加横向水平变形为1.408mm，发生在233号墩，方向为靠近新建铁路。最大附加纵向水平变形为0.483mm，发生在234号墩。
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图3-2 233号墩沉降时程曲线
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图3-3 234号墩纵向变形时程曲线
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图3-4 233号墩横向水平变形
通过有限元计算，施工过程造成的既有铁路桥的最大沉降和横向水平变形发生在233号墩，最大纵向水平变形发生在234号墩。这两个桥墩与新建铁路桥的承台距离最近，受到施工阶段影响较大，结果合理。虽然与234号墩距离较近的新建铁路102号墩基础和上部结构重量更大，但其施工时采用钻孔桩防护，降低了对既有铁路的影响。
4 结论
本文以并行某高铁的新建铁路工程为例，按照实际施工方案，使用Midas GTS软件建立三维有限元模型，对施工过程进行数值模拟分析，得到以下结论：
（1）并行既有线的新建铁路施工，对既有铁路桥变形造成一定影响，尤其对既有铁路桥的沉降、横向水平位移影响较大，变形影响满足《铁路桥涵设计规范》、《高速铁路无砟轨道线路维修规则》的要求。
（2）钻孔桩等防护结构可以有效减小铁路施工时对周围环境的影响，建议加强对新建铁路101号墩的防护，降低施工影响。
（3）建议优化施工机具，减小对场地土的扰动。
（4）制定合理的监测方案，加强对既有铁路桥梁的变形监测，及时预警，最大限度的保证铁路的运营安全。
参考文献
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