城市主干路下穿高速鐵路設計技術研究

彭 翔

[同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

高速鐵路的快速發展帶動著交通經濟圈時代的形成，促進著區域間社會、經濟、文化的交流。截至2021 年底，全國鐵路營業里程達到15 萬km，其中高速鐵路營業里程達到4 萬km[1]。隨著高速鐵路網密度的增加，其與市政道路、公路等交通網不可避免地存在交叉。由于高速鐵路的設計速度及安全等級高，交叉工程的施工必然會造成臨近橋梁墩臺及基礎產生位移變形，因此市政道路穿越鐵路的設計及施工方案要求嚴格，需要深入剖析影響機理，確定控制因素，并結合工程特點采取針對性的設計方案，進而有效降低交叉工程對高速鐵路的影響，保證高速鐵路的運營安全。

交叉工程的形式以下穿高速鐵路為主，包括橋梁下穿、樁板結構下穿、U 型槽和框架結構下穿、路基下穿及隧道下穿[2]。下穿形式的選擇受高鐵設備情況、工程地質條件、橋下凈空等多因素綜合控制。當橋下凈空滿足要求且具備橋梁設置條件時優先采取橋梁下穿，其對高鐵影響較小；若地基承載力大于180 kPa 且填方高度不大于1 m 時可采用路基下穿形式，其在經濟性、施工難易程度及工期要求等方面具有優勢，但填挖方引起的荷載變化對墩臺變形影響較大[3]；若地質情況不適宜采用路基結構下穿且不具備橋梁設置條件時，宜采用樁板結構下穿，其結構強度及穩定性好、剛度大，但施工工藝相對復雜[4]；當橋下凈空不滿足通行需求時，宜采用U 型槽或框架結構下穿，其基坑開挖深度對墩臺變形影響明顯[5]。

綜上所述，下穿形式選取的適應性對高速鐵路的結構及運營安全影響顯著。目前國內外學者基于工程實例對市政道路工程下穿高速鐵路的研究，未能從影響高速鐵路運營安全的控制要素角度出發，對全專業設計方案、施工方案及監測方案等進行系統分析。本文以汕頭市某城市主干路下穿汕汕鐵路為例，全面研究市政道路下穿高速鐵路的設計、施工及監測要點，實現對類似工程的普適性。

1 設計控制要素

（1）結構范圍要素。下穿工程的施工和運營必然會在一定范圍內影響高速鐵路的橋梁結構、軌道的變形和位移以及相關鐵路設備的穩定等。在《鐵路安全管理條例》（國務院令第639號）中，規定了鐵路線路安全保護區范圍，其與影響區范圍的概念存在差異。安全保護區范圍與鐵路途徑區域相關，而影響區范圍與下穿工程的類型及規模、地質條件、施工工藝等有關，需進行綜合評估后才能確定高速鐵路影響區范圍[6]。根據工程實踐，影響區范圍可以參照安全保護區范圍要求，即結構兩端至高速鐵路橋梁水平投影外側的垂直距離不小于20 m。

（2）樁徑、樁距及其與高鐵橋梁基樁凈距要素。下穿路段根據地質情況需對地基進行處理，尤其是在軟弱地層一般會采取樁基形式以提高結構的安全性和穩定性。樁徑和樁距對高速鐵路橋梁結構均會產生明顯影響，且隨著樁徑的增大及樁距的縮小，結構的變形增大[7]。高速鐵路影響區范圍內優先采用鉆孔樁，其與高速鐵路橋梁基樁中心的距離在不良土層及良好土層狀況下分別不宜小于6 倍和4 倍樁徑[2]。

（3）結構邊界與高速鐵路橋墩凈距要素。為防止下穿道路車輛碰撞高速鐵路橋墩，結構邊界需與高鐵橋墩保持一定的安全距離，以保證碰撞時所需的緩沖空間。橋梁、樁板結構及路基兩側需設置防撞護欄，護欄外側至高速鐵路橋墩的凈距不小于2.5 m[2]。

（4）墩臺頂位移限值要素。高速鐵路橋墩的豎向位移及橫向位移等將會影響軌道高低的平順性及軌向的平順性。前述各種要素的控制核心即是為了降低墩臺頂位移以保證高速鐵路的安全。根據相關規范要求，受下穿工程影響的高速鐵路橋梁墩臺頂位移限值見表1[2]。

表1 墩臺頂位移限值單位：mm

2 設計方案實例

本工程為汕頭市某雙向8 車道城市主干路，設計速度60 km/h，一般路段紅線寬度60 m，下穿路段紅線寬度90 m。該道路下穿汕汕鐵路到發線及汕汕鐵路正線81#～83# 橋墩，其中汕汕鐵路正線設計速度350 km/h，到發線設計速度80 km/h，均采用CRTS I 型雙塊式無砟軌道。下穿段鐵路橋梁梁跨為32 m 的預應力混凝土簡支箱梁，新建道路與鐵路交叉角度為90°24′32″。

交叉區域屬海積平原區，地面高程10～18 m，場地內分布有填土層（Q4ml）、細砂層（Q4m）、淤泥質土及灰色黏土層（Q4m）、黏土及粉質黏土層（Q3mc）、砂及礫質黏性土（Q3el）、全風化花崗巖帶（γ53（1））、強風化花崗巖帶（γ53（1））。淤泥質土及黏土層地基承載力低且壓縮性高，其特征值約為45～70 kPa，在8 度地震烈度條件下場區上部砂土層發生輕微- 中等液化的地震效應時，淤泥質軟土層易致地基失穩而誘發沉降、震陷。廠區地下水以第四系松散土層孔隙水為主，水位和流程受季節和降水影響明顯。

2.1 整體設計方案

受高鐵橋梁橋墩凈距的限制以及城市主干路寬路幅的制約，為最大限度降低下穿工程施工期間對已建鐵路橋梁安全的影響，本次設計基于“分幅下穿+ 慢行分離”的原則，機動車道采用樁板結構下穿的方式。整體設計方案圖見圖1。

圖1 整體設計方案圖（單位：m）

2.1.1 平面設計方案

下穿路段位于直線段，總長72 m。為滿足道路邊界與鐵路橋梁承臺的凈距要求，降低因基坑開挖對墩臺位移及變形的影響，將左右幅機動車道分別穿越82#和83#、81# 和82# 橋墩，慢行系統分別繞至81#、83# 橋墩外側，中央分隔帶寬度由標準段7.5 m漸變至16 m。設計方案的結構邊界至鐵路承臺的最小距離為4.89 m，且結構兩端至鐵路橋梁水平投影外側的最小距離為22.6 m。

2.1.2 縱斷面設計方案

基于遠期通行需求及區域排水要求，下穿段凈空不低于5.5 m，涉鐵范圍采用0.5%的單坡形式穿越鐵路影響區，最大挖深1.316 m。

2.1.3 橫斷面設計方案

下穿段道路紅線寬度90 m，橫斷面組成為：4.5 m（慢行系統）+16.5 m（側分帶）+0.5 m（防撞護欄）+15.0 m（機動車道）+0.5 m（防撞護欄）+16.0 m（中央分隔帶）+0.5 m（防撞護欄）+15.0 m（機動車道）+0.5 m（防撞護欄）+16.5 m（側分帶）+4.5 m（慢行系統）=90 m，防撞護欄的防撞等級均為SS 級。右半幅標準橫斷面設計圖見圖2。

圖2 右半幅標準橫斷面設計圖（單位：m）

2.1.4 下穿形式的選擇

基坑開挖過程相對于高速鐵路橋墩樁基而言為卸載過程，其勢必引起坑外土體應力釋放并導致臨近樁基礎產生附加變形和位移，甚至會引起樁基的屈服及斷裂破壞等問題[6]。本工程由于橋下凈空不足，整體以挖方形式穿越鐵路橋梁，且考慮路幅寬度較寬，道路邊界距鐵路橋梁承臺較近，開挖過深將會引起橋墩的變形過大，結合場區地質狀況，本工程采取樁板結構形式下穿鐵路。樁板結構底板厚1.1 m，板下鋪設厚度為20 cm 的C20 混凝土墊層，基礎采用φ0.8 m 的鉆孔灌注樁，樁長24 m，樁間距4 m。

2.1.5 管線設計方案

管線一般敷設在道路結構以下，其開挖深度較深，容易引起鐵路橋梁結構較大的附加位移及變形，尤其是豎向及橫向位移[8]。本工程慢行系統下布設12φ150+2φ100 電力管線、24-φ100 通信管線、6-φ100 照明管線及DN300 給水管線，至橋梁承臺邊緣的最小距離分別為3.6 m、4.3 m、3.0 m 和4.8 m。管線整體采用拖拉管方法施工，且管線的工作井及接收井均設置于高速鐵路的影響區以外。

2.2 安全風險性分析

工程設計方案在滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》（TB 10182—2017）等相關設計規范要求的前提下，應重視設計方案本身及其引發的相關工程的安全性。目前國內外針對城市道路下穿鐵路引起的鐵路墩臺及樁基的影響還未形成系統的理論研究方法[9]。本次設計根據整體的施工工序安排，利用有限元程序對下穿工程導致的汕汕鐵路的墩臺位移及變形進行計算，以論證設計方案的合理性。

根據理論計算及有限元模擬仿真結果，到發線及汕汕正線的最大附加豎向變形、順橋向及橫橋向的附加水平位移均發生在樁板基坑開挖過程中。其中到發線上述3 項附加值的最大值分別為1.509 mm、1.208 mm 和-0.782 mm；汕汕正線上述3 項附加值的的最大值分別為1.273 mm、1.194 mm 和0.033 mm，均小于2 mm[10]。基于上述結論可知，設計方案可以保證施工過程中高速鐵路橋梁的安全。

3 施工方案

施工工序選擇的合理性對于橋梁安全的影響至關重要，尤其是橋下開挖施工具有一定的風險[11]。本工程除管線采用拖拉管法施工外，其余部分均采取分段分層對稱的明挖施工方法，具體施工工序如下：

施工準備→施工樁板樁基→開挖樁板基坑→開挖慢行系統基坑→鋪裝慢行系統面層→鋪裝機動車道面層→管線施工。

受橋下空間限制，高鐵橋梁投影線范圍內外分別采用經改造后的循環鉆機及旋挖鉆機的施工工藝，同時泥漿池遠離橋墩設置且利用水泥砂漿封底、護壁后再鋪設一層防水帆布鋪以防滲漏，保證在不影響橋梁安全的前提下實現鉆孔灌注樁的正常施工。

除上述施工難點外，下穿段的施工過程應嚴格按照鐵路要求進行控制：

（1）不得在鐵路橋梁兩側各200 m 的范圍內抽取地下水，以避免地基沉降。

（2）不得在鐵路橋梁兩側各50 m 的范圍內進行堆載，以避免橋墩基礎產生附加沉降。

（3）加強對基坑、墩臺的變形及位移監測，控制由坑外土體擾動導致的橋梁基礎的附加影響。

（4）完善施工區域排水措施，避免積水。

（5）施工設備不得碰撞高速鐵路橋梁。

4 監測方案

受地質條件、荷載分布及施工技術等外界復雜因素的綜合影響，實際施工過程中橋梁結構變形與理論分析往往存在差異。為動態獲取橋墩和基礎的變形、位移情況，施工期間應提升監測水平。

為保證監測的準確度和全面性，在墩臺頂和墩臺底分別布置1 個監測點。監測點布置示意圖見圖3，監測周期及頻率表見表2。

圖3 監測點布置示意圖

表2 監測周期及頻率表

豎向位移和水平位移累計量預警值、報警值分別為±1.2 mm、±1.6 mm，控制值為±2 mm。施工現場若遇到異常監測結果或險情時，應立即停止施工并加密監測，以保證橋梁結構安全。

5 結語

本文基于下穿工程對高速鐵路安全影響的控制要素研究結果，以汕頭市某城市主干路下穿汕汕鐵路為例，從全專業角度詳細分析道路、樁板結構、管線的設計原則和方案設計要點，并利用有限元分析方法論證方案的合理性。通過系統論述施工要求和監測水平，以期實現對市政道路工程下穿高速鐵路的全過程指導，進而向類似工程提供經驗。