新建高速鐵路下穿既有公路橋梁防護方案研究

楊 申,尹春燕,鄭 輝,宋元印

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司橋梁工程設計研究院,北京 100055)

引言

近年來，隨著我國基礎設施建設持續推進，公路與鐵路建設市場規模也不斷擴大。截止2020年底全國范圍內，公路運營總里程510.0萬km，鐵路運營里程14.6萬km，其中高速鐵路占3.8萬km。在此背景下，公路與鐵路交叉跨越的情況越來越多。尤其在西南地區，多深溝峽谷，地形條件復雜，公路與鐵路多采用橋梁結構通過，其二者的立交跨越關系以及與之配套的安全防護措施的研究，越來越受到人們的重視。

1 公路與高速鐵路交叉原則與形式

目前，國內現行的關于公路與高鐵的交叉設計規定參見TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》[1]中第5.4.1條規定。

(1)高速鐵路與其他鐵路、公(道)路交叉應按全立交設計。

(2)高速鐵路與其他鐵路、公(道)路交叉宜采用高速鐵路上跨的方式，困難條件下經過經濟技術比選采用高速鐵路下穿時，應采取安全可靠的防護措施。

根據以上要求，本項目在前期的可行性研究階段即對相關工點的立交形式進行了深入比選研究：受既有公路的建設現狀與結構形式的制約，結合本工點所處的地形地貌、抗震要求、氣象水文、排水路由、重大管線現狀等信息，經與公路建設單位、設計單位、施工單位等多方論證研究，本工點選取新建高速鐵路下穿既有公路的方案。

2 項目概況

2.1 工程背景

某新建高速鐵路工程正線為雙線，設計速度350 km/h，跨越處即將進站，正線與聯絡右線并行，結構形式為高架橋梁，在1號墩至3號墩范圍內下穿公路橋。上部結構采用3×32 m道岔連續梁，下部結構為圓端形實體墩，樁基礎。與之配套的聯絡左線工程在48號墩至50號墩范圍內下穿公路橋，上部結構采用單線32 m簡支梁，下部結構為圓端形實體墩。

既有公路工程全長12.32 km，新建高鐵下穿處公路為橋梁結構，分左右幅設計，左、右幅寬19 m，兩幅間凈距2 m，共計12聯、35跨。高鐵于公路橋第10聯的26號墩至29號墩之間下穿，下穿處公路橋上部結構為一聯4-40 m混凝土連續箱梁。下穿處公路橋下部結構為矩形空心墩，最大墩高76.9 m，樁基礎。

西北側距高鐵聯絡左線36 m處為規劃高速鐵路，其技術標準與本線工程相同，下穿既有公路處亦為橋梁結構。按建設單位安排，本線工程需為其預留工程條件，且一并考慮該規劃高鐵下穿公路的相關防護措施，故本文研究的防護范圍均涵蓋該規劃高鐵。

本立交工點空間位置關系如圖1、圖2所示，下穿的所有高鐵軌面距離公路橋梁底均達 45 m以上，凈空不受限。

圖1 高鐵下穿公路處平面布置

圖2 高鐵下穿公路處立面布置(單位：cm)

目前，下穿處既有公路橋的右幅橋小箱梁已預制、架設完畢，并完成濕接縫及橫梁的施工；左幅橋小箱梁預制完成，尚未架設。現已通知公路施工單位暫停涉鐵橋孔處的施工。

2.2 技術標準

既有公路為二級公路，正線設計時速60 km，雙向8車道，設計路基寬度40～50 m。新建和規劃鐵路為高速鐵路，設計時速350 km，正線為雙線，線間距5.0 m，采用CRTS雙塊式無砟軌道，鋪設跨區間無縫線路。本工點高鐵、公路工程采用技術標準如下。

2.2.1 結構重要性系數

既有公路橋梁結構按承載能力極限狀態設計，為防范一次災害，杜絕可能的二次災害，以JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》[2]規定的結構破壞產生的后果嚴重程度為依據，并結合TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》[1]中第7.6.1條規定，該跨線公路橋梁結構和相鄰邊跨的安全等級均采用一級，結構重要性系數取1.1。

2.2.2 荷載標準

既有公路橋設計時，汽車荷載采用公路-I級。下穿的高鐵橋均采用ZK活載。

2.2.3 高鐵建筑限界

根據JTG B01—2014《公路工程技術標準》[3]第9.3.4條規定，高鐵穿越公路下方時，公路跨線橋下凈空應符合高鐵凈空標準的規定，即TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》[1]中的第3.3.6條文規定：直線段正線不應小于7.25 m，折返線和動車段(所、場)內不應小于6.2 m，同時結合新建高鐵具體要求，建筑限界按高7.95 m預留。

2.2.4 抗震設防標準

本項目處在Ⅵ度震區，地震動反應譜周期0.35 s，動峰值加速度0. 05g。根據《高速鐵路設計規范》中第7.6.1條規定，在滿足GB50111—2006《鐵路工程抗震設計規范》[4]的相關要求外，其抗震設防類別應不低于JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設計規范》[5]公路橋梁抗震設計標準中規定的B類。

3 防護方案研究

對照《高速鐵路設計規范》第7.6.2條的要求，本工點的既有公路橋梁已不滿足其安全防護要求：橋梁安全防護范圍內應設置2道護欄，且不低于JTG D81—2017《公路交通安全設施設計規范》[6]規定的最高防撞等級進行特殊設計。于是，既有公路橋或高鐵橋需要加強其立交范圍內的安全防護，如設置異物侵限監控裝置、防落物網、綜合接地系統以及其他附屬設施，必要時增設安全限重限速等警示標志。以下就4種可行的防護方案展開討論研究。

3.1 橋面布置

下穿處公路橋上部結構為一聯4×40 m預應力混凝土先簡支后連續組合式箱梁，每幅梁設置8片高2.0 m小箱梁，每片小箱梁中心距3.14 m。其橫斷面布置如圖3所示。

圖3 公路橋箱梁標準橫斷面布置(單位：cm)

3.2 方案1：新建剛架橋

目前，立交處的公路橋梁已完成下部施工和上部箱梁的預制工作。本方案從新建高鐵盡量不影響既有公路橋梁的角度出發，充分利用已預制的箱梁，提出在既有公路橋梁雙側新建剛架橋方案。一方面，利用其主梁作為公路橋最外側的防撞護欄，另一方面，將剛架橋主梁頂部作為增設異物侵限監控裝置、防落物網的平臺。同時，將原公路橋內側防護范圍內的SB級防撞護欄鑿除，然后鋪設鋼筋網片、打孔、植筋，澆筑新的HA級防撞護欄。植筋前宜對梁體表面鋼筋進行探測，以防廢孔。

3.2.1 平立面布置

根據《高速鐵路設計規范》相關要求，防護范圍為“跨線公路橋梁結構和相鄰邊跨”，并結合既有公路橋梁結構，兩側新建剛架橋跨度定為4×40 m，總長163 m。剛架橋主梁采用全預應力混凝土結構，矩形空心截面，典型截面尺寸為2.5 m×3.0 m，頂底板厚0.4 m，腹板厚0.5 m。墩柱采用混凝土結構，矩形空心截面，墩頂縱橫向尺寸均為3.0 m，墩身橫向按1：40放坡，縱向為直坡。下部承臺采用矩形承臺，結構尺寸為6.5 m×8.5 m×2.5 m；樁基采用鉆孔灌注樁，樁徑1.5 m。空間位置及結構尺寸信息，詳見圖4、圖5。其他安全設施與附屬設施設計，詳見本節后續段落。

圖4 新建剛架橋方案平面布置(單位：cm)

圖5 新建剛架橋方案典型橫斷面布置(單位：cm)

3.2.2 橋上安全設施設計

(1)安全警示標志

由于本方案需利用已架設完成的原公路梁，其設計時未考慮《高速鐵路設計規范》中的關于跨線公路橋規定的標準荷載的1.3倍提高系數。所以，需嚴格禁止公路橋上重型和超載車輛的通行，對其他車輛的通行速度也需限制。因此，需在本段公路橋左右幅橋梁入口處設置限重標示牌和禁止超車標志，在距離鐵路最外側50 m處設置減速帶等安全警示標志。車輛限重25 t，限速60 km/h。除此以外，公路橋涉鐵部分橋面車道線規劃為實線，即禁止變道。同時，在橋上設置電子監控系統，嚴禁各類違章行為，如超載、超速、違規變道等。

剛架橋主梁表面設置反光材料，利用其醒目的色彩在白天起到警示作用，在夜間或光線不足的情況下，反光效果可有效增強人眼的識別能力，引起警覺，從而進一步降低事故率。

(2)異物侵限監控裝置

剛架橋上設置的異物侵限監控裝置是保證下穿高鐵行駛安全防護系統中重要的組成部分，當公路橋上有異物侵入高鐵限界內，監測系統實時報警，并通過信息系統控制附近列車緊急制動停車，由此有效降低異物侵限災害對高鐵運營安全的影響[7-9]。

目前，關于計算異物侵限監控裝置的設置范圍，已有比較成熟的研究[10-11]，跨鐵線路斜交示意見圖6，其長度計算公式和變量如下：

圖6 公跨鐵線路斜交示意

(1)

(2)

式中 10.9——經有關計算，大型汽車沖出公路橋后的平均初始速度， m/s；

20°——據統計資料分析，大型汽車沖出公路橋后的初始角度[12]；

α——公路與鐵路斜交角；

Dp——落物起點(也是異物監控裝置始端)投影與鄰近高鐵建筑限界交點之間的距離， m；

LT——落物起點(也是異物監控裝置始端)投影與鄰近鋼軌交點之間的距離，m。

將本工點各項數據代入計算得，LT=38 m，同時結合剛架橋孔跨布置，本工點采用在剛架橋主梁上通長設置異物侵限監控網的方案，高度采用《關于印發<高速鐵路防災安全監控系統—公跨鐵立交橋異物侵限監測方案>的通知》[10]中的推薦長度2.0 m，每單元寬度為(1 000±10) mm，雙電網傳感器內置于監測網，網格尺寸為115 mm×115 mm至125 mm×125 mm，質量不大于15 kg。監測網需滿足在50 kg/m2靜載荷作用下不開裂，且抗風能力不小于50 m/s。其結構與位置示意見圖7。

圖7 異物侵限監測網與防護屏安裝方案示意(單位：m)

(3)防落物網的設置

為保證高速鐵路運營安全，公跨鐵橋梁兩側必須設置防拋系統進行垂直隔離封閉，其位置設置在異物侵限監控網內側。形式可根據垂直防護總高度進行選擇：總高度在路面以上2.5 m范圍內，可選擇全封閉金屬防護板；總高度在路面以上2.5～4 m，可選擇防護屏或者防拋網結構[13]。本工點選擇防護屏結構，材質可選擇聚碳酸酯板，與異物侵限監測網中間預留不小于0.75 m間隙作為檢修通道。

3.2.3 附屬設施設置

(1)中央分隔帶處理措施

公路防護范圍內的中央分隔帶間隙需采取封閉處理，以防止可能的墜物事故，保證下方的高鐵安全。可采用鋼蓋板搭接防護，鋼板通過預埋在防撞護欄中的螺栓與橋梁結構相接。當中央間隙過大時，考慮在其下方焊接板肋予以加強。

(2)綜合接地

根據鐵路綜合接地系統的要求，鐵路沿線距接觸網5 m范圍內的各種金屬構件及跨越鐵路的公路橋外露的欄桿、防落網等設施應接入綜合接地系統。

(3)橋面排水

對高鐵上方既有公路橋泄水管應進行封堵，公路橋通過橋面縱坡排水將水引至鐵路范圍以外，在公路橋跨鐵路范圍外一定距離內加密布置泄水管。

(4)照明

公路橋防護范圍內盡量不設置照明燈具，若確需設置，燈具高度不得大于其至公路橋橋面邊緣的橫向距離，以防止可能的燈柱傾覆落入高鐵限界內。

3.3 方案2：既有公路橋改造

為利用既有的預制完成的小箱梁，通過改變其橋面布置、提高防護范圍內的防撞護欄等級以及加裝方案1中討論的異物侵限監控裝置、防落物網等設施，達到整體防護目的。

3.3.1 具體措施

(1)同方案1，將公路橋上防護范圍內需加強的人行道內側防撞護欄由原SB級調整為HA級。人行道寬度由原來的3.0 m縮減至1.5 m。

(2)通過檢算既有公路橋最外側小箱梁的翼緣板是否能滿足采用SS級混凝土防撞護欄的受力要求，判斷增設的公路橋人行道外側第二道護欄的形式。

①滿足受力要求，則可通過向梁體植筋的方式，將新設置的SS級混凝土防撞護欄與既有橋梁結構相連接。

②不滿足受力要求，則可以考慮采用墻式鋼制防撞護欄。通過與上類似的植筋措施將鋼制護欄混凝土底座安裝在箱梁翼緣板設計位置，并預埋U形螺栓，通過法蘭盤、螺母連接鋼制護欄主體結構。可預制的鋼制防撞護欄對梁體自重影響較小，且滿足SS級護欄的防撞要求，同時經過涂裝和造型設計的護欄具有良好的美觀性。

(3)設置異物侵限監控裝置和防落物網，其設置范圍的原則與“方案1”相同。設置形式略有區別：異物侵限監控網通過L形支架與SS級混凝土護欄底部或鋼制護欄混凝土底座相連，L形支架水平部分架設水平承重網，防護屏則是通過螺栓連接在護欄頂部。

本工點經過檢算，符合SS級混凝土防撞護欄設置條件，其防護改造方案主要橋面布置如圖8所示。

圖8 既有公路橋改造方案橋面布置(局部)(單位：cm)

3.3.2 其他

其余未單獨說明的內容均與方案1相同，如限速、限重安全警示標志、附屬設施設置等。

3.4 方案3：換梁方案

本方案考慮拆除既有公路箱梁，重新按《高速鐵路設計規范》中關于跨線公路橋規定的標準荷載的1.3倍提高系數設計新的加寬箱梁。類比方案2的通過外接L形剛架提供異物監測網與檢修通道的空間，本方案通過將每片箱梁的濕接縫由原設計的74 cm調整為87.1 cm，由此將左右幅橋梁各加寬65.5 cm。其典型橋梁布置如圖9所示。

圖9 換梁方案橋面布置(局部)(單位：cm)

除不必設置限速、限重安全警示標志以外，其余未單獨說明的內容均與方案1相同。

3.5 方案4：高鐵上方搭設倒U形防護棚

不同于前文討論的防護方案的角度，本方案通過考慮在下穿的高鐵保護范圍內設置封閉的防護棚，以避免上方公路的墜落車輛或其他落物，威脅高鐵運營安全。該防護結構類似于鐵路隧道進出口處的明洞結構，將保護范圍內的高鐵“罩”起，并通過樁基礎與地基相聯。

值得關注的是，此方案還需進一步考慮以下情況：上方公路車輛發生事故，沖出橋面后，跌至鐵路防護棚頂面上，并繼續滑行，然后落入高鐵限界范圍。所以，需要在防護棚頂部兩端頭處設置防撞墻，杜絕以上情況發生。

借鑒方案1中的異物侵限監控裝置設置范圍討論，假設事故車輛在公路橋面上的某點沖出橋側防撞護欄，沖出的瞬間，其與公路夾角為20°，速度為10.9 m/s，隨后作自由落體運動，恰好落至鐵路最外側限界，此落點即為高鐵的防護起點。以最外側正線為例，由之前討論可知，落物起點投影與臨近的高鐵建筑限界交點之間的距離DP為38 m，高鐵與公路夾角為103.4°，由幾何關系可求得該點與高鐵(投影)、公路的交點的距離為15.6 m，該值即為一側鐵路的防護長度，另一側同理可求得其值為16.1 m。

4 方案優缺點對比分析及適用性結論

4.1 方案優缺點對比分析

表1中簡要歸納了4種方案的優缺點對比，并作相關延伸討論。

表1 各方案優缺點對比

(1)方案1“新建剛架橋”

優點：對既有公路橋梁影響較小，尤其適用于既有公路橋梁受自身結構所限或其他外部條件干預的情況下，沒有改換既有公路梁條件的工程狀況。同時，其防護措施自成體系，后期維護與管理較易。

缺點：需對公路來往車輛采取限重、限速措施，影響其通行效率。不能照顧到既有公路后期可能的規劃拓寬要求，且自身結構高度需要與公路墩高相匹配，當類似本工點的公路橋高墩的工程條件下，一方面自身結構需要加強分析驗算，保證防護質量，另一方面，工程造價也隨之增高，施工難度大。

(2)方案2“既有公路橋改造”

優點：不必新增工程，施工工藝較簡單，投資較低，且可以適應公路的后期拓寬要求。

缺點：對既有公路橋梁影響較大，需充分征求公路建設單位的意見后方可實施。同樣需對公路來往車輛采取限重、限速措施。從自身結構角度分析，新增的L形支架需要預埋在公路梁最外側的防撞護欄上，存在高空作業的施工風險。而且，基于該L形支架設置的異物監測網與防護網(屏)會影響防撞護欄的整體質量，同時也對既有公路梁翼緣受力帶來額外的不利影響。

(3)方案3“換梁”

優點：公路橋梁上按相關安全要求設置的每幅外側2道防撞護欄可與公路梁整體預制，施工質量能充分保證。同時，不必對公路來往車輛采取限重、限速措施，不影響其通行能力。

缺點：造成既有公路梁廢棄，并重新預制加寬梁，工程代價高，進而帶來征求公路建設單位許可的難度較大。

(4)方案4“高鐵上方搭設倒U形防護棚”

優點：對既有公路橋梁沒有影響，無任何新增的公路工程，也不必對公路來往車輛采取限重、限速措施，滿足其設計通行能力預期，在征求公路建設單位意見時阻礙較小。同時，對下穿高鐵防護范圍內采取了全封閉結構，最大程度上保證了其運營安全。

缺點：對于類似本工點的情況，在防護多線、高墩高鐵橋梁的情況下，工程代價大，工程難度較高。且在鐵路兩側設置的防護棚的地下樁基礎，不可避免地會對原狀地質帶來擾動，需綜合考慮、評估這一影響，以防鐵路結構出現問題。另外，鋼筋混凝土框架封閉結構景觀性較差。

4.2 適用性結論

當公路建設單位條件和預算寬松的情況下，優先考慮“換梁”方案，其次選擇“既有公路橋改造”方案；當公路建設單位關于對既有公路橋梁的影響容許度較低時，則可選擇“新建剛架橋”方案，當下穿高鐵墩高較低或路基段時，也可以考慮“高鐵上方搭設倒U形防護棚” 方案。

5 推薦方案及其結構分析驗證

對于本工點，方案4“高鐵上方搭設倒U形防護棚”，一方面需防護的高鐵橋梁墩高較高，軌面距地面平均達17 m，另一方面除聯絡右線與正線可共用一處防護棚外，其余鐵路均需要逐一設置防護棚。綜合考慮，此時方案4顯然經濟性較差。

對于方案2“既有公路橋改造”和方案3“換梁”，經征求公路建設單位意見，其表示不同意上 述兩方案。對于方案2，反對原因為對新建公路橋梁結構造成較大影響，且后期附屬設施等養護維修責任不明確。對于方案3，反對原因為造成既有公路梁廢棄后，按提高的荷載標準重新設計加寬梁，總體費用過高。

綜上，對于本工點，推薦采用方案1“新建剛架橋”。此方案，通過在公路橋梁兩側新建剛架橋的措施，在對既有公路橋較小程度影響的情況下，以較之其余方案的低工程代價解決了下穿高鐵的防護問題，達到了保證其運營安全的目的。

6 結語

本文依托于某新建高速鐵路下穿既有公路橋梁的典型立交工點，研究了可能采取的4種防護方案：方案1與方案2，從既有公路橋設置防護措施的角度，分別討論了在其兩側新建剛架橋和改建既有公路橋的工程措施；方案3，從根源出發，用新建的符合公跨鐵立交工點各項要求的梁替換原公路梁，以此達到防護目的；方案4，從在新建高速鐵路下穿影響范圍內設置防護措施的角度，介紹了防護概況與相應需考慮的問題。通過綜合討論4種方案的優缺點，得到一般的適用性結論。最后針對本項目的實際工程條件，給出了推薦方案及論證。