新建公路下穿高速鐵路對其橋墩的影響

（山西誠達(dá)公路勘察設(shè)計有限公司，山西 太原 030006）

在交通出行方式中，鐵路網(wǎng)和公路網(wǎng)交相呼應(yīng)，共同促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展。在建設(shè)過程中，鐵路和公路難免產(chǎn)生交叉，保證已建成工程的安全與穩(wěn)定是新建工程必須考慮的因素。尤其是新建公路下穿高速鐵路時，由于高速鐵路的運行速度特別快，對鐵路的穩(wěn)定性和變形有著嚴(yán)格的控制要求，新建工程必須選擇合適的下穿方案來保證高速鐵路的正常運營。

一、設(shè)計階段的荷載因素

高速鐵路為了保證運營速度達(dá)到設(shè)計的目標(biāo)，其對橋墩的沉降值、碰撞性能等要求較高，當(dāng)新建公路下穿高鐵時，汽車荷載、路基填土及汽車撞擊力都會引起橋墩樁基的土壓力發(fā)生變化，進(jìn)而影響橋墩的穩(wěn)定性。

在公路設(shè)計規(guī)范中，通常將汽車荷載換算成等代均布土層厚度進(jìn)行計算：

等代均布土層荷載h和路基填土H共同作用，將對橋墩產(chǎn)生附加作用力，進(jìn)而影響橋墩的安全穩(wěn)定性。首先共同荷載會對橋墩產(chǎn)生側(cè)向土壓力，由于橋墩可以簡化為固定端，因此側(cè)向土壓力將會在橋墩底部形成彎矩作用，造成橋墩的受力狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而引起橋墩變形。其次共同荷載會對橋墩的樁側(cè)土體產(chǎn)生豎向作用力，當(dāng)附加豎向力過大時，樁側(cè)土體會向下沉降，進(jìn)而對橋墩樁基產(chǎn)生負(fù)摩阻力，從而造成樁基的承載力降低，影響樁基的受力性能，橋墩可能產(chǎn)生位移變形影響高鐵行車安全。

當(dāng)新建公路等級較高時，公路的設(shè)計速度和汽車的行駛速度較大，汽車撞擊橋梁橋墩順行車方向撞擊力為1000kN，橫行車方向撞擊力為500kN，一旦快速行駛的汽車撞到高鐵橋墩，巨大的沖擊力將會對橋墩產(chǎn)生不可逆的破壞，高鐵橋墩勢必產(chǎn)生變形，影響鐵路運營安全。

二、施工階段的分析

（一）計算案例

本文計算案例為某新建公路下穿大西高鐵某特大橋，新建公路設(shè)計等級為一級公路，設(shè)計荷載：公路Ⅰ級，設(shè)計時速為80km，路線方案中有一段以分離式路基形式下穿大西高鐵某特大橋，新建路基從50#和51#橋墩之間穿越，既有橋墩為圓端形實體墩，上部結(jié)構(gòu)為跨徑24.7m及32.7m的簡支箱梁。橋下凈空約6.4m。綜合考慮填土荷載和凈空要求等因素，在該段落置路基采用低填的設(shè)計方案。

施工時跨越段內(nèi)清表后開挖原土至設(shè)計路床底部，低填淺挖路段路床范圍內(nèi)，采用4%水泥土換填處治，后用小型機(jī)具進(jìn)行基底壓實，路床需分層壓實，施工完成后做護(hù)欄基礎(chǔ)施工，之后外側(cè)回填并碾壓密實。

跨越段施工完成后，開始前后銜接段的施工。左幅施工完成后與右幅一同實施路面施工。為避免施工對鐵路設(shè)施產(chǎn)生較大影響，各區(qū)域開挖、回填均應(yīng)采用人工或小型機(jī)械施工。為了分析施工的影響，采用有限元分析計算。

（二）有限元計算模型

該項目采用有限元建立三維模型，為消除計算邊界效應(yīng)的影響，考慮到施工過程中的空間效應(yīng)，計算模型取其有效影響范圍：本次計算土體平面尺寸取180m×90m，豎向土體厚度取60m。該模型中考慮路基與大西高鐵交叉位置處該特大橋49#～53#橋墩共計5個橋墩及基礎(chǔ)，其中各墩基礎(chǔ)形式均為樁基礎(chǔ)。

模型頂面取為自由邊界，底面采用三向約束，其他面均采用法向約束。模型如圖1所示。有限元模型中，土體采用修正摩爾-庫倫模型來模擬土的本構(gòu)關(guān)系，橋梁樁基采用1D植入式梁單元模擬，其他結(jié)構(gòu)均采用3D實體單元模擬，橋梁的上部結(jié)構(gòu)均以荷載形式加載在墩頂位置，土體水平四周邊界采用水平約束，底邊界采用豎向約束。

由于巖土工程的有限元分析屬于散體力學(xué)計算范疇，其計算精度有限，同時影響樁與土之間相互作用的因素眾多，因此樁與土體的耦合變形關(guān)系十分復(fù)雜，目前的計算技術(shù)仍難以真實反映二者的耦合關(guān)系。該模型中的相關(guān)變形和受力計算數(shù)據(jù)僅反映施工過程對既有鐵路橋梁影響的最大可能值。為提高計算精度，計算模型中綜合考慮實際施工狀態(tài)，最大限度的準(zhǔn)確模擬工程實際狀況及施工工序。根據(jù)施工圖設(shè)計的施工步驟，并考慮高鐵的影響區(qū)，將高鐵橋下60m范圍內(nèi)道路采用分段開挖、分段回填的形式，分段形式如圖2所示，其中U2段、U3段的長度為10m，U1、U4段的長度為20m，施工順序為U2→U1→U0段路基，U3→U4→U5段路基。

圖1 ?模型整體示意圖

圖2 ?分段施工示意圖

圖3 ?50#橋墩附加豎向位移時程曲線（單位：mm）

圖4 ??50#橋墩附加順橋向變形時程曲線（單位：mm）

圖5 ?50#橋墩附加橫橋向變形時程曲線（單位：mm）

圖6 ?51#橋墩附加豎向位移時程曲線（單位：mm）

圖7 ?51#橋墩附加順橋向變形時程曲線（單位：mm）

（三）分析計算結(jié)果

新建公路路基下穿大西高鐵的施工過程中，會對地基土體產(chǎn)生擾動，造成土體應(yīng)力場重分布，土體變形，影響既有鐵路橋梁，使之產(chǎn)生附加沉降及水平變形。本文分析了對施工過程中對鐵路橋的附加影響。

經(jīng)計算：

1.大西高鐵某特大橋49#橋墩：施工期間，發(fā)生的附加豎向位移為-0.122mm～0.064mm；發(fā)生的墩頂附加順橋向位移為-0.130mm～0.295mm；發(fā)生的墩頂附加橫橋向位移為-0.162mm～0.085mm。

2.大西高鐵某特大橋50#橋墩：施工期間，發(fā)生的附加豎向位移為-0.863mm～0.430mm；50#橋墩與49#墩發(fā)生的附加差異沉降量為-0.741mm～0.396mm。考慮原設(shè)計工況，疊加初始差異沉降位移值后總差異沉降量為-0.961mm；發(fā)生的墩頂附加順橋向位移為-1.735mm～1.585mm；發(fā)生的墩頂附加橫橋向位移為-0.463mm～1.100mm。

3.大西高鐵某特大橋51#橋墩：施工期間，發(fā)生的附加豎向位移為-0.572mm～0.430mm，運營階段的豎向位移為-1.561mm；51#橋墩與50#橋墩發(fā)生的附加差異沉降量為-0.116mm～0.337mm；運營階段的沉降量為0.698m m。考慮原設(shè)計工況，疊加初始差異沉降位移值后總差異沉降量為0.538mm；發(fā)生的墩頂附加順橋向位移為-1.434mm～1.256mm，運營階段的順橋向位移為-1.877m m；發(fā)生的墩頂附加橫橋向位移為-0.523mm～0.521mm，運營階段的順橋向位移為0.568mm。

4.大西高鐵某特大橋52#橋墩：施工期間，發(fā)生的附加豎向位移為-0.277mm～0.312mm；52#橋墩與51#橋墩發(fā)生的附加差異沉降量為-1.284mm～0.426mm。考慮原設(shè)計工況，疊加初始差異沉降位移值后總差異沉降量為-0.963mm；發(fā)生的墩頂附加順橋向位移為-0.238mm～0.635mm；發(fā)生的墩頂附加橫橋向位移為-0.087mm～0.083mm。

5.大西高鐵某特大橋53#橋墩：施工期間，發(fā)生的附加豎向位移為-0.011mm～0.025mm；53#橋墩與52#橋墩發(fā)生的附加差異沉降量為-0.287mm～0.267mm。考慮原設(shè)計工況，疊加初始差異沉降位移值后總差異沉降量為1.717mm；發(fā)生的墩頂附加順橋向位移為-0.052mm～0.196mm；發(fā)生的墩頂附加橫橋向位移為-0.031mm～0.424mm。

（四）分析評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》(TB10182-2017)、《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》(鐵運〔2012〕83號)、《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB10621-2014）及《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》（TB10002-2017）等鐵路規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，擬定各評估指標(biāo)、安全限值及規(guī)范依據(jù)如表1所示。

表1 ??控制指標(biāo)及規(guī)范限值

（五）評價結(jié)論

施工期間及運營期間，大西高鐵某特大橋49#～53#橋墩中，最大附加豎向位移為-1.561mm，最大附加差異沉降量為-1.284mm，最大附加順橋向位移為-1.877mm，最大附加橫橋向位移為1.100mm。以上結(jié)果滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》(TB10182-2017)及《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》(鐵運〔2012〕83號)對變形的相關(guān)要求。

考慮原設(shè)計工況，將附加差異沉降值與初始差異沉降位移值疊加后可得：大西高鐵某特大橋49#～53#橋墩中，最大累積差異沉降量為1.717mm＜5mm，以上結(jié)果滿足《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB10621-2014）等對總位移變形的相關(guān)要求。

三、結(jié)語

由于高速鐵路的特殊性，高鐵橋墩對變形有著嚴(yán)格的控制要求。在新建公路下穿高速鐵路的設(shè)計過程中，在凈空滿足要求的情況下，盡量采用橋梁下穿方案，當(dāng)不得已采用路基方案時，要嚴(yán)格分析計算，綜合考慮各種荷載因素，選擇合理的施工方案。本文計算分析了施工過程中路基施工對高鐵橋墩的變形影響，對類似項目具有一定的借鑒意義。同時，為了進(jìn)一步保障高鐵的運營安全，應(yīng)加強(qiáng)對橋墩的防撞保護(hù)設(shè)計、公路的交安設(shè)計、路基的排水設(shè)計等。