高世強

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處，天津　300142)

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高速鐵路橋梁橋下新建公路工程的安全性分析

高世強

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處，天津300142)

摘要：新建公路工程下穿既有高速鐵路橋梁工程時，公路施工和運營期間的恒載和活載作用會引起既有高速鐵路橋梁基礎的土層發(fā)生豎向和側向變形，土層變形產生的附加應力引起既有高速鐵路橋梁基礎產生垂直沉降和水平位移，當上述變形超過規(guī)范要求時應重新確定下穿方案。結合某新建高速公路下穿已建成的大西高速鐵路橋梁工程，從橋梁承載力、垂直沉降和水平位移等方面分析新建下穿工程引起的土層變形對大西高速鐵路橋梁的安全影響，該新建公路工程以路堤占壓鐵路橋墩承臺下穿大西高速鐵路時，鐵路橋墩樁基礎的承載力和沉降均超出規(guī)范要求，新建公路工程實施時改為以公路橋的形式下穿大西高速鐵路。

關鍵詞：高速鐵路；鐵路橋梁；附加應力；樁基承載力；沉降

1研究背景

高速鐵路建成后以其高運行速度、高舒適度、高安全性和高密度連續(xù)運營等特點極大地促進了鐵路沿線地區(qū)的經濟建設和發(fā)展，在此基礎上各地區(qū)的交通、水利、市政配套等基礎設施建設也得到了迅猛發(fā)展，這些新建工程與高速鐵路橋梁交叉時可采用隧道、路基、橋梁等多種下穿方案。新建下穿工程施工和運營期間必然產生對高速鐵路橋梁基礎的附加荷載，引起高速鐵路橋梁產生垂直沉降和水平位移，當變形超過規(guī)范要求時應重新確定下穿方案，因此準確合理的分析和評估新建工程下穿既有高速鐵路橋梁時在施工和運營階段對高速鐵路橋梁的安全影響就顯得尤為重要。

2影響因素

2.1對高速鐵路橋梁基礎承載力的影響

新建下穿工程可能導致已施工完成的橋梁樁基礎增加樁長或樁身主要受力鋼筋，若設計安全儲備不足，將會影響高速鐵路的安全運營，具體影響內容如下。

2.1.1對承臺的豎向影響

新建下穿工程的恒載和活載會產生垂直荷載，將垂直荷載換算成等量的土層重力，當高速鐵路橋梁承臺位于該換算土層影響范圍以內時，承臺頂面將承受換算土層的豎向重力。

2.1.2對承臺的水平影響

新建下穿工程的基坑開挖期間，承臺側向的土層會隨著基坑不斷開挖其土層抗力逐漸降低，承臺將承受基坑開挖側和未開挖側的不平衡土壓力。

2.1.3對樁基土層摩阻力的影響

在新建下穿工程的恒載和活載作用下，高速鐵路橋梁基礎側面的土層發(fā)生相對于橋梁結構的向下位移，此時樁基側土層摩阻力的方向將與正常情況相反，因此新建下穿工程產生的附加應力范圍內土層摩阻力應予以折減[2]。

2.2對高速鐵路橋梁墩頂位移的影響

新建工程產生的附加荷載導致高速鐵路橋梁基礎的土層側向抗力及地基比例系數(shù)降低，橋墩墩頂位移增大，《高速鐵路設計規(guī)范》(試行)規(guī)定橋墩頂縱向彈性水平位移Δ≤5L(L為橋梁跨度)，橋墩頂橫向水平位移引起的橋面處梁端水平折角應不大于1‰rad[8]。

2.3對高速鐵路橋梁基礎沉降的影響

高速鐵路橋梁的橋墩承臺和樁基礎組成的群樁基礎，在新建工程的豎向荷載作用下的沉降主要包括樁身的彈性壓縮變形、樁端土層的壓縮變形、群樁基礎底平面以下一定深度內地基土層的壓縮變形[10]。對于我國建成的設計速度目標值350 km/h的無砟軌道高速鐵路，《高速鐵路設計規(guī)范》(試行)(TB10621—2009)中規(guī)定無砟軌道橋梁墩臺工后總沉降≤20 mm，相鄰墩臺不均勻沉降差≤5 mm[8]。

3工程實例

圖1　辛莊樞紐工程與大西高速鐵路平面關系

某新建高速公路辛莊樞紐工程的道路主線、A匝道和G匝道分別在大西高速鐵路茹村特大橋33～39號橋墩之間下穿通過。高速公路道路主線按左右兩幅設計，左幅和右幅路基寬度均為12.25 m，與鐵路夾角為80.7°和82.5°；A匝道路基寬度10.5 m，與鐵路夾角79.5°；G匝道路基寬度10.5 m，與鐵路夾角69°，如圖1所示。辛莊樞紐工程的公路主線和匝道分4處下穿大西高速鐵路茹村特大橋，按照鐵路里程依序分別為A匝道、主線右線、主線左線和G匝道，公路路面至鐵路橋梁梁底高度全部大于6.5 m，公路路肩邊緣至鐵路橋墩最小距離為A匝道至33號橋墩的5.2 m，公路路面至承臺頂填土高度4.2 m。

大西高速鐵路茹村特大橋為雙線橋，設計速度目標值350 km/h，33～39號橋墩之間均采用32 m雙線簡支箱梁，橋墩采用雙線流線形圓端實體橋墩，其中33～34號橋墩墩高13.5～14.5 m， 基礎采用12根φ1.0 m鉆孔灌注樁基礎，承臺尺寸7.6 m×10.4 m×2.2 m，樁長為47～49 m；36～39號橋墩墩高8～9 m，基礎采用8根直徑1.0 m鉆孔灌注樁基礎，承臺尺寸4.8 m×10.4 m×2.2 m，樁長為52～55 m，詳細設計參數(shù)見表1。

4安全分析

新建高速公路辛莊樞紐工程的道路主線、A匝道和G匝道中，以A匝道與高速鐵路橋梁的交叉條件最為不利，因此主要針對A匝道的下穿方案進行重點分析。

表1　茹村特大橋橋墩基礎設計參數(shù)

4.1承載力影響

圖2　33、34號橋墩附加應力影響布置(單位：高程為m，其余為cm)

辛莊樞紐工程A匝道在大西高速鐵路橋下的填土和活載采用雙車道公路Ⅰ級汽車荷載換算后，換算土層厚度為4.45 m，該換算土層產生的附加荷載對大西高速鐵路茹村特大橋33、34號橋墩基礎產生附加應力影響，見圖2。如圖2所示，公路路堤填土和活載對33號橋墩承臺產生豎向偏壓和水平力作用，附加應力影響深度為地面以下22.33 m；34 號橋墩距離公路路基較遠，承臺不受影響，附加應力的影響深度為地面13.03 m以下的9.3 m范圍內。

4.1.1附加荷載對承臺豎向和水平影響

33號墩由于附加荷載引起豎向偏壓，承臺底產生縱向彎矩為2 017 kN·m，橫向彎矩為2 845 kN·m；附加荷載對33號墩承臺的縱向水平力為476 kN，承臺底縱向彎矩為1 332 kN·m。34號墩承臺未在附加應力擴散范圍內，故34號墩承臺不受豎向偏壓和水平力影響。

4.1.2附加荷載對樁基承載力影響

附加荷載對承臺的豎向偏壓及水平力影響按照外荷載計入，計算時對新建下穿工程產生的附加應力范圍內土層摩阻力予以折減[2]，對原基礎設計進行檢算，見表2。

表2　茹村特大橋33～34號墩單樁承載力對照

由表2可知，修建辛莊樞紐工程后，當采用A匝道為路堤形式下穿大西高速鐵路時，33號橋墩的單樁設計承載力及樁長均有所增加，原設計49 m樁長不滿足承載力要求。34號橋墩單樁容許承載力有所減小，但單樁設計承載力與容許承載力之間仍有一定的安全儲備，因此修建道路后34號橋墩樁長仍維持原設計不變。

4.2沉降影響

基礎變形包括基礎水平變形和豎向沉降兩方面內容，通過計算基礎水平變形不控制設計，因此以下內容主要介紹橋墩基礎的沉降影響。

4.2.1土層參數(shù)

大西高速鐵路橋梁橋墩基礎處地層按照工程地質勘察報告劃分為6個土層，土層參數(shù)見表3。

表3　茹村特大橋33～34號墩 土層參數(shù)

4.2.2施工階段

劃分3個施工階段，分別為:大西高速鐵路橋梁現(xiàn)狀階段(含土層自重)、公路施工階段和公路運營階段。

4.2.3分析結果

公路施工階段33號橋墩基礎的附加沉降值為1.05 mm，34號橋墩基礎的附加沉降值為0.2 mm；運營階段33號橋墩基礎的附加沉降值為0.8 mm，34號橋墩基礎的附加沉降值為0.4 mm。

33、34號橋墩的設計總沉降分別為15.34 mm和16.39 mm，均滿足規(guī)范20 mm的限值要求； 33、34號橋墩的相鄰墩臺沉降差分別為5.14 mm和5.09 mm，雖然不滿足規(guī)范5 mm的限值要求，但超限數(shù)值不大。見表4。

表4　茹村特大橋33～34號墩沉降對照　mm

5分析結論

新建辛莊樞紐公路工程的A匝道采用路基方案下穿大西高速鐵路茹村特大橋時，樁基礎承載力和沉降變形均超出設計規(guī)范規(guī)定要求，應調整下穿工程設計方案。因此設計過程中，推薦將新建辛莊樞紐工程A匝道的路基方案變更為較合理的公路橋方案下穿大西高速鐵路，通過計算公路橋下穿方案各項檢算內容均滿足設計規(guī)范要求。

6施工建議

結合新建辛莊樞紐公路工程下穿高速鐵路橋梁的安全性分析結論，提出如下施工建議：

(1)公路施工過程中，禁止使用大型施工機械，尤其是大型振動壓路機械。

(2)公路施工應做好排水設計并避開雨季，地下水豐富地區(qū)原則上應封閉排水。

(3)公路工程的地基加固措施，應盡量采用施工速度快、質量易于保證、對既有土層破壞小的工程措施。

(4)制定針對高速鐵路橋梁的專項變形監(jiān)測方案并嚴格執(zhí)行，同時引入第三方進行獨立監(jiān)測，確保高速鐵路運營安全。

7結語

以新建辛莊樞紐工程下穿大西高速鐵路茹村特大橋為例，從鐵路橋墩樁基承載力、沉降和墩頂位移等方面對新建公路工程下穿高速鐵路橋梁工程的影響進行了深入分析，合理確定了公路路基改公路橋下穿方案，可作為同類新建工程下穿高速鐵路橋梁時確定下穿方案的參考實例。

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Safety Analysis of New Highway Passing under High-speed Railway Viaduct

GAO Shi-qiang

(Bridge Department， the Third Railway Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Tianjin 300142，China)

Abstract：In the construction and operation stages of highway， the dead-load and live-load may cause vertical and horizontal movement of the soil around the foundations of the existing highs-peed railway viaducts， and the additional stress caused by the soil movement may result in vertical settlement and lateral displacement of adjacent railway viaduct foundations. When the settlement and the lateral displacement excess the specifications， the design shall be otherwise reconsidered. This paper takes a completed viaduct with a highway below in Daxi high-speed railway as an example to analyze the soil movement influence on railway viaduct safety in respect of bearing capacity， horizontal displacement and settlement. The results show that where a highway underpasses railway viaduct with embankment on the railway pier cap， the bearing capacity and settlement of viaduct piles can not meet the stipulated requirements. Such is the case， a highway bridge is used below the railway viaduct.

Key words：High-speed railway; Railway bridge; Additional stress; Bearing capacity of piles; Settlement

中圖分類號：U238； U41

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.017

文章編號：1004-2954(2015)04-0063-04

作者簡介：高世強(1977—)，男，工程師，E-mail：rwe604@163.com。

收稿日期：2013-01-22