市政道路工程下穿高速鐵路橋梁影響分析研究

霍建凱

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 北京 102600）

0 引言

隨著高速鐵路以及城市建設(shè)的飛速發(fā)展，無論是新建市政道路工程或者是高鐵車站配套市政道路工程都無可避免的需要下穿高速鐵路橋梁，那么研究新建市政道路工程對(duì)高速鐵路橋梁的影響是十分必要的，既要滿足道路建設(shè)的便捷需求，還要保證高速鐵路的安全。本文通過數(shù)值模擬的方法研究杭紹臺(tái)鐵路臺(tái)州中心站配套市政工程中的規(guī)劃?rùn)M一路的施工建設(shè)對(duì)杭紹臺(tái)鐵路的影響，并提出相應(yīng)的建議，為今后類似工程項(xiàng)目建設(shè)提供參考。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

臺(tái)州中心站配套市政工程中的規(guī)劃?rùn)M一路為城市支路，設(shè)計(jì)荷載為城-B級(jí)，設(shè)計(jì)時(shí)速30km/h。規(guī)劃?rùn)M一路下穿位置處為臺(tái)州中心站特大橋，規(guī)劃?rùn)M一路從杭紹臺(tái)鐵路臺(tái)州中心站特大橋第21#～22#橋墩間穿越。交叉里程為橫一路BK0+640.5即杭紹臺(tái)鐵路DK216+148.60，交叉角度約90.6°。杭紹臺(tái)鐵路為10線橋，21#～22#橋墩間橋梁上部結(jié)構(gòu)為32m簡(jiǎn)支箱梁，橋墩為圓端形三柱框架式橋墩，基礎(chǔ)為Φ1.0m鉆孔灌注摩擦樁基礎(chǔ)，21#墩設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為62m，22#墩設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為77m，基礎(chǔ)橫向總寬度為104.65m。

樁板結(jié)構(gòu)里程BK0+576.06～BK0+687.06，位于直線及半徑R＝400m的圓曲線上。道路設(shè)計(jì)線位與在建杭紹臺(tái)鐵路臺(tái)州中心站特大橋左線交叉角度為85.15°（鐵路右角），下穿處道路設(shè)計(jì)線道路里程為：BK0+640.52，對(duì)應(yīng)鐵路里程為：DK216+148.60。新建橋梁結(jié)構(gòu)防撞護(hù)欄外側(cè)距離杭紹臺(tái)鐵路正線21#橋墩最小距離為4.56m，距離到發(fā)線10線21#橋墩最小距離為2.53m，防撞護(hù)欄外側(cè)距離杭紹臺(tái)鐵路正線 22#橋墩最小距離為 8.03m，距離到發(fā)線10線22#橋墩最小距離為6.02m。新建樁板結(jié)構(gòu)樁基中心距離杭紹臺(tái)鐵路21#橋墩樁基中心最小距離 6.13m，距離杭紹臺(tái)鐵路 22#橋墩樁基中心最小距離6.69m。橋面距杭紹臺(tái)鐵路梁底為9.66m＞5.5m，滿足道路設(shè)計(jì)凈空要求。

新建樁板結(jié)構(gòu)設(shè)置為三聯(lián)，跨徑具體布置為(4×10)＋(4×10)＋(3×10)m，總長(zhǎng) 110m。上部結(jié)構(gòu)采用 C40鋼筋混凝土，梁高 0.8m；樁基采用 4-φ1m鉆孔灌注樁，樁間距4.0m，采用C30水下鋼筋混凝土。

1.2 工程水文地質(zhì)條件

（1）地形、地貌

工程地貌為浙東海相沉積平原，附近為臺(tái)州中心站大橋，地勢(shì)較為平緩，地面高程一般在3.10～3.30m之間。

（2）工程地質(zhì)分層

（3）地下水

橋址范圍地下水主要為第四系孔隙潛水，第四系孔隙承壓水；孔隙潛水主要賦存于第四系全新統(tǒng)黏性土層中，第四系孔隙承壓水主要賦存于含礫粉質(zhì)黏土層。地下水主要受大氣降水和地表流水補(bǔ)給，水位年變化幅度不大。水位年變化幅度0～1.5m，勘察期間測(cè)得已完成鉆孔穩(wěn)定水位埋深2.0m左右。

2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本次需評(píng)價(jià)橫一路下穿杭紹臺(tái)鐵路臺(tái)州中心站特大橋施工過程中對(duì)其安全性的影響，本次項(xiàng)目控制內(nèi)容包括：橋墩的豎向沉降、墩臺(tái)的水平變形、結(jié)構(gòu)安全性等。本項(xiàng)目假定杭紹臺(tái)鐵路臺(tái)州中心站特大橋墩臺(tái)處于良好狀態(tài)，并且假定初始變形量為0。

3 規(guī)劃?rùn)M一路下穿鐵路橋安全評(píng)估

3.1 計(jì)算方法

在巖土力學(xué)有關(guān)領(lǐng)域的數(shù)值分析應(yīng)用中，主要使用的方法為有限單元法（FEM）、邊界單元法（BEM）、離散單元法（DEM）、朗格朗日單元法以及塊體理論等，或者是上述幾種方法的耦合。其中，有限元法是根據(jù)變分原理求解數(shù)學(xué)物理問題的數(shù)值方法，是工程方法和數(shù)學(xué)方法相結(jié)合的產(chǎn)物，可以求解用解析方法無法求解的問題，特別是對(duì)邊界條件和結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來講，更是一種有效的數(shù)值方法，因此，該法在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

本評(píng)估即采用有限元分析法，利用巖土有限元軟件MIDAS，建立包括巖土、橋樁、承臺(tái)、橋墩、鋼板樁等結(jié)構(gòu)的模型。根據(jù)實(shí)際施工方案，進(jìn)行分步模擬分析新建橋梁施工對(duì)高鐵橋變形的影響。

3.2 模型建立及施工模擬

（1）模型建立

按照專項(xiàng)設(shè)計(jì)及地勘報(bào)告等資料，利用MIDAS軟件建立三維有限元數(shù)值分析模型。在三維建模中，計(jì)算區(qū)域主要根據(jù)新建橋梁與既有橋梁的位置關(guān)系，并滿足一定邊界效應(yīng)的要求來確定。在本模型中，為滿足橋梁施工的邊界效應(yīng)，三維數(shù)值模型整體尺寸為80m（x）×140m（y）×90m（z）。

本模型采用位移邊界條件：側(cè)面限制水平位移，底部限制垂直位移，模型上表面取為自由邊界。土體強(qiáng)度準(zhǔn)則為Mohr-coulomb準(zhǔn)則，采用實(shí)體單元模擬，土層計(jì)算參數(shù)結(jié)合本工程地質(zhì)勘察報(bào)告和相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值。

（2）施工過程模擬

整個(gè)施工過程模擬按照實(shí)際施工順序進(jìn)行分步施工，總共 13個(gè)施工工況。

工況 1：初始地應(yīng)力平衡，場(chǎng)區(qū)位移清零；

工況 2：高鐵橋梁基坑外側(cè)施工鋼板樁；

工況 3：開挖高鐵橋梁基坑；

工況 4：高鐵橋梁樁基施工；

工況 5：高鐵橋梁承臺(tái)施工；

工況 6：高鐵橋梁橋墩施工；

工況 7：高鐵橋梁承臺(tái)頂覆土回填；

工況 8：施加高鐵橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載；

工況 9：場(chǎng)區(qū)位移清零；

工況 10：新建市政橋梁樁基施工；

工況 11：新建市政橋梁承臺(tái)施工；

工況 12：施加新建市政橋梁施工荷載；

工況 13：施加新建市政橋梁運(yùn)營(yíng)荷載。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

（1）高鐵橋墩的變形

通過數(shù)值模擬，得到新建橋梁施工運(yùn)營(yíng)對(duì)杭紹臺(tái)鐵路 21#～22#橋墩及承臺(tái)的影響（工況10～工況13），主要包括橫橋向位移（模型y方向）、順橋向位移（模型x方向）以及豎向的沉降（模型z方向），取墩臺(tái)豎向沉降最大的工況13的位移圖為模型位移情況.

新建橋梁施工運(yùn)營(yíng)過程中引起的高鐵墩頂最大順橋向位移發(fā)生在工況13（施加新建橋梁運(yùn)營(yíng)荷載），位于22#墩，最大位移-1.128mm；高鐵墩頂最大橫橋向位移發(fā)生在工況 13（施加新建橋梁運(yùn)營(yíng)荷載），位于 22#墩，最大位移-0.304mm；高鐵墩頂最大豎向位移發(fā)生在工況13（施加新建橋梁運(yùn)營(yíng)荷載），位于21#墩，最大位移-1.203mm。

新建橫一路樁板結(jié)構(gòu)施工過程中引起的既有高鐵墩頂最大豎向沉降為1.203mm，滿足 20mm的控制限值要求；既有高鐵橋墩的最大沉降差為1.203mm（假設(shè)遠(yuǎn)端20#橋墩豎向沉降為0），滿足5mm的控制限值要求；高鐵橋墩的最大縱橋向位移為1.128mm，滿足28.2mm的控制限值要求；高鐵橋墩的最大橫橋向位移差為0.596mm（21#～22#橋墩變形差），滿足16mm的控制限值要求。

（2）橋樁承載力

施加新建橋梁運(yùn)營(yíng)荷載后，臺(tái)州中心站特大橋 21#～22#橋墩樁基單樁承載力變化情況如表 4.3-2所示（以每個(gè)承臺(tái)下承載力富余量最小的橋樁為例）。

表 4.3-2 單樁承載力對(duì)照

22#7/5線 5636 5796 6204 22#正線 5381 5547 6693 22#8/6線 5636 5792 6204 22#10線 5010 5215 8152

由表 4.3-2可知，在施加新建橋梁運(yùn)營(yíng)荷載后，21#、22#墩高鐵橋梁樁基單樁承載力小于單樁容許承載力；但21#墩9線下方樁基、22#墩9線下方樁基承載力富余量較少（248kN、270kN）。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論分析

通過數(shù)值計(jì)算軟件模擬分析了規(guī)劃?rùn)M一路施工的建設(shè)對(duì)高速鐵路橋梁的影響，綜合來看，可認(rèn)為規(guī)劃?rùn)M二路施工對(duì)既有高鐵影響較小，能夠保證施工期杭紹臺(tái)鐵路臺(tái)州中心站特大橋的結(jié)構(gòu)安全，樁板結(jié)構(gòu)下穿杭紹臺(tái)鐵路設(shè)計(jì)方案基本可行，數(shù)值分析主要結(jié)論如下：

（1）新建橫一路施工運(yùn)營(yíng)過程中引起的既有高鐵墩頂最大豎向沉降為1.203mm，滿足20mm的控制限值要求；高鐵橋墩的最大沉降差為1.203mm，滿足 5mm的控制限值要求；高鐵橋墩的最大縱橋向位移為 1.128mm，滿足28.2mm的控制限值要求；高鐵橋墩的最大橫橋向位移差為 0.596mm，滿足16mm的控制限值要求。

（2）新建橫一路施工后，21#、22#墩高鐵橋梁樁基單樁承載力小于單樁容許承載力；但21#墩9線下方樁基、22#墩9線下方樁基承載力富余量較少（189kN、4kN），建議采取必要措施減小新建工程施工對(duì)杭紹臺(tái)鐵路橋橋樁的影響或提高杭紹臺(tái)鐵路21#、22#墩9線承臺(tái)下方樁基單樁容許承載力，以增加杭紹臺(tái)鐵路臺(tái)州中心站特大橋21#、22#高鐵橋墩的安全性。

4.2 建議

為減小新建市政道路工程的建設(shè)對(duì)高速鐵路的影響，現(xiàn)提出以下建議，類似工程項(xiàng)目可進(jìn)行對(duì)比參考。

（1）為保證鐵路橋梁結(jié)構(gòu)安全，市政道路臨近高鐵橋墩兩側(cè)做好防護(hù)設(shè)計(jì)，避免后期運(yùn)營(yíng)時(shí)汽車沖出造成對(duì)高鐵橋墩的撞擊。

（2）為防止緊急情況的發(fā)生，市政道路下穿高鐵施工過程中須做好突發(fā)情況下的應(yīng)急措施預(yù)案，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)啟動(dòng)相關(guān)應(yīng)急預(yù)案。

（3）高鐵橋下施工階段，需嚴(yán)格控制施工，避免施工機(jī)械對(duì)高鐵橋梁的碰觸及損傷。

（4）做好施工前后及道路運(yùn)營(yíng)前期的監(jiān)測(cè)工作，動(dòng)態(tài)掌握既有高鐵橋梁狀態(tài)，結(jié)合控制標(biāo)準(zhǔn)，必要時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，確保既有高鐵橋梁的安全。

（5）鉆孔樁應(yīng)采用對(duì)稱、間隔施工。離高速鐵路橋梁樁基較近的新建樁，應(yīng)適當(dāng)增加鋼護(hù)筒長(zhǎng)度，鉆進(jìn)過程中應(yīng)避免斜孔、塌孔和護(hù)筒周圍冒漿、失穩(wěn)等現(xiàn)象。

（6）施工單位應(yīng)按規(guī)定與鐵路部門簽訂安全協(xié)議，并根據(jù)批準(zhǔn)的施工方案、安全措施、施工計(jì)劃進(jìn)行作業(yè)；施工中派專職安全員 24小時(shí)巡查防護(hù)，隨時(shí)做好應(yīng)急預(yù)案及措施，以確保既有鐵路運(yùn)營(yíng)安全。