某云巴橋梁涉鐵安全評估研究

楊水秀

摘 要：本文通過分析項目周邊環境、地質條件、橋梁施工方案，對空港新城云巴橋梁下穿、并行穗莞深城際鐵路橋最不利工點建模模擬計算并進行安全評估。結果表明云巴橋梁施工及運營對既有穗莞深城際鐵路影響不大，對穗莞深城際鐵路安全運營造成影響可控。

關鍵詞：云巴橋梁;鐵路橋梁;下穿;并行;有限元分析;安全評估

隨著經濟的發展，我國的鐵路建設步入快速發展的時代，鐵路運輸網絡得到進一步完善，地方工程涉鐵的情況也在不斷增加。評估風險源對鐵路的影響程度，提出合理可行的安全對策措施，是保障鐵路安全一個重要環節。本文旨在通過對一個云巴項目涉鐵安全評價的關鍵要點進行介紹，為同類型安全評價提供一些參考。

1 工程概況

空港新城云巴示范線L1線工程起自寶安區大空港新國際會展中心東側的規劃海城路，線路先后沿海城路、和秀西路、松福大道、橋和路敷設，終點站位于既有地鐵11號線高架橋頭站的西南側。線路全長約5.09 km，均采用高架敷設方式。

云巴橋從穗莞深城際鐵路和平站特大橋第15孔內通過，下穿鐵路處鐵路樁號為DK074+687.310，對應云巴線路里程樁號為右AK12+581.724，線路與鐵路夾角為69.4°，云巴橋主梁外邊緣距離鐵路15號橋墩邊緣最小距離為5.68 m;云巴行車限界距離鐵路第15孔30 m跨箱梁梁底最小距離為2.205 m;云巴橋穿過鐵路橋后在和平站特大橋東側與穗莞深城際鐵路并行，并行鐵路處鐵路樁號范圍為DK074+678～DK075+090，長度約400 m。云巴福海西站范圍并行段云巴橋結構邊緣與城際鐵路橋梁邊緣最小距離為5.75 m。

2 云巴橋設計

涉鐵部分云巴橋跨徑組合為：（16.7+28.5+25+28.93）+（5×26）+（29+9.96+9.63）+（25+25+16.96）+（2×8.7）+（16.82+2×21）m，共20跨，劃分為6聯，全長420.9 m。上部結構主梁采用分離式鋼箱梁（轉彎半徑<500 m段）及工字梁（直線段及轉彎半徑≥500 m段）兩種形式，預制吊裝施工，橋面標準寬4.7 m;下部結構橋墩采用等截面鋼管混凝土柱式墩，預制拼裝施工，墩頂蓋梁橫橋向標準寬5.4 m。橋址所在區域地層由上至下分布情況：素填土、淤泥、粉質黏土、砂質粘性土、全風化花崗巖、強風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖。樁基采用鉆孔灌注樁，按嵌巖樁設計，嵌入中風化花崗巖層，旋挖鉆機施工。

3 評估必要性及主要內容

3.1 安全評估必要性

城際鐵路對鐵路軌道的平順性、列車行駛的安全性要求較高，對橋梁沉降和基礎承載力有著嚴格的要求和限值。

3.2 安全評估主要內容

（1）對項目周邊環境、地質資料、專項設計方案進行分析，確定下穿、并行施工存在的風險源。

（2）確定下穿、并行城際鐵路過程中橋梁變形的控制標準。

（3）總結既有下穿城際鐵路的實踐經驗，歸納控制城際鐵路橋梁變形的合理措施。

4 變形風險控制值分析方法

變形控制標準的確定方法包括數值分析法、解析計算法、經驗法（工程類比法）、模型試驗法、現場試驗法和專家經驗法等。隨著計算機技術及數值模擬分析軟件的快速發展，數值分析法己被廣泛應用于風險評估中，因其不僅可使問題得快速求解，而且可使求解問題的方法規范化，同時也可大量的降低成本。這些優點使得數值分析法有了較為廣闊的市場。

數值分析法在橋梁上跨、下穿、并行既有結構的安全風險評估中已有了廣泛的應用，對變形控制標準分析常用的有直接分析法和強制位移法，兩種方法區別如下：

（1）直接分析法。直接分析法的思路是將鐵路橋、地層及既有結構物作為一個共同作用體系，根據橋梁結構剩余承載能力，通過數值模擬各工況來確定既有結構物的極限變形值，以此來確定結構物的變形控制標準值。

（2）強制位移法。強制位移法的思路是將橋梁運營或橋梁施工對既有結構可能產生的變形通過強制位移直接作用到鐵路橋結構物上，根據鐵路橋結構位移控制值、警戒值，確定既有結構物的極限變形控制值，不需考慮實際施工中地層的具體變形結果，計算模型簡化，使整個計算過程更加快速、便捷。

本次橋梁施工、運營兩大風險源引起的鐵路橋變形風險控制值分析采用強制位移法進行計算。

5 鐵路橋變形控制標準

在橋梁施工時，既有鐵路橋的位移控制嚴格按照《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》（TB 10182-2017）第3.0.3條控制。其位移允許值按無砟軌道類型取用，詳見下表：

6 云巴橋與鐵路橋樁基間距

云巴橋與鐵路橋距離最近的橋墩為云巴橋3號墩與鐵路橋15號墩，最小樁間距為10.34 m，換算為6.9倍的后施工樁徑。

云巴橋與鐵路橋兩橋橋墩樁基礎樁中心距均大于《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》中要求的4D～6D的距離，云巴橋基礎施工時如采取鋼護筒跟進等防范措施可有效減少對鐵路基礎的影響。另一方面，并行段鐵路橋及云巴橋基礎均采用嵌巖樁，后施工云巴橋樁基對鐵路橋樁基沉降影響較小，可認為鐵路橋因鄰近的新建橋引起的附加應力而產生的沉降可忽略不計，新建橋不會對既有城際鐵路橋梁基礎產生不利影響。

7 云巴橋下穿與并行段施工及運營對鐵路橋的影響分析

本次模擬計算中采用三維有限元分析軟件MIDAS GTS進行計算，該軟件采用顯式算法，在巖土工程領域中有著廣泛的應用，適合進行復雜巖土工程的數值分析和設計評估。

模型中的X方向為鐵路橋橫向方向，Y方向為縱橋向方向，Z方向為豎直方向。

7.1 下穿工點模型概況

本次下穿工點模型的計算范圍為：云巴橋2#～5#墩與鐵路橋15#、16#墩;地層取值參照地勘鉆孔從上至下分別是：素填土3.3 m;淤泥質土2.8 m;粉質黏土0.5 m;砂質粘性土13.0 m;全風化混合花崗巖9.5 m;強風化混合花崗巖（土狀）4.0 m;強風化混合花崗巖（塊狀）9.4 m;中風化混合花崗巖3.2 m;微風化混合花崗巖5.5 m。該次計算中所有單元均采用實體單元模擬計算，上部結構通過荷載的形式加載至各墩頂處。模型尺寸為長×寬×高=60 m×80 m×65 m。

7.2 并行工點模型概況

本次并行工點模型的計算范圍為：鐵路橋26#墩橫向軸線區域;地層取值參照地勘從上至下分別是：素填土3.4 m;淤泥質土2.7 m;粉質黏土0.5 m;砂質粘性土12.7 m;全風化混合花崗巖9.8 m;強風化混合花崗巖（土狀）4.1 m;強風化混合花崗巖（塊狀）9.3 m;中風化混合花崗巖3.5 m;微風化混合花崗巖5.2 m。該次計算中所有單元均采用實體單元模擬計算，上部結構通過荷載的形式加載至各墩頂處。模型尺寸為長×寬×高=50 m×60 m×80 m。

7.3 下穿及并行工點模擬計算

云巴橋2#～5#墩與和鐵路橋15#、16#墩為本次下穿工點計算的主要對象;鐵路橋26#墩橫向軸線區域為本次并行工點計算的范圍。其施工步驟大致按下表所示步驟簡化計算，其中樁基施工分三步開挖完畢。具體施工步驟如下所示：

7.4 下穿及并行工點數值分析結論

通過對云巴橋梁施工、運營階段進行數值模擬計算，結果表明鐵路橋墩頂橫向、縱向及豎向位移均未超過墩頂位移限值。故云巴橋下穿及并行鐵路橋工點的施工及運營對穗莞深城際造成的不良影響不大，對穗莞深城際鐵路的安全運營造成影響可控。

（1）下穿工點主要計算結果如下：

（2）并行工點主要計算結果如下：

7.5 保障鐵路橋梁安全的合理措施

（1）應實施動態、信息化施工，做好預警和應急預案，施工前應制定詳細、周密的專項施工組織計劃書，并嚴格執行。施工期間，切實做好鐵路橋變形監測工作，發現異常及時處理，確保變形在控制范圍之內。若發現沉降及其他不利反應達到預警值，一旦監測異常，應立即停止施工，啟動事故處理預案。

（2）施工期間應加強對施工機械的監控管理，防止施工機械故障導致侵限。

（3）基坑施工過程中嚴禁抽取地下水。

（4）樁基施工時加強鋼護筒防護措施，防止塌孔。

（5）施工前應注意調查城際鐵路沿線鐵路管線等鐵路設施，避免施工破壞。

8 結語

在施工過程中，我們主要考慮的是鐵路軌道在橋梁施工過程中的位移變形，但軌道的變形在設計階段往往難以預估，所以這次評估取鐵路橋墩頂的位移變形來判斷橋梁施工對既有鐵路橋軌道的影響性大小。根據云巴橋梁施工及運營計算結果可知，穗莞深城際和平站特大橋墩頂最大位移均未超過2.0 mm，且樁間距均大于規范要求的4.0至6.0倍后施工樁徑。結合已有相似工程情況與計算結果得出結論如下：云巴橋梁施工及運營對既有穗莞深城際影響不大，對穗莞深城際安全運營造成影響可控。