中国铁路设计集团有限公司天津300142
摘要：以地铁上跨高速铁路立交为工程背景，采用有限元数值模拟的分析方法。建立邻近既有铁路新建地铁基坑开挖以及墩梁施工的模型，分析地铁上跨铁路立交工程施工对既有铁路的影响。研究表明地铁上跨铁路立交工程施工对铁路基础沉降影响程度较大。铁路桥梁的纵向刚度、横向刚度对地铁上跨铁路立交工程施工有相对更高的适应力。
关键词：地铁铁路立交；基坑开挖；墩梁施工；沉降变形
引言：随着我国经济飞速发展，道路交通网日趋完善,轨道交通如火如荼建设，形成了大量地铁与铁路立交交叉工况。[1]地铁基坑的开挖势必引起原状土体的变形、墩梁施工也势必导致地基土体附加应力的改变，最终造成铁路沉降以及纵横向变形。[2]因此，地铁铁路立交工程施工对铁路的影响分析十分必要，同时也为临近既有线施工安全确定提供了依据，意义重大[3]。
1工程概括
本文研究的工程背景是某城市的一条地铁骨干路线，位于该市西海岸新区，与某高速铁路特大桥交叉跨越。地铁正线双线，设计中列车最快的运行速度：100km/h，平面最小曲线半径700m，竖曲线半径5000m，车辆车辆重量:机动车辆≤34.88T，拖车≤34T。铁路为国铁I级，正线双线，设计速度目标值：200km/h，有砟轨道，设计荷载：中-活载。
2地铁上跨铁路立交工程概况
2.1场地工况
桥址区表覆第四系全新统冲洪积层、淤泥质粉质黏土、粉质黏土层；下伏新元古代晋宁期片麻状花岗岩、局部侵入燕山期煌斑岩、及角闪岩。地下水为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水，地下水埋深0.8～1.0m，地下水主要由大气降水及地表水补给，水位季节变幅2～3m。地下水对处于氯盐环境中的混凝土结构具侵蚀性，作用等级为L1。本场地地震动峰加速度为0.10g(地震基本烈度为VII度)，地震动反应谱特征周期分区为三区，场地类别为Ⅱ类。土壤最大冻结深度：0.7m。
2.2地铁上跨铁路设计方案
2.2.1平纵布置
地铁平面位于直线段，地铁采用32+56+32m现浇连续梁形式跨越铁路，地铁与铁路交叉角度65.16°，全长120米。变坡点处在上述交叉位置，两侧纵断面坡度分别为4‰和-10‰。
图2-1某市地铁跨越铁路方案
2.2.2桥墩和基础参数
地铁采用圆形桥墩，1-4号桥墩高分别是22.5米、20.5米、22米、22.5米，现浇施工。桥墩基础均为钻孔桩基础。1号和2号桥墩使用了6根钻孔桩，桩径1.2米，桩身长度分别是11米和28米；3号和4号桥墩应用8根钻孔桩，桩径1.2米，桩长分别为14米和26米。
3地铁上跨铁路立交工程施工对铁路的影响
3.1有限元模型建立
根据理论分析，本次采用大型通用有限元分析软件MidasGTSNX建立整体三维有限元模型进行计算分析。
3.11土层参数取值
根据地质资料土层类型，将施工场地分层，划分为若干个土层，见表3-1，并根据地质钻孔相关数据确定土层相关地质参数。
表3-1地质资料
3.12有限元模型
采用大型通用有限元分析软件MidasGTSNX建立整体三维有限元模型进行计算分析，土体模型简化各土层均呈匀质水平层状分布且同一土层为各向同性。模型长度为145m，宽度100m，深度36m，土体采用修正摩尔-库伦模型来模拟土的本构关系，桥梁的桩基采用1D梁单元模拟，其他结构均采用3D实体单元模拟，土体水平四周边界采用水平约束，底边界采用竖向约束。三维空间有限元土体模型如图3-1所示[4][5]。
3.13施工过程模拟
模拟步骤：平衡地应力并位移清零→建立既有铁路相关结构→新建地铁桥基坑开挖→新建地铁运营阶段。具体阶段分为如下施工阶段，见表3-2：
表3-2施工阶段划分
3.2计算结果分析
3.2.1铁路桥梁沉降影响模拟分析
根据计算模型提取各阶段桩基沉降数据见表3-1：
表3-1铁路2～5号墩沉降汇总表（mm）
注：表中沉降值正值为隆起，负值为沉降。
根据表中数据分析，铁路桥梁荷载导致桩基沉降，地铁基坑开挖导致临近地基卸载，使得临近基坑桩基产生隆起，距离较远的桩基产生沉降，最终的沉降量由上述作用的综合效果决定。基坑开挖对既有铁路沉降影响较大。
3.2.2铁路桥梁纵向水平位移影响模拟分析
根据计算模型提取各阶段桥墩纵向水平位数据见表3-2：
注：水平变形正值为变形指向桥梁小里程，负值为变形指向桥梁大里程。
根据表中数据分析，地铁桥梁基坑开挖、地铁桥梁运营对既有铁路桥梁纵向位移影响较小。从而一定程度上证明了，铁路桥梁的纵向刚度相较于地铁桥梁基坑开挖、地铁桥梁运营的影响来说有更高的适应力。
3.2.3铁路桥梁横向水平位移影响模拟分析
根据计算模型提取各阶段桥墩横向水平位数据见表3-3：
表3-3铁路墩顶横向水平位移表（mm）
注：水平变形正值为面向桥梁大里程变形指向桥梁左侧，负值为面向桥梁大里程变形指向右侧
根据表中数据分析，地铁桥梁基坑开挖、地铁桥梁运营对既有铁路桥梁横向位移影响较小。从而一定程度上证明了铁路桥梁的横向刚度相较于地铁地铁桥梁基坑开挖、地铁桥梁运营的影响来说有更高的适应力。
结论
铁路桥梁荷载导致基础沉降，新建地铁基坑开挖导致基坑临近地基卸载，使得临近基坑桩基产生隆起，距离较远的桩基产生沉降，最终的沉降量由上述作用的综合效果决定。地铁桥梁基坑开挖、地铁桥梁运营对既有铁路桥梁纵向、横向位移影响较小。从而一定程度上证明了铁路桥梁的纵向刚度、横向刚度对地铁地铁桥梁、基坑开挖、地铁桥梁运营的影响来说有相对更高的适应力。
参考文献
[1]韩学君."基坑开挖对临近既有铁路的影响分析."中外公路1(2014).
[2]吴璀余."紧邻既有铁路深基坑开挖支护方案模拟分析与计算"[J];国防交通工程与技术;2010年04期.
[3]李梅芳."邻近既有线深基坑开挖过程中的动力响应分析"[J];华东交通大学学报;2011年05期.
[4]沈健[1]."深基开挖对邻近高架基础影响的三维数值分析"[J];地下空间与工程学报;2005年04期.
[5]黄传胜."地铁深基坑开挖变形预测方法及工程应用研究"[D];中南大学;2011年.
作者简介
武骥（1990，09-），性别：男，民族：汉，籍贯：天津市（只写到省、市），职称或学历：研究生，工作单位：中国铁路设计集团有限公司，研究方向：桥梁设计。