新建城市道路及管線下穿既有高鐵橋梁影響性分析

劉世豪

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,鄭州 450001)

0 引言

營造便捷通暢的城市道路系統、有效提高道路通行能力是改變城市面貌惠及民生的重要工程。以A新建道路下穿B高鐵工程為研究對象,針對城市道路工程下穿施工對高鐵橋梁的影響進行定性與定量分析。

A新建道路規劃為城市次干路,設計速度30 km/h,道路紅線寬度24 m,單幅雙向四車道。研究范圍涉鐵段長度109.715 m,下穿高鐵防護范圍內A新建道路單幅穿越B高鐵,道路與高鐵交叉處鐵路運營里程為K698+885,道路中心線與B高鐵交角為87°。道路下方規劃管線有DN1500雨水管線、DN600雨水管線、DN400給水管線、18×φ110 upvc通信管道、12×φ200 MPP電力管線、DN300燃氣管道等。擬建項目地勢南高北低,地形基本平坦,地貌單元屬山前沖洪積傾斜平原,地勢平緩、開闊。根據現場地質勘查資料與收集既有資料進行對比分析,項目區工程地質層自上而下分層為:(1)黏質黃土(Q4al)、(2)細砂(Q4al)、(3)粗圓礫土(Q4al)、(4)泥巖(N)。擬建道路及管線位于:(1)黏質黃土(Q4al)(棕黃色、黃褐色),軟塑～硬塑,層厚4～20 m,承載力fak=120 kPa。勘察期間,地下水為第四系松散層孔隙潛水,主要賦存于第(3)層粗圓礫土中,地下水埋深約為3.2 m。區域內無不良地質和特殊地質,地震動加速度峰值為0.10 g,地震動反應譜特征周期為0.4 s。本區抗震基本烈度為7度。

圖1 涉鐵段道路平面布置Fig.1 Layout of railway section road

1 涉鐵段道路及管線防護結構的設計

機動車道采用整體式樁板結構的方式下穿鐵路,樁板結構樁基距離鐵路橋樁基的最小距離為7.6 m(距離不小于6倍的下穿工程樁徑)。

樁板結構孔跨布置為(2×8+2×8+2×8)m,全長63.04 m。樁板寬17.2 m。上部結構采用現澆鋼筋混凝土板,跨中板厚60 cm,端部板厚100 cm。下部結構樁基采用鉆孔灌注樁,采用單排樁,樁徑0.8 m,縱向樁間距為8 m,橫向樁間距4.2 m。樁板結構樁長14 m。樁板和搭板采用C40鋼筋混凝土,樁基為C35水下鋼筋混凝土,鋼筋為HPB300、HRB400。

樁板與一般路基之間采用搭板進行過渡,長度6 m,搭板厚0.35 m,搭板與樁板搭接長度0.3 m。

按照市政管網規劃,道路下方規劃管線有單根DN1500雨水管線、單根DN600污水管線、單根DN400給水管線、單側18×φ110 upvc通信管道、單側12×φ200 MPP電力管線、單根DN300燃氣管道等。根據高速鐵路管理相關要求,在滿足鐵路安全防護的前提下對管線防護工程進行方案設計。根據設計方案文件規劃雨水管線、污水管線防護方案,采用機械頂管完成下穿,其中雨水管道采用DN1500套管防護下穿,覆土厚度為3.6 m,從B高鐵M特大橋125#-126#橋墩之間下穿,管道中心距離125#承臺12.94 m,距離126#承臺11.86 m。污水管道采用DN600套管防護下穿,覆土厚度為3.83 m,從B高鐵M特大橋123#-124#橋墩間穿越,管中心距離123#承臺12.89 m,距離124#承臺12.89 m。

規劃給水、通信、電力、燃氣管道均以直埋敷設完成下穿,其中給水管線由125#-126#橋墩間穿越,管中心距離125#承臺4 m,距離126#承臺21.89 m。通信管線由125#-126#橋墩間穿越,管中心距離125#承臺7 m,距離126#承臺18.89 m。電力管線由123#-124#橋墩間穿越,管中心距離123#承臺19.91 m,距離124#承臺6 m。燃氣管線由123#-124#橋墩間穿越,管中心距離123#承臺21.91 m,距離124#承臺4 m。

根據規劃要求及鐵路安全統籌安排協調工程管線之間的關系,盡量滿足各管線一次穿越條件,設計初步擬定方案為:6處穿越點,共設置3座管線防護、1處通信管線、1處電力管線、1處燃氣管線。

2 道路下穿施工對既有高鐵橋墩的影響

2.1 計算模型與計算參數

采用Midas GTS NX大型巖土工程計算軟件進行分析計算。對A新建道路工程下穿B高鐵設計方案建立三維分析模型進行仿真模擬,分析道路在施工及運營階段對M特大橋122#～127#橋墩的影響,數值計算中土體采用“修正莫爾—庫倫”土體彈塑性模型,鐵路橋墩樁基均采用線彈性樁單元模型。計算土層參數如表1所示。

表1 計算土層參數

2.2 計算模型與結果分析

道路施工階段的模擬。通過有限元軟件的“激活單元、鈍化單元”,對設計方案分別進行仿真模擬分析。

圖3 樁板結構有限元幾何模型Fig.3 Finite element geometric model of pile-sheet structure

數值模擬分析依據設計實施方案分區分段分層對稱開挖,計算可得,道路樁基施工、道路基槽開挖、路板結構施工、東西側頂管施工、東西側明挖基坑與運營對B高鐵M特大橋122#～127#墩豎向位移均產生一定的影響。道路在樁基施工階段表現為沉降趨勢,明挖基坑及道路基槽開挖階段相鄰橋墩均表現為上浮趨勢,隨著管線頂管及道路結構施工、基坑回填,相鄰橋墩表現為沉降趨勢。

圖4 樁板結構基槽開挖階段豎向位移云圖Fig.4 Vertical displacement nephogram of pile plate structure foundation groove during excavation stage

圖5 豎向位移趨勢Fig.5 Vertical displacement trend

根據數值模擬分析,道路下穿鄭開城際鐵路防護工程施工期間,M特大橋122#～127#橋墩最大附加豎向、順橋向、橫橋向位移最大值分別為0.630 mm、-0.473 mm、0.025 mm,均滿足《公路與市政工程下穿高鐵技術規程》(TB 10182-2017)中表3.03規定的3 mm限值要求。從數值模擬可知,道路工程施工對既有高特橋梁沉降量影響較小,對高鐵橋梁的附加位移滿足規范要求。

3 結論

經綜合分析可知,A新建道路下穿B高鐵防護工程設計方案在施工與運營期間對B高鐵M特大橋122#～127#墩均有一定影響,在完善相關風險評價處理措施后,建設及運營對交叉處鐵路橋梁的影響較小,風險等級為低度。

由于本工程涉及道路工程與多條附屬管線工程,影響高鐵橋跨較多,建議細化道路、管道施工場地、施工便道布置,合理安排道路工程及附屬管道的施工時序,盡量縮短下穿工程施工周期,減小對高鐵橋梁的影響。道路及管線明挖基坑開挖應分層、分區、對稱開挖,不得超挖,減小基坑變形及大體積土方開挖對鐵路橋梁造成的影響。高鐵影響區內場地平整與新建道路路基基礎應避免采用大型振動機械施工,施工產生的棄土應及時清理,堆放位置需遠離高鐵影響區。