現澆箱梁下穿既有高速鐵路的影響研究

趙慧清ZHAO Hui-qing

（昆明市政工程設計研究院（集團）有限公司，昆明 650500）

0 引言

為滿足經濟發展和人們長距離出行的需求，近十年來，國家高速鐵路得到了空前的發展，省市之間的聯系更加密切。同時，在城鎮化建設的過程中，新建公路與既有高速鐵路交叉的情況也日益增多，通常采取上跨高鐵和下穿高鐵兩種方案進行比選，建設單位和設計單位從安全性、經濟性等角度綜合對比后，往往會采取下穿高鐵的方案，新建公路下穿高鐵工程在國內體量巨大。

目前公路工程中常用的下穿結構類型主要包括：橋梁、樁板結構、U 型槽、框架結構以及路基型式，而下穿結構將不可避免的對既有高鐵橋梁產生影響，針對不同的下穿方案，相關學者也進行了大量的研究工作，王慶濱、羅小清等人[1]就多隧道下穿的斜交寬幅小箱梁進行了受力分析，在有限元計算的基礎上，驗證了橋梁方案的合理性，為今后的類似工程提供了參考；劉寶龍[2]分析了簡支梁橋和樁板梁橋對既有高鐵橋梁的影響，通過有限元計算結果的對比，明確了兩種結構型式的下穿橋梁均不會對既有高鐵運行產生較大的影響，簡支梁橋的影響更小；萬巧、吳彪[3]等人對框架結構下穿高鐵進行了計算分析，結果表明，道路框架涵的施工和運營階段對既有高鐵的影響較小，滿足鐵路橋梁的相關技術要求，是一種切實可行的下穿方案。

在實際工程中，采用路基和U 型槽方案的情況較多，其他的結構類型相對較少。本文以某城市快速路下穿既有高鐵橋梁為例，采用現澆箱梁+樁基礎的方案，在有限元計算的基礎上得出相關結論，以期為其他的類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 下穿工程介紹

既有鐵路為為國鐵Ⅰ級雙線鐵路，設計時速250km/h，橋梁全寬13.8m，跨徑組合為（60+100+60）m 預應力連續箱梁，下穿處跨徑100m，橋墩為圓端型實習墩，基礎為樁基礎，軌道類型為無砟軌道。

下穿道路為城市新建快速路，設計速度60km/h，標準橫斷面采用雙向6 車道布置，寬為24.5m，下穿結構類型采用現澆箱梁+樁基礎，跨徑為（24.5+32+24.5）m，從高鐵橋梁177#墩～178#墩之間穿過，下穿段區段與鐵路斜交，斜交角度為64 度，下穿道路距離高鐵橋墩最小距離為22m，車輛傾覆后對鐵路橋墩影響較小。下穿立面圖如圖1。

圖1 下穿工程立面示意圖

1.2 工程地質及水文條件

擬建場地屬剝蝕壟崗地貌，經人工建設，現開發為道路、廠房、住宅等，地形相對平緩；擬建場地新構造運動不發育，未見活動斷裂，區域地質構造穩定，不會對擬建工程造成大的影響。主要地層有素填土層（Qml）、第四系全新統黏土、第四系上更新統黏土、粉質黏土夾礫卵石、圓礫，第四系殘積（Qel）黏土，其下為白堊系（K）泥質粉砂巖。巖土物理力學性質指標如表1。

表1 巖土物理力學性質指標

2 有限元計算

2.1 模型建立

本次下穿方案采用現澆箱梁+樁基礎下穿既有高速鐵路177#墩-178#墩，177#墩臺樁基直徑為1.5m，設置13根樁基，樁長37.5m；178#墩臺樁基直徑為1.5m，設置13根樁基，樁長42m。現澆箱梁樁基分4 組布置，每組設計4-6 根樁，樁基直徑為1.8m，內外側兩組樁長為33m，中間兩組樁長為30m，樁基承臺外側采用放坡形式開挖，根據177#、178#墩平面布置，利用Midas/GTS 有限元軟件建立一個長×寬×高=170m×100m×70m 的三維模型進行分析。

根據該下穿工程實際情況，將土層簡化為各向同性、均質的連續材料，基于宏觀材料行為，巖土體采用修正摩爾-庫倫本構模型，采用實體單元模擬土體[4-5]。有限元模型圖如圖2、圖3。

圖2 整體有限元模型圖

圖3 結構有限元模型圖

2.2 工況設置

根據實際的施工過程，將整個仿真分析模擬分為以下階段：①橋梁樁基施工；②承臺基礎開挖；③承臺施工；④回填及主梁施工；⑤道路運營。

2.3 計算結果

本次模擬的重點是下穿橋梁施工與運營階段，對既有鐵路墩臺的安全性影響，現分別提取各階段變形結果，以此來判定下穿橋梁工程施工的對鐵路的影響。由于篇幅所限，僅列出承臺基礎開挖和道路運營階段的位移云圖：（圖4 圖5 中從左至右分別為177#墩和178#墩，單位mm）。（表2）

圖4 承臺基礎開挖橫向位移圖

圖5 道路運營橫向位移

表2 177# 墩～178# 墩墩頂位移分析結果匯總表（單位：mm）

2.4 結果分析

通過數值模擬計算可知，在現澆箱梁下穿鐵路施工及運營階段，通過引起土體的變形，導致鐵路墩臺的樁基、承臺和墩頂產生位移。其中，最大橫向位移發生在道路運營階段，位移值為0.839mm；最大縱向位移發生在承臺基礎開挖階段，位移值為0.818mm；最大豎向位移發生在承臺施工階段，位移值為1.006mm，整個過程中，主要引起既有鐵路墩臺相關結構的豎向位移。

本段既有鐵路為無砟軌道，根據《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》[6]可知，受下穿工程影響的高速鐵路橋梁墩臺頂位移限值均應小于2mm。（表3）

表3 墩臺頂位移限制（mm）

根據計算結果，影響范圍內177#、178#鐵路橋臺橫向、縱向及豎向位移均小于2mm，滿足相關規范及標準的而要求，且此鐵路橋已穩定運營數年，因此下穿工程施工對鐵路的安全影響可控。

根據以上分析可知，在承臺基礎開挖和承臺施工階段，對既有鐵路的影響最為明顯，在這兩個階段具體的施工過程中，建議采取一定的措施，例如：

①建議盡量減少高鐵橋梁橋下開挖范圍，當開挖深度大于3m時，建議在靠近鐵路橋墩一側增設支護措施，支護結構距離鐵路承臺不應小于6m；當開挖深度較淺時，應做好坡面防護，防止坡體坍塌及破壞；

②對臨近鐵路側基坑開挖時，禁止大型機械作業；

③施工中應當注意對有影響的橋墩基礎進行適當的保護，施工完畢應及時對周邊進行恢復；

④做好地基沉降監測，加強對施工影響范圍內離鐵路橋墩承臺的監測頻率；

⑤對既有鐵路橋墩實施打圍保護并張貼安全標志，防止施工機械或者車輛觸碰橋墩；

⑥基坑施工時，要保證鐵路橋墩基礎范圍內排水順暢。

3 相關建議

在承臺基礎開挖和承臺施工階段，對既有墩臺的位移影響較大，建議在具體施工過程中，通過采取減少開挖范圍、做好坡面防護（必要時增設支護）、禁止大型機械作業、加強監測頻率、張貼安全標志、加強基礎排水等方法，進一步保證既有鐵路橋梁的安全，保證高鐵車輛的安全運行。

4 結論

本文通過對現澆箱梁+樁基礎方案下穿工程對既有高速鐵路橋梁影響的計算，得出以下結論：

現澆箱梁+樁基礎下穿方案的施工和運營階段引起的高鐵橋墩的最大水平位移和豎向位移分別為0.839mm、1.006mm，滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》（TB10182-2017）中規定的墩頂水平位移和豎向位移最大允許值2mm。工程安全可行，可為今后類似的下穿工程方案比選提供參考。