新建道路下穿高速鐵路橋梁對高鐵橋墩和樁基影響

文/李迪雄，岳陽公路橋梁基建總公司

新建道路下穿高速鐵路橋梁對高鐵橋墩和樁基影響

文/李迪雄，岳陽公路橋梁基建總公司

近年來，隨著居民生活水平的提高，其對出行的需求需求愈來愈高，從而促進了國家交通運輸業的發展，交通運輸基礎工程建設也隨著不斷地加快。但不可避免的是問題隨之而來，新建道路與高速鐵路交叉穿越的情況時有發生，這對進一步發展新建道路產生了一定的影響。本文以新建道路穿越京滬高速鐵路東石潭特大橋為例，分析了新建路基方案對原有高鐵橋墩和樁基的影響，提出了新建混凝土樁板結構的方案。

新建道路；下穿高鐵橋梁；橋墩；基樁

引言

自從我國建成京津城際高速鐵路以來，這成為我國第一條高速鐵路，其數量不斷增多，建設步伐不斷加快，由于鋪設道路時建設空間有限，新建道路穿越高鐵時有發生。所以在新建道路時，著重考慮其對高速鐵路橋梁的影響顯得十分重要，因為這樣保證了已建高速鐵路運營安全。從目前來看，選擇道路下穿高鐵方案時，主要有橋梁方案、板樁結構方案、“U”形槽方案、路基方案等。本文研究了新建道路下穿越京滬高速鐵路，以東石潭特大橋為例，分析新建路基方案對高鐵橋墩和樁基的影響和新建混凝土樁板結構方案，數據分別采用Foundation、Plaxis 3D軟件處理。

1 工程概況

如圖1所示，新建道路在本項目中，下穿京滬高鐵東石潭大橋201號～202號橋墩和202號～203號橋墩中間部分。

圖1 下穿京滬高鐵東石潭大橋位置圖

道路在京滬高速鐵路東石潭特大橋32 m后簡支箱梁出穿越，張法預應力混凝土雙線，1 m鉆孔灌注樁基礎，雙柱墩，地基承載力為250 kPa，高鐵樁基持力層為黏土、粉質黏土。面東石潭特大橋梁底至道路路凈高大于5.5m。

2 地質條件

依次如下是道路穿越處各層巖土。

1）全新統地層(Q4)：主要為細、粉砂及黏性土。

2）黏土、粉質黏土。堅硬～硬塑狀態，揭示層厚大于5 m，樁側摩阻力系

數q=65～80 kPa，地基承載力層頂埋深39～47.0 m。

黏土、粉質黏土。硬塑狀態，地基承載力為240～280 kPa，樁側摩阻力

系數q=60～75 kPa，揭示層厚為4～40 m。

3 方案設計

1)方案一：混凝土板樁結構的新建。其平面示意圖如圖2所示。在原地面上新建13*3m的混凝土板樁結構，將其布置成兩幅，寬度為13.75 m，鉆孔灌注樁，樁長為20 m，道路樁基持力層地基承載力為240 kPa，長為1 m。樁基距離高鐵橋墩既有樁基的安全距離大于6 d，此為新建板樁結構設計原理。

圖2 方案一的設計平面圖

2)方案二：通過新建路基的方式。其平面示意圖如圖3所示。將路基布置分為兩幅，每幅寬度為13.75 m，表層路面厚度為35cm，運行時的荷載為每平方米10.5kN，路基填筑高度為39cm。

圖3 方案二的設計平面圖

4 方案分析

使用Foundation、Plaxis 3D軟件計算這兩種不同方案分別對鐵路樁基和橋墩的影響。Foundation、Plaxis 3D軟件主要用于巖土工程上，3D分析土層的穩定和變形問題，處理巖土工程中建造和結構的過程，其核心分析程序得到工程界和國際上學術界長期的考核和驗證。獨立的實體模型可以進行自動的網格劃分和分割，把Founda tion、Plaxis 3D中復雜的結構和土體定義為結構模型和土體模型這2種不同的模式。通過水位表、荷載、結構對象、激活／非激活土體族等實現真實模擬開挖過程和施工過程。檢查全3D地下土--結構模型的復雜內部結構細節時，可以觀察輸出中的全套可視化工具。

4.1 方案一分析

包含的4種不同工況，運營荷載和路面結構層、施工板、鉆孔樁施工、開挖，通過不同工況分別模擬鐵路樁基和橋墩的影響。以下是分階段的計算結果：

1) 鐵路樁基和橋墩幾乎不受道路鉆孔樁施工的影響，忽略不計。

2) 對橋墩豎向和縱向變形影響較大的是施工混凝土板，201號的縱向位移為0.38 mm，是最大的位移；202號橋墩的豎向位移最大為-0.25 mm。其對高鐵樁基的作用主要表現為造成了樁基的縱向變形，承臺203號樁基最大縱向位移為0.1 mm，201號的最大縱向位移為-0.12 mm。

3) 道路運營荷載及路面結構層會造成道路路面下沉，進而導致周圍土體下沉，加載引起橋墩的縱向變形，同時引起鐵路高架橋橋墩和樁基的豎向位移。其中201號橋墩的縱向位移最大，達到0.17mm， 202號橋墩的沉降最大，達到-0．18 mm。樁基的最大縱向位移是202號承臺，為-0.09 mm， 201號承臺樁基也達到了0.08 m m。

4)橋墩會縱向水平位移，這是由于開挖施工產生的土體卸載作用。橋墩203號縱向位移0.26 mm，是最大的位移。承臺203號和202號的樁基縱向變形最大，分別為-0.8 mm和0.11 mm (中負號表示與實際參照的坐標方向相反，正號表示與坐標方向相同) ，這也是由開挖引起的樁基縱向位移。

表1是橋墩頂部最終變形情況。可以看出，板樁結構運營及施工引起高鐵橋墩頂部的橫向位移小于0．07 mm，縱向位移小于0.50 mm，總的沉降量小于0.33 mm．

4.2 方案二分析

包含的3種不同工況，運營荷載和路面結構層、路基填筑、開挖，通過不同工況分別模擬鐵路樁基和橋墩的影響。以下是分階段的計算結果：

1)路基填筑引起高鐵橋墩縱向和豎向位移，橋墩路基填筑對高鐵橋墩橫向位移影響很小，對縱向位移影響較大，其中202號橋墩最大縱向位移為0.24 mm，豎向位移是最大的，達到-0.21 mm。縱向變形也是路基填筑對高鐵樁基產生的影響，樁基203號的最大縱向位移為0.06 mm，20l號最大縱向位移為-0.06 mm，202號堆載作用相互抵消，這是因為其兩側填筑。

2)運營荷載和路面結構層加載造成高鐵橋墩縱向和豎向位移，其中201號橋墩的縱向位移最大，達到0.46mm，202號橋墩的豎向位移最大，達到-0.40mm。但是這種工況對高鐵橋墩橫向位移幾乎沒有影響，相比之下，20l號樁基縱向變形為-0.13mm，是最大的數值。

3)橋墩會縱向水平位移，這是由開挖施工產生的土體卸載作用引起的。卸載引起202號和203號橋墩的樁基縱向位移，其中202號樁基縱向位移為0.08mm，203號樁基位移-0.07mm。202號橋墩豎向位移0.11 mm，縱向位移-0.27 mm。

表2是橋墩頂部最終變形情況，可以看出，201號橋墩的縱向位移最大，達到了0.65 mm，202號橋墩的豎向和縱向位移最大，分別為-0.50 mm和 -0.1 mm。

表2 各墩頂的變形情況（mm）

5 結束語

1)通過計算分析，板樁結構（方案一）道路運營及施工后橋墩墩頂最大縱向水平位移為0.50 mm(201號橋墩)，對高鐵橋墩最大附加沉降為0.33 mm(202號橋墩)； 路基結構（方案二）道路運營及施工后橋墩墩頂最大縱向水平位移為0.65 mm(201號橋墩)，對高鐵橋墩最大附加沉降為0．50 mm(202號橋墩)；可以肯定的是，方案一和方案二對高鐵橋梁運營安全和結構安全均不會產生影響。從工期、施工難易度和造價角度上選擇路基方案（方案二）。

2)當考慮對道路沉降變形控制較為嚴格或地基土較軟弱時，可以選取方案一。因為板樁結構可以提高整體地基的剛度，所以其對高鐵樁基的影響非常小，可以忽略不計。它的特點是底板上承受所有的車輛荷載，再通過底板傳遞到樁間和樁基土。但樁基施工也有一定的弊端，板狀結構施工工藝本身較復雜，加上其對地基土的影響較大，投資較高，完成周期長，所以應綜合考慮選取合理的方案。

3) 在道路運營和施工對高鐵橋梁的影響允許的情況下，當地基承載力滿足要求時，可以優先考慮路基方案。在選取路基填料時，可使用輕質填料或普通路基合格土換填，采用鉆孔樁或擋土墻等支擋路基邊坡。可以明確的是，選用道路路基方案下穿高鐵橋梁，具有施工工藝投資小、工期短、操作簡單的優點。

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