市政明挖路基下穿既有高速鐵路橋梁的影響

張文杰

滄州港務集團有限公司， 河北 滄州 061113

隨著城市交通快速發展，市政道路和高速鐵路交叉現象越來越常見。市政道路一般以下穿形式穿越既有高速鐵路橋梁。眾多學者對道路下穿高速鐵路橋梁引起的變形和加固措施進行了研究。呂昌懷等［1］通過分析濟南市雙線明挖隧道與盾構隧道先后下穿鐵路橋梁位移變化規律，得出隔離樁對變形的控制效果明顯。蔡漢等［2］以恩施市一改擴建市政道路下穿滬蓉高速鐵路橋梁為例，分析得出市政道路以橋梁形式穿越能夠有效控制高速鐵路橋梁的沉降。張儉［3］對清遠市迎龍大道下穿京廣高速鐵路方案進行比選，得出道路以橋梁形式下穿方案較優。孫健等［4］對太倉市某城市主干路下穿滬通高速鐵路方案進行比選，得出地基換填方案比道路以樁板結構形式通過方案更加經濟合理。吉軍立［5］對蚌埠市勝利東路下穿蚌南聯絡線方案進行比選，得出道路以橋梁形式下穿能夠有效控制既有鐵路橋梁的沉降量。李剛［6］對京港澳連接線下穿武廣高速鐵路方案進行比選，得出以橋梁形式下穿對既有鐵路影響較小。鄧稱意［7］以某城市道路下穿現有廣深港高速鐵路和在建贛深高速鐵路為例，從規劃、工程管理和工程設計三個方面進行探討，給出道路下穿高速鐵路工程需要重點關注的內容。苗超［8］從可行性、工程投資、排水和后期維護四個方面對池州長江公路大橋接線與寧安城際鐵路交叉方案進行了比選，得出樁板橋梁下穿方案較優。

本文以南寧市新建市政道路下穿既有高速鐵路橋梁為例，采用數值模擬方法分析市政道路以路基形式下穿既有高速鐵路時，不同施工方案對既有高速鐵路橋梁和路基的影響。

1 工程概況

1.1 既有高速鐵路橋梁和路基情況

新建南寧市市政道路下穿既有貴陽—南寧高速鐵路橋梁，兩者交角約53°55'，見圖1。下穿處斷面見圖2。

圖1 新建市政道路與既有高速鐵路相對位置

圖2 市政道路下穿既有高速鐵路處斷面（單位：m）

既有高速鐵路橋梁的0#臺、1#墩、2#墩、3#臺在新建市政道路范圍內。既有高速鐵路0#臺側鐵路路基基底已采用樁板結構加固，3#臺側鐵路路基基底已采用CFG（Cement Flyash Gravel）樁復合地基加固。

既有高速鐵路路基面以上鋪設鋼筋混凝土軌道板。既有鐵路橋梁墩身、承臺和樁基均為鋼筋混凝土結構。

鐵路橋梁0#臺、3#臺的承臺均厚2.5 m，分別設置9根直徑1.25 m的鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，0#臺、3#臺樁長分別為24、22 m；1#墩和2#墩的承臺均厚2.0 m，分別設置8根直徑1.00 m的鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，1#墩、2#墩樁長均為19.5 m。

1.2 地層巖性

工程場地上覆土層為第四系素填土、黏土、下伏地層為古近系漸新統南湖組湖積強風化粉砂質泥巖和弱風化粉砂質泥巖。黏土呈硬塑狀，具強脹縮性。強風化粉砂質泥巖呈硬塑 ~ 堅硬狀，具中等脹縮性。邊坡開挖后在風化作用下這兩層易形成脹縮裂隙引起邊坡失穩。弱風化粉砂質泥巖呈堅硬狀，抗剪強度高，自立性較好。

2 新建市政道路下穿形式的選擇

TB 10182—2017《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》中規定：地基土基本承載力大于180 kPa且路基填筑高度不大于1 m時，可采用路基方式下穿。根據該工程地質詳勘資料，路面以下黏土基本承載力大于180 kPa；市政道路路面低于地面線，以挖方形式通過，滿足填筑高度不大于1 m的要求。因此，市政道路可采用路基形式下穿既有高速鐵路。

3 數值模擬

3.1 模型的建立

按實測地形圖建模，高速鐵路邊界距離基坑邊界按3倍基坑深度考慮，原地面以下深度不小于60 m。

根據既有高速鐵路竣工資料，既有橋梁頂部支座力以面荷載形式施加于橋梁墩臺上。從鐵路左線的左側43 m至右側35 m范圍內，沿新建市政道路外邊緣設置鋼筋混凝土單排鉆孔樁防護；鉆孔樁的樁間距2.0 m，樁徑1.5 m，頂部設置冠梁連接。根據TB 10182—2017規定：在軟黏土及飽和粉砂、細砂等不良土層中，道路下穿工程采用鉆孔樁時，鉆孔樁與高速鐵路橋梁樁基中心距離不宜小于6倍下穿工程樁徑。本工程部分地層雖具有脹縮性，但鉆孔樁范圍內脹縮性巖土未與大氣接觸，故其脹縮性對工程影響較少。為減少施工對高速鐵路既有樁基的影響，新增單排鉆孔樁距離既有鐵路橋梁鉆孔灌注樁中心最小距離（9.2 m）仍按不小于6倍樁徑（6 × 1.5 m）控制。單排鉆孔樁防護范圍以外采用素混凝土重力式擋土墻。為避免路面以下換填填料施工時振動碾壓對高速鐵路產生影響；從鐵路左線的左側25 m至右側30 m范圍內，市政道路路面以下換填泡沫輕質土，該范圍以外路面以下換填常規路基填料。鉆孔灌注樁冠梁頂部以上邊坡采用錨桿框架梁和植物防護。既有高速鐵路橋梁墩臺附近邊坡采用土釘墻加固。計算模型見圖3。

圖3 計算模型

3.2 計算參數確定

排樁、冠梁、既有鐵路橋梁承臺和樁基、重力式擋土墻、高速鐵路軌道板和市政道路瀝青混凝土路面均采用線彈性本構模型［9］。巖土體采用修正摩爾庫倫本構模型［10］。結構物和巖土體計算參數分別見表1、表2。

表1 結構計算參數

表2 巖土體計算參數

3.3 施工方案

路基填料的換填分別采用大范圍開挖后回填（方案1）和分區隨挖隨填（方案2）兩種施工方案。

方案1施工步驟：①初始地應力平衡；②修建既有高速鐵路，位移清零；③開挖邊坡土體至路面標高，施工邊坡錨桿、排樁和鐵路橋梁0#、3#臺附近土釘墻；④開挖路基至道路底面；⑤大范圍開挖路基至換填層底面；⑥大范圍換填路基填料；⑦填筑路面。

方案2施工步驟：①—④同方案1；⑤從鐵路左線左側25 m至右側30 m，市政道路路面以下，分區開挖，隨挖隨填泡沫輕質土；⑥從道路設計起點至左線左側25 m，從左線右側30 m至道路設計終點路面以下，分區隨挖隨填常規路基填料；⑦填筑路面。

3.4 計算結果分析

兩種方案橋梁墩臺累計沉降對比見圖4。可知：方案1和方案2中第③—第⑤步開挖卸荷后0#臺、1#墩、2#墩、3#臺均出現一定程度的上拱。方案1和方案2在第⑦步由于路面加載，0#臺、1#墩、2#墩、3#臺均出現一定程度的沉降。

圖4 兩種方案沉降對比

完工階段既有高速鐵路橋梁樁基軸力見表3。可知：兩種方案橋梁樁基軸力均小于按TB 10093—2017《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》［11］計算的容許值，滿足要求。

表3 完工階段既有高速鐵路橋梁樁基軸力

不同方案下路基施工完成后既有高速鐵路橋梁地段和路基地段累計位移對比見表4。豎向位移為負表示沉降；橫向位移為正表示向大里程方向移動。可知：①不同方案下既有高速鐵路橋梁和路基地段累計沉降均小于2 mm的規范限值［12］。②方案1橋梁地段2#墩和3#臺累計位移均小于方案2，故2#墩和3#臺處先大范圍開挖路基至換填層底面后，再填筑路基填料，有助于減少工后位移。③方案1橋梁地段0#臺累計位移和路基地段最大累計位移均大于方案2，因此臨近0#臺和路基地段應采取分區隨挖隨填方式施工，避免初始應力釋放過快，加大對既有高速鐵路的影響。④對于1#墩，方案1水平位移大，方案2豎向位移大。2個方向的位移均小于規范限值。

表4 不同方案下路基施工完成后既有高速鐵路橋梁地段和路基地段累計位移對比

4 結論

市政道路以路基形式下穿高速鐵路橋梁。本文采用數值模擬方法，分析了大范圍開挖后回填和分區隨挖隨填兩種路基換填方案對高速鐵路橋梁墩臺和路基位移的影響。主要結論如下：

1）兩種方案橋梁墩臺在開挖卸荷后均出現上拱，路面加載后均產生沉降；兩種方案橋梁樁基軸力均小于規范容許值。

2）方案1橋梁地段2#墩和3#臺累計位移均小于方案2，而橋梁地段0#臺累計位移和路基地段最大累計位移均大于方案2。這說明不同位置采用不同施工方案，可有效降低市政道路修建對既有高速鐵路的影響。

綜上，市政道路以路基形式下穿既有高速鐵路方案具有可實施性。但施工時需注意不同區段選取適宜施工方案。