公路匝道橋下穿高速鐵路橋梁安全影響分析

崔素花，劉玉玲，王 靜

(1.江蘇建筑職業技術學院交通工程學院,江蘇 徐州 221116;2.中路高科交通檢測檢驗認證有限公司,北京 100088;3.中鐵上海設計院集團有限公司徐州設計院,江蘇 徐州 221000)

0 引言

隨著我國鐵路和公路建設的快速發展,公路與鐵路橋梁立體交叉的情況越來越多,公路下穿施工會對既有鐵路造成影響,為了確保鐵路列車行駛安全和旅客乘車的舒適度,橋梁沉降限值和基礎承載力成為了評價高速鐵路橋梁是否能安全運營的重要指標。目前,國內對穿越高鐵采用不同的施工方法(路基、樁板結構、剛構橋等)下穿既有鐵路,而涉及高速公路匝道橋穿越鐵路橋的工程研究較少,可以借鑒的經驗有限,因此下穿鐵路橋的高速公路匝道施工對鐵路橋的影響評估具有很大的價值。

1 工程概況

以某高速公路稍坡復合互通A匝道下穿青鹽鐵路馬站繡針河特大橋為背景,分析研究公路匝道橋下穿鐵路橋梁施工,對鐵路橋梁的影響。

1.1 青鹽鐵路概況

青鹽鐵路為雙線電氣化鐵路,客貨共線,有砟軌道,設計時速200 km/h。

日照港嵐山港區疏港高速公路稍坡復合互通A匝道在嵐羅高速汾水樞紐北側與青鹽鐵路交叉馬站繡針河特大橋,交叉處公路里程為AK3+460,位于嵐山西—贛榆北區間,里程約為K185+507。交叉處青鹽鐵路馬站繡針河特大橋為32 m簡支T梁,橋下凈高約16 m,稍坡復合互通A匝道在第120號—121號墩之間橋下穿過,交叉角度為48.8°。

1.2 下穿高速公路概況

本項目在嵐羅高速汾水樞紐北側與青鹽鐵路交叉,交叉處青鹽鐵路馬站繡針河特大橋為32 m簡支T梁,稍坡復合互通從馬站繡針河特大橋第120號—121號墩之間橋下通過,交叉角度為48.8°。高速公路A匝道采用(3×35) m預應力混凝土簡支小箱梁下穿青鹽鐵路馬站繡針河特大橋,橋面總寬13 m,小箱梁采用預制架設法施工。

1)平面設計:稍坡復合互通A匝道下穿青鹽鐵路橋所在位置為緩和曲線段,與青鹽鐵路夾角為48.8°,平面布置圖見圖1。

2)縱斷面設計:最大縱坡0.5%,豎曲線半徑采用R=5 200 m。

3)橫斷面設計:稍坡復合互通A匝道下穿青鹽鐵路處橫斷面布置形式:0.6 m(HA級防撞護欄)+11.8 m(機動車道)+0.6 m(HA級防撞護欄)=13.0 m。

4)橋梁孔跨布置:為最大程度減少下穿青鹽鐵路橋梁結構基礎施工對既有鐵路設備的影響,基礎布置不得侵入鐵路建筑限界,滿足新建結構樁基與青鹽鐵路橋梁樁基中心距不小于4倍下穿工程樁徑的要求,稍坡復合互通A匝道主跨采用35 m簡支小箱梁下穿青鹽鐵路橋,兩邊孔同樣采用跨度為35 m的小箱梁以便于架橋設備試吊。

下穿青鹽鐵路橋梁交叉樁號為AK3+460,跨鐵路部分橋長112.0 m。

橋跨布置為:(3×35)m預應力混凝土簡支小箱梁,橋面連續。

5)上部結構:小箱梁采用預制架設法施工,每孔采用4片箱梁,橋面全寬13.0 m,濕接縫寬0.833 m。35 m小箱梁梁高1.8 m,頂板厚度為22 cm,梁頂設13 cm鋼筋混凝土現澆層、防水層、10 cm瀝青混凝土面層。

6)下部結構:橋墩采用蓋梁柱式墩,基礎采用樁基礎,橋墩直徑為1.6 m,基礎采用直徑1.8 m鉆孔灌注樁基礎。

1.3 地質情況

橋梁選址區地質層分別為粉質黏土、含砂粉質黏土、粗砂、全風化片麻巖、強風化片麻巖、中風化片麻巖,均在勘探深度范圍內。地下水補給來源主要接受大氣降水和支溝小溪徑流制約,主要排泄途徑為大氣蒸發和側滲方式,其主要為第四系松散巖類孔隙水及基巖裂隙水。表層素填土:黃褐色,稍密,厚度:0.80 m～5.50 m;粉質黏土:黃褐色,可塑—硬塑,干強度及韌性一般,厚度:1.70 m～5.80 m;含砂粉質黏土:黃褐色,可塑—硬塑,厚度:1.60 m～3.40 m;粗砂:黃褐色,中密,飽和,厚度:2.10 m～3.30 m;全風化片麻巖:黃褐色,原始巖層風化程度極為強烈,厚度:0.70 m～7.10 m;強風化片麻巖:黃褐夾灰白色,變晶結構,片麻狀構造,厚度:3.50 m～19.60 m;中風化片麻巖:灰白色,變晶結構,片麻狀構造,其巖石飽和單軸抗壓強度平均值為46.80 MPa。

2 安全影響評估概述

2.1 評估概述

根據相關規范要求,結合本工程特點而擬定的主要專項評估。評估主要內容為:某高速公路稍坡復合互通A匝道施工對青鹽鐵路馬站繡針河特大橋變形的評估。

采用理論計算與有限元模型相結合的方法進行數值模擬計算,并對照評價標準進行定量安全評價,其中有限元模擬通過大型巖土工程通用軟件Midas GTS-NX來實現。

2.2 安全評估標準

1)工程設計基本安全評估:某高速公路下穿青鹽鐵路馬站繡針河特大橋工程,根據規范[1]的規定進行基本安全評估,評估結果詳見表1。

表1 本項目安全評估內容匯總

2)結構安全評估標準:現有鐵路的安全評估一般從結構和附屬設施的變形、結構強度和穩定性等方面考慮,其中變形作為主要控制標準。本項目的變形控制標準是參考國內同類工程經驗,根據現有鐵路運行現狀和周邊設施制定的,本項目的控制內容包括:橋梁沉降、差異沉降、橫向水平變形和縱向水平變形等,控制指標限值均為3 mm。

3 計算模型

公路匝道橋施工對周圍環境的影響采用Midas GTS-NX有限元程序進行分析。模型長100 m、寬80 m、深70 m,土體采用三維實體單元模擬,本構模型采用修正后的Mohr-Coulomb模型;橋墩和承臺采用三維單元模擬;樁基采用線彈性本構模型。高速鐵路橋上部結構以自重形式加載在支墩上模擬,土體水平四周邊界采用水平約束,底部邊界采用垂直約束。三維空間有限元土體模型如圖2所示。

4 三維有限元數值模擬分析

根據本項目設計和施工情況,按照以下幾個階段對施工過程進行模擬,具體模擬過程見表2。

表2 模擬內容

5 計算結果分析

本工程施工是在既有橋梁的基礎上進行模擬計算,第一階段為既有橋梁現狀,在第一階段的基礎上,根據工程設計圖紙中的位置進行高速鐵路樁基、墩臺及上部結構施工模擬計算。

5.1 青鹽鐵路橋沉降變形影響分析

根據建立的整體三維有限元模型計算分析,青鹽鐵路馬站繡針河特大橋各施工階段沉降變形影響結果云圖見圖3。

根據表3,表4的模擬運算結果可知:各施工階段造成青鹽鐵路馬站繡針河特大橋橋墩頂部產生的階段附加沉降量最大值為-0.921 mm,橋墩頂部階段累計附加沉降量最大值為-2.516 m,橋墩頂部附加沉降量符合規范[2]3 mm的沉降限值要求。

表3 青鹽鐵路馬站繡針河特大橋橋墩頂施工階段附加沉降計算結果 mm

表4 青鹽鐵路馬站繡針河特大橋橋

5.2 青鹽鐵路馬站繡針河特大橋橋墩頂橫向水平變形影響分析

根據建立的整體三維有限元模型計算分析,青鹽鐵路馬站繡針河特大橋各施工階段橫向水平變形影響結果云圖見圖4。

根據表5模擬計算結果可知:青鹽鐵路馬站繡針河特大橋各施工階段橋墩頂部產生的階段附加橫向水平變形最大值為-1.010 mm,墩頂階段累計附加橫向水平變形最大值為-2.610 mm,墩頂附加橫向水平變形符合規范[3]中3 mm的限值要求。

表5 青鹽鐵路馬站繡針河特大橋

5.3 青鹽鐵路馬站繡針河特大橋橋墩頂縱向水平變形影響分析

根據建立的整體三維有限元模型計算分析,青鹽鐵路馬站繡針河特大橋各施工階段墩頂的縱向水平變形影響結果云圖見圖5。

根據表6模擬計算結果可知:青鹽鐵路馬站繡針河特大橋各施工階段橋墩頂產生的階段附加縱向水平變形最大值為-0.697 mm,墩頂階段累計附加縱向水平變形最大值為-1.934 mm,墩頂附加縱向水平變形滿足規范[4-5]中3 mm的限值要求。

表6 青鹽鐵路馬站繡針河特大橋

6 結論及建議

通過以上分析,高速公路稍坡復合互通A匝道下穿青鹽鐵路馬站繡針河特大橋方案可行。

考慮各種風險因素的客觀存在提出以下建議:

1)鐵路橋下及兩側50 m范圍內,施工過程中不得堆載,以免造成橋墩基礎下沉。

2)鐵路橋梁200 m范圍內禁止開采地下水。

3)橋梁端承樁施工應采用全套管跟進的方式,加強施工控制,避免發生土體坍塌事故,減少樁基礎施工對既有鐵路橋的影響。

4)施工時要做好防護措施,防止施工設施(如吊車、泵車等)侵入鐵路限界。