U型槽下穿某高铁施工及运营全过程PLAXIS 3D仿真模拟分析（附教程）

二、某道路项目概况

• （1）设计车速：60km/h；

• （2）设计荷载：城-A级；人群荷载：4.5kN/m2,

• （3）地震烈度：7度，地震加速度0.15g。

某道路与某高速铁路交叉，交角为86.1°。与既有某普速铁路交叉，交角为85.3°。某道路下穿既有既有某普速铁路和张弓物流均采用框架桥顶进施工。既有某普速铁路框架桥工作基坑位于既有某普速铁路北侧，基坑外缘至某高速铁路距离约40m，且中间相隔既有某普速铁路铁路路基。

三、某道路下穿处概述

• 铁路等级：城际铁路，有砟轨道。

• 线路标准：双线，线间距4.6m。

• 运营速度：200km/h。

• 轨道标准: 铺设无缝线路，钢轨60kg/m。

• 设计荷载：ZK活载。

某道路下穿处，将某高速铁路2号桥墩置于中央分隔带内，并设置防撞墙。方案中，某道路与某高速铁路的立面位置关系见图1.2，平面位置关系见图1.3。

3 、某道路既有某普速铁路顶进框架概况

图1.4 顶进框架与某高速铁路位置图（m）

设计框架桥涵共计三部分：主体采用14.5 （18.15 18.15） 11m三孔布置框架桥。箱体锐角为86°。工作坑设置在线路北侧，由北向南顶进施工。考虑现场情况，框架桥结构可作适当加强。

四、编制和评价咨询依据

1、相关铁路条文、通知

• 《中华人民共和国铁路法》（2015年修正）
• 《铁路安全管理条例》（中华人民共和国国务院639号令）
• 《铁路建设工程安全风险管理暂行办法》（铁建设［2010］162号）
• 《铁路营业线施工安全管理办法》（铁运［2012］280号）
• 《关于进一步明确铁路工程设计线路交叉跨越有关问题的规定》（铁建设［2012］23号）

• 《郑州铁路局关于公布《郑州铁路局铁路营业线施工安全管理实施细则》的通知》（郑铁办〔2013〕50号）；

2、相关设计规范

• 《铁路桥涵设计规范》（TB10002-2017）
• 《铁路桥涵混凝土结构设计规范》（TB10092-2017）
• 《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB10093-2017）
• 《高速铁路设计规范》（TB10621-2014）
• 《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》
• （TB10182-2017/J2470-2018）
• 《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81-2017）
• 《铁路线路设计规范》（TB 10098-2017）
• 《客运专线铁路变形观测评估手册》（铁工管技[2009]77号）
• 《高速铁路有砟轨道线路维修规则（试行）》（铁运〔2013〕29号）

• 《铁路技术管理规程》（高速铁路部分）（2014）

五、风险源分析

某高速铁路跨某道路桥桥下净空约为2.5m，桥下地面高程为93.0m。根据设计资料，U型槽下穿某高速铁路底板底标高87.238m，即桥下地面到U型槽底板底距离5.762m。开挖深度较大，采用分段开挖施工方法。

某道路下穿处施工和运营过程中，对既有桥梁结构有一定影响，为了评估U型槽下穿方案的可行性，避免某道路下穿处施工和运营期间既有桥梁出现异常，影响某高速铁路正常运营，需首先找出潜在风险源，然后针对各风险因素进行分析研究。经风险分析，安全评估内容如下：

• 1）框架桥顶进下穿既有某普速铁路施工，土层受力状态变化引起铁路桥梁桥墩位移变化评价。

• 2）U型槽下穿某高速铁路施工和运营过程中，土层受力状态变化引起铁路桥梁桥墩位移变化评价。

六、U型槽设计和施工方案评价

1、 U型槽设计和施工方案评价

此部分涉及道路限界、U型槽设计、施工机械对桥梁碰撞和基坑开挖方案的评价。

1）道路限界评价

根据设计资料，路面至梁底距离最小为6.33m，大于5.5m，满足规范要求，不需要设置限高架，不会碰撞铁路梁。

6.0.4条规定“U型槽和框架结构侧墙的设置应满足下列条件：

• 当U型槽和框架结构底板埋深低于承台底面时，U型槽和框架结构与高速铁路桥梁承台边净距不宜小于3m。
• 当基坑不需做支护结构且结构底板埋深高于承台顶面时，U型槽和框架结构侧墙投影线不应与高速铁路桥梁承台重叠。”

• U型槽结构侧墙投影线与承台最近距离0.1m，不与承台重叠。

2） U型槽设计评价

《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》3.0.7条规定“采用桥梁、桩板结构、U型槽和框架结构下穿高速铁路时，结构两端距高速铁路桥梁水平投影外侧的垂直距离不应小于20m。”

U型槽在整个下穿范围内都贯通，满足此项规定。

6.0.2条规定“U型槽和框架结构顺道路方向的长度除应满足第3.0.7条外，尚应延伸至底板高于设防地下水位为止。”

根据某道路设计文件，某道路下穿现状张弓物流铁路、某高速铁路、既有某普速铁路和待王路采用箱涵及U型槽结构。设计起点为K6 365，终点为K7 055，延伸到地下水位以上，满足规范要求。

6.0.6条规定“U型槽和框架主体结构及接缝处应采取防水措施。结构底板低于地下水位时，防水等级应满足《地下工程防水技术规范》GB50108一级防水等级。”

下穿处防水等级为一级，满足规范要求。

6.0.7条规定“U型槽和框架结构变形缝不宜设置在高速铁路桥梁投影线范围内。”

结构变形缝不在桥梁投影线范围内，满足规范要求。

3） 施工机械碰撞评价

施工方案中多种机械，可能因为操作不合理以及人员疏忽，施工机械在施工过程中侵入桥梁限界，甚至发生碰撞桥梁，车轮碾压承台的情况，影响桥梁正常工作。

4） 基坑开挖评价

6.0.9条规定“当地下水位较高时，应在U型槽和框架结构基坑支护结构外侧设置截水帷幕，禁止坑外抽降地下水。”

《铁路安全管理条例》2013年639号令第三十五条“高速铁路线路路堤坡脚、路堑坡顶或者铁路桥梁外侧起向外各200m范围内禁止抽取地下水。”

地质主要以粉质粘土为主，为弱透水层，透水量较小。经计算，既有某普速铁路顶进工作坑开挖Q1＝Q2=2.8m3/h，某高速铁路桥下现浇U型槽工作坑开挖U1＝1.22m3/h，U2＝1.45m3/h，U3＝1.82m3/h。

2、既有某高速铁路止水措施评价

基坑四周设置止水帷幕，并沿桥梁两侧各200m范围内设置止水帷幕，禁止抽取地下水，坑内采用混凝土封底，工作坑内降水，对坑外水位影响较小，符合规范规定。建议施工时，对地下水位进行监测，并制定相关安全措施。

图5.2 基坑外稳态水位

基坑四周设置止水帷幕，并在沿公路方向200m范围内同样设置止水帷幕，止水帷幕采用双排水泥土搅拌桩，直径为0.60m，间距为0.35m，咬合0.15m，桩长15m。基底混凝土封底，完成后进行顶进滑板、后背墙、后背桩及框架主体施工。在顶进前进行,采用压密注浆对铁路下路基做封闭地下水处理。既有某普速铁路顶进框架施工，基坑周围有止水帷幕，基底混凝土封底，并对既有某普速铁路铁路路基做封闭地下水处理，基坑处于完全与外界隔离状态，坑内降水，坑外水位不发生变化，即既有某高速铁路位置水位不发生变化。

建议施工时，对地下水位进行监测，并制定相关安全措施。

七、安全评估模型建立

考虑到模型复杂性，将模型分为两部分：

• 1）既有某普速铁路框架顶进对某高速铁路影响

• 2）U型槽下穿某高速铁路及运营对某高速铁路影响

1、既有某普速铁路框架顶进模型

综合考虑边界效应及计算效率，以桥梁2号桥墩中间为中心，240m×160m×85m范围内土体建立模型。

模型划分为114497单元，162885节点。计算模型见图6.1～6.2。

图6.1  桥址区土体模型

图6.2  结构计算模型

表6.1  计算工况

2、 U型槽下穿某高速铁路模型及计算工况

综合考虑边界效应及计算效率，以桥梁2号桥墩中间为中心，240m×40m×85m范围内土体建立模型。

模型划分为117100单元，159782节点。计算模型见图6.3～6.4。

图6.3  桥址区土体模型

图6.4  结构计算模型

U型槽下穿某高速铁路模型计算工况：

在 PLAXIS 3D 三维实体模型中建立施工阶段，模拟施工过程：

• 1）开挖既有桥中心位置U型槽（1区域），开挖宽度为9m（下底宽）。    
• 2）开挖完成后进行U型槽施工，U槽宽度为8m，施工完成后将U槽内填土至道路路面高程。    
• 3）待第一节U槽施工完成后进行既有线左、右两侧U槽开挖（2和3区域），开挖宽度为6.5m（下底宽）。随着开挖进行，在区域1已施工U型槽上压重25kN/m2。
• 4）开挖完成后进行U型槽施工，U槽宽度为6m，施工完成后将U槽内填筑路面至路面高程。    
• 5）待1、2和3节U槽施工完成后进行4和5区域基坑同时开挖，开挖宽度为9.5m（下底宽）。随着开挖进行，在区域2和3已施工U型槽上压重25kN/m2。

• 6）开挖完成后进行U型槽施工，两侧U槽宽度均为10m，施工完成后将U槽内填土至道路路面高程。完成后将U型槽上压重分批、对称撤下。

施工布置图如图6.5所示。

图6.5 施工布置图

八、计算结果分析

图7.1  工况1 施工止水帷幕

 图7.2 工况2 基坑开挖

图7.3 工况3 顶进框架建成

图7.5  工况5 U型槽施工完成、土回填

桥梁0～4号墩台竖向位移和相邻墩沉降差计算结果，见表7.1，1~3号墩墩顶竖向位移随施工步变化见图7.6：

表7.1  0～4号墩台竖向位移计算结果    （单位：mm）

图7.6 1~3号墩墩顶竖向位移随施工步变化

既有某普速铁路框架桥顶进施工会使既有桥墩产生位移，对其中2号桥墩墩顶位移产生一定的影响。在框架侧顶进施工过程中，2号桥墩墩顶沉降最大发生在框架顶进后，沉降向上为1.13mm，框架侧U型槽施工完成、土回填后，绝对沉降为向上0.38mm，相邻墩沉降差为0.19mm。

本次施工顺序为先进行框架顶进施工并进行框架侧U型槽施工和基坑的回填，后进行桥下U型槽施工。由上表可以看出，框架桥侧施工完成后，绝对沉降为向上0.38mm，相邻墩沉降差为0.19mm，对既有某高速铁路影响甚小。

2、U型槽下穿某高速铁路及运营结果及分析

1）墩台位移

某道路U型槽下穿某高速铁路和运营，会对下穿U型槽两侧1号～3号桥墩产生一定的影响。

图7.7  工况1 1区域基坑开挖（9m）

图7.8  工况2 1区域U型槽施工及土体回填

图7.9  工况3 2和3区域基坑开挖

图7.10  2和3区域U型槽施工及土体回填

图7.11  工况5 4和5区域基坑同时开挖

图7.12 工况6 4和5区域U型槽施工及回填

图7.13 工况7 运营阶段

图7.14 基坑外稳态水位

图7.15 水位示意图

计算水位为91.85m，基坑外止水帷幕处水位下降到91.46 m，下降0.39m。桥台前水位91.72m，水位下降0.13m。桥台后水位91.75m，水位下降0.10m。第一步开挖后，降水位降到开挖面以下0.5m，之后开挖阶段稳态水位均如图7.15所示。

经过计算，基坑外止水帷幕处水位下降到91.46 m，下降0.39m。桥台前水位91.72m，水位下降0.13m。桥台后水位91.75m，水位下降0.10m。既有某高速铁路开挖过程中，止水帷幕外水位下降较小，为0.39m，桥台位置水位下降0.13m，最大竖向位移为0.35mm。U型槽基坑内开挖，对基坑外水位影响较小，对基坑外桥台、路基段影响较小。

桥梁0～4号墩台竖向位移、相邻墩沉降差和当前工况与前工况的差值计算结果，见表7.2，1~3号墩墩顶竖向位移随施工步变化见图7.16：

表7.2  0～4号墩台竖向位移计算结果    （单位：mm）

表7.3  1～3号桥墩墩顶水平位移        （单位：mm）

图7.16 1~3号墩墩顶竖向位移随施工步变化

作为对比，当不考虑基坑外水位随着开挖变化时候，计算出来1～3号桥墩墩顶竖向和水平位移如下表所示。

表7.4  0～4号墩台竖向位移计算结果    （单位：mm）

表7.4  0～4号墩台竖向位移计算结果    （单位：mm）

经过对比，分别考虑与不考虑基坑开挖对坑外水位的影响，计算结果显示，考虑坑外水位桥墩的竖向和水平位移略有降低。

2）桩基轴力

从施工过程判断，2号桩基在施工过程桩基轴力因为土体的加载卸载，桩基轴力会产生一定变化，为最不利桩基，以下给出2号桩基轴力图及轴力表格。

2号桩基在各阶段最不利角桩的轴力计算结果，见表7.6：

表7.6  2号桩基轴力计算结果     （单位：kN）

九、项目总结

某道路下穿某高速铁路及新焦普速铁路工程，分别对高速铁路和普速铁路进行评价，研究内容复杂、丰富。采用领先的岩土专业计算软件PLAXIS 3D，对施工及运营阶段全过程进行仿真模拟分析。根据工程地质报告并结合不同地质情况岩土参数进行合理取值，同时深入研究高地下水位对工程施工的影响，并研究了坑外水位的变化。从整体基坑开挖不满足条件，根据计算优化施工顺序，最终确定采用分块施工，保证了施工和运营引起的铁路沉降控制值在规范容许的范围内，完成了本次设计任务。

经过完成以上设计工作，总结如下：

• 1、研究下穿工程对既有工程有影响，同时评估对相邻铁路的影响。应根据经验判断并简化有限元分析模型，抓住主要分析问题，比如某高速铁路采用设计时速大，按照高铁标准进行安全评价，分别从基坑降水、墩顶位移和施工措施进行评价；对于某普速铁路，普速铁路顶进框架施工工艺比较成熟，需要注意采取安全措施，某高速铁路和某普速铁路线间距40m左右，还应综合考虑某普速铁路侧顶进施工对某高速铁路的影响。
• 2、在方案各个阶段，与复核、专审、院总反复沟通方案细节，听取工程专业指导，并跟PLAXIS技术部门联系解决问题。在整个设计过程全程研究，总体上思考整个方案从方案到计算再到绘图、送审、出图，清晰的认识一个安全评估项目的整个设计工作流程，充分认识到规范的重要性。
• 3、研究大体积基坑开挖和施工工艺对于铁路安全的重大影响。施工分步开挖并采取压重的措施，保证某高速铁路墩顶位移始终在规范限值一下，同时为满足规范要求，采取基坑内降水，基坑周围施工止水帷幕及基坑封底等施工措施保证施工中铁路运营安全。
• 4、研究高地下水位深基坑开挖对水位的影响问题。在考虑基坑四周施工止水帷幕情况，并在土质较好、渗透率较低情况，通过PLAXIS的瞬态渗流计算，根据施工顺序直接计算基坑内降水对坑外水位的影响。经过止水帷幕及有利的低渗透土体，研究结果显示本工程基坑内排水对于基坑外的水位影响基本上可以忽略不计。如果采用稳态地下水渗流，施工时间较短，计算水位结果偏保守，不适用于本工程。

• 5、研究了高水位深基坑开挖，坑底位移过大的问题。本工程在地下水位较高，开挖后土体卸载较大，基坑周围设置有止水帷幕，所处土层为渗透系数及较低的粉质黏土层，坑内外水位差大，坑底水压较大，容易出现坑底向上位移较大问题。因此有必要及时进行封底并施工，保证工程的安全性。

以上是我对这项工程的关键技术分析以及工程安全评估的技术总结，希望对在学习土木的理工科学子以及工程师有所帮助；我在仿真秀发布的《PLAXIS理论与工程没那么难》系列专题课程中，正在持续更新中，讲解了有关岩土工程计算方面的内容，感兴趣的读者可以订阅。

PLAXIS理论与工程没那么难