城市道路下穿既有普速鐵路橋梁影響分析

王一瑩

摘要：以某城市道路下穿普速鐵路橋梁為例，采用Midas GTS/NX軟件建立三維有限元模型，分析道路路基方案在開挖、換填、路面施工和運營階段對鐵路橋墩的位移影響。分析結果表明，隨著車行道與鐵路承臺距離的增大，道路對橋墩位移的影響逐漸變小，但此道路即使機動車道位于橋跨中間時，鐵路橋墩產生的豎向位移仍不滿足規范要求。進而提出此道路在涉鐵段采用樁板結構方案，以進一步減小對鐵路橋梁的影響。

關鍵詞：城市道路下穿普速鐵路位移樁板結構

Impact Analysis Of Urban Road Under Existing Ordinary Speed Railway Bridge

WANG Yiying

（Xiongan Urban Planning and Design Institute Co.， Ltd.，Rongcheng，Hebei Province，071700 China）

Abstract：Taking an ordinary speed railway bridge under an urban road as an example，establish the 3D finite element model by Midas GTS/NX software，analyze the influence of road subgrade scheme on the displacement of Railway Piers in the stages of excavation， replacement， pavement construction and operation.The analysis results show that with the increase of the distance between carriageway and railway cushion cap，the influence of road on pier displacement decreases gradually. However， even if the motorway is located in the middle of the bridge span， the vertical displacement caused by the railway pier still does not meet the specification requirements. Then it is proposed to adopt the pile plate structure scheme in the railway section of the road， so as to further reduce the impact on the railway bridge.

Key Words：Urban road;Under wear;Ordinary speed railway;Displacement;Pile slab structure

隨著我國城市建設的快速發展，越來越多的新建城市道路需下穿既有鐵路橋梁。針對此類工程，國內學者和工程技術人員進行了一些研究。鄺顯聰研究者以某公路下穿既有線鐵路橋梁為例，采用有限元軟件對施工全過程及公路運營階段對鐵路橋梁進行力學狀態的分析[1]。杜威研究者依托新建道路下穿既有鐵路路基和客運專線高架橋工程實例，通過有限元軟件深入分析了道路施工對高鐵橋梁結構的影響。鄧稱意研究者綜合分析了城市道路下穿高速鐵路前期方案選擇的基本方法，并結合工程實際給出了推薦方案[3]。

同時，《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》（TB 10182-2017）[4]中規定了公路和城市道路下穿高速鐵路橋梁時，下穿工程可依據地基承載力、橋下凈空等要求合理選用橋梁、樁板結構、U型槽、框架結構或者路基等結構形式。但對于城市道路下穿普速鐵路橋梁，目前沒有專門規范，工程實踐中一般參照上述規范。工程實踐表明[5-6]，一般情況下，運營的普速鐵路對墩臺的位移限值比高速鐵路大，下穿工程采用路基形式造價更低，故在工程實踐中一般優先考慮采用路基形式下穿是否滿足要求，這就需要結合場地地質條件，計算分析路基在工程開挖、換填、路面施工和道路運營階段等對普速鐵路橋墩位移的影響，進而判斷路基形式是否滿足工程要求;若不滿足，則再考慮樁板結構等對鐵路橋墩位移影響更小的方案[7]。

該文以上海某新建城市道路下穿普速鐵路橋梁為例，采用有限元軟件模擬工程實施各階段對鐵路橋墩的位移影響，作為判斷該工程采用路基方案能否滿足要求的依據，也為今后類似工程設計方案研究提供一定的參考。

1 工程概況

上海市某新建城市道路等級為城市干路，設計速度40 km/h，雙向六車道，標準段道路紅線寬度40 m，線路呈南北走向。

既有鐵路為普速貨運單線鐵路，設計速度160 km/h，呈東西走向，與新建城市道路正交交叉。在交叉節點處，既有鐵路為高架橋梁，跨度32 m，梁底標高10.96 m。新建城市道路正交下穿該鐵路80#～81#和81#～82#橋孔，該節點處地面標高4.26 m，道路設計標高5.06 m。下穿位置處鐵路橋墩尺寸為1.2 m（縱橋向）×3.4 m（橫橋向），承臺尺寸為7.92 m（縱橋向）×5.2 m（橫橋向），承臺頂標高3.53 m。

2道路路基方案

城市道路下穿既有鐵路橋梁，下穿工程常用的結構形式有橋梁、樁板結構、U型槽、框架結構、隧道或者路基形式。

該工程城市道路與鐵路橋梁交叉節點處，梁底標高為10.96 m，路面標高為4.26 m，高差為6.70 m，滿足道路通行凈空要求，且既有鐵路為速度160 km/h的普速鐵路，運營狀態下對橋梁墩頂的位移控制值要比高速鐵路大，從下穿工程經濟性和施工難度方面出發，下穿工程可首先考慮路基方案，并通過有限元計算模擬分析對鐵路運營的影響程度，進而判定路基方案是否可行。

該城市道路標準段紅線寬度為40 m，從線形順直度、車行道與鐵路承臺距離兩方面考慮，下穿段給出兩種路基斷面方案，以車行道與承臺的距離為變量來分析兩種路基方案對鐵路橋梁的影響。

方案一：線形順直，道路紅線寬度40 m，中央分隔帶寬8.1 m，車行道邊緣與鐵路承臺的距離分別為0.02 m和0.16 m。方案二：道路紅線寬度由標準段的40 m漸變為下穿段的48 m，將車行道置于鐵路橋跨中間，中央分隔帶寬16.1 m，車行道邊緣與鐵路承臺的距離分別為4.02 m和4.16 m。

3 計算分析

3.1 計算模型

根據新建道路與鐵路橋梁相對位置關系，采用有限元軟件Midas GTS/NX建立三維有限元模型，進行數值模擬計算。土體采用摩爾庫倫本構模型，鐵路橋墩、承臺及新建道路路基采用實體單元模擬，鐵路承臺下方的樁基礎采用植入式梁單元模擬，路面施工、運營荷載采用面荷載模擬。

模型沿X、Y、Z這3個方向的邊界尺寸分別為158 m、80 m、55 m，其中，X為鐵路順橋向，Y為鐵路橫橋向，Z為豎向。計算模型具體見圖1。

各土層的計算參數采用工程地勘參數及上海地區工程經驗進行取值。模型中采用的巖土體及結構參數設置具體見表1。

為了準確分析道路施工對既有鐵路橋墩的影響，采用動態模擬施工過程的計算方法，模擬計算工況包括場地初始、橋梁結構建成、基底換填層開挖、施作換填層、施作路面結構、通車運營6個步驟。由于鐵路橋梁基礎形變主要受路基結構開挖卸載、施工期間荷載和后期運營荷載等荷載綜合影響[5]，故此次計算分析分別考慮路基開挖、地基換填、路面施工作業和道路運營這4個階段。

3.2計算結果

分別計算兩種道路斷面方案對既有鐵路橋墩位移的影響，分別考察橋墩縱橋向、橫橋向和豎向位移。

路基方案一下，鐵路橋墩縱橋向、橫橋向和豎向位移值如下表所示。從計算結果可看出，豎向位移值大于橫橋向和縱橋向，橋墩最大豎向位移值出現在道路運營階段。

路基方案二下，鐵路橋墩縱橋向、橫橋向和豎向位移值如下表所示。從計算結果可看出，豎向位移值同樣大于橫橋向和縱橋向，橋墩最大位移值同樣出現在道路運營階段。

對比計算結果可知，當道路車行道緊鄰橋梁承臺時，即方案一，路基開挖和后期運營產生的位移對鐵路橋墩影響較大，橋墩最大豎向位移值為5.05 mm，大于規范規定的基礎沉降控制值4 mm;當道路車行道位于兩鐵路橋墩中間，即方案二，橋墩最大豎向位移值為4.02 mm，雖小于方案一，但仍大于規范規定的基礎沉降控制值4 mm。

上述分析表明，該工程路基施工和運營對既有鐵路橋墩影響較大，不能滿足鐵路的正常運營安全。為了確保鐵路運營安全，建議該新建道路下穿既有鐵路橋梁采用樁板結構形式，并參照《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》（TB 10182-2017）[4]進行結構布置。

4 樁板結構方案

該工程道路下穿既有鐵路橋梁采用樁板結構形式，道路紅線寬度40 m，中央分隔帶寬度8.1 m，上下行機動車道分別于鐵路橋81#橋墩兩側布置。

樁板結構采用（10+18+10）m的跨度布置，橋頭搭板長度5 m，分幅布置，采用鋼筋混凝土結構，頂板厚度1.00 m;樁基礎位于鐵路橋梁投影線外側，結構投影未侵入鐵路承臺范圍，最小距離0.16 m;樁基直徑1.2 m，與鐵路樁基中心最小距離為7.87 m，大于7.2 m（6×1.2=7.2m）;樁板結構護欄外側與鐵路橋墩的凈距為3.4 m>2.5 m，鐵路橋下道路通行凈空為5.9 m，符合規范要求。

5結語

（1）隨著車行道與鐵路承臺距離的增大，道路路基施工和運營階段對鐵路橋墩位移的影響逐漸變小。

（2）此新建道路即使機動車道位于橋跨中間時，鐵路承臺產生的豎向位移仍不滿足規范要求，故建議此道路在涉鐵段采用樁板結構方案，以進一步減小對鐵路運營的影響。

（3）新建或改擴建城市道路下穿既有普速鐵路時，應從經濟性、對鐵路影響情況、施工難度等方面進行綜合比選，確定下穿工程的最優方案。

參考文獻

[1] 鄺顯聰.某城市干線道路施工對下穿鐵路橋梁的影響研究[D].廣州：廣州大學，2017.

[2] 杜威.新建道路下穿施工對既有鐵路線運營影響的分析研究[D].杭州：浙江大學，2020.

[3] 鄧稱意.某城市主干道下穿既有高鐵設計案例分析[J].工程設計，2019，4（14）：208-209.

[4] 同濟大學、中國鐵路經濟規劃研.公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程：TB 10182-2017[S].北京：中國鐵道出版社，2018.

[5] 趙海洋.軟土地區新建道路下穿鐵路設計方案分析[J].交通與運輸，2019，35（6）：37-40.

[6] 孫健，王玉玲.城市道路下穿高速鐵路的關鍵技術研究[J].中國市政工程，2021（5）：77-81.

[7] 楊國濤. 高寒地區高速鐵路路基基床表層凍脹機理與軌道平順性控制研究[D].北京：北京交通大學，2020.