趙慧清ZHAO Hui-qing

（昆明市政工程設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，昆明 650500）

0 引言

為滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們長(zhǎng)距離出行的需求，近十年來，國家高速鐵路得到了空前的發(fā)展，省市之間的聯(lián)系更加密切。同時(shí)，在城鎮(zhèn)化建設(shè)的過程中，新建公路與既有高速鐵路交叉的情況也日益增多，通常采取上跨高鐵和下穿高鐵兩種方案進(jìn)行比選，建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位從安全性、經(jīng)濟(jì)性等角度綜合對(duì)比后，往往會(huì)采取下穿高鐵的方案，新建公路下穿高鐵工程在國內(nèi)體量巨大。

目前公路工程中常用的下穿結(jié)構(gòu)類型主要包括：橋梁、樁板結(jié)構(gòu)、U 型槽、框架結(jié)構(gòu)以及路基型式，而下穿結(jié)構(gòu)將不可避免的對(duì)既有高鐵橋梁產(chǎn)生影響，針對(duì)不同的下穿方案，相關(guān)學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究工作，王慶濱、羅小清等人[1]就多隧道下穿的斜交寬幅小箱梁進(jìn)行了受力分析，在有限元計(jì)算的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證了橋梁方案的合理性，為今后的類似工程提供了參考；劉寶龍[2]分析了簡(jiǎn)支梁橋和樁板梁橋?qū)扔懈哞F橋梁的影響，通過有限元計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，明確了兩種結(jié)構(gòu)型式的下穿橋梁均不會(huì)對(duì)既有高鐵運(yùn)行產(chǎn)生較大的影響，簡(jiǎn)支梁橋的影響更??；萬巧、吳彪[3]等人對(duì)框架結(jié)構(gòu)下穿高鐵進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果表明，道路框架涵的施工和運(yùn)營階段對(duì)既有高鐵的影響較小，滿足鐵路橋梁的相關(guān)技術(shù)要求，是一種切實(shí)可行的下穿方案。

在實(shí)際工程中，采用路基和U 型槽方案的情況較多，其他的結(jié)構(gòu)類型相對(duì)較少。本文以某城市快速路下穿既有高鐵橋梁為例，采用現(xiàn)澆箱梁+樁基礎(chǔ)的方案，在有限元計(jì)算的基礎(chǔ)上得出相關(guān)結(jié)論，以期為其他的類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 下穿工程介紹

既有鐵路為為國鐵Ⅰ級(jí)雙線鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速250km/h，橋梁全寬13.8m，跨徑組合為（60+100+60）m 預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁，下穿處跨徑100m，橋墩為圓端型實(shí)習(xí)墩，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，軌道類型為無砟軌道。

下穿道路為城市新建快速路，設(shè)計(jì)速度60km/h，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面采用雙向6 車道布置，寬為24.5m，下穿結(jié)構(gòu)類型采用現(xiàn)澆箱梁+樁基礎(chǔ)，跨徑為（24.5+32+24.5）m，從高鐵橋梁177#墩～178#墩之間穿過，下穿段區(qū)段與鐵路斜交，斜交角度為64 度，下穿道路距離高鐵橋墩最小距離為22m，車輛傾覆后對(duì)鐵路橋墩影響較小。下穿立面圖如圖1。

圖1 下穿工程立面示意圖

1.2 工程地質(zhì)及水文條件

擬建場(chǎng)地屬剝蝕壟崗地貌，經(jīng)人工建設(shè)，現(xiàn)開發(fā)為道路、廠房、住宅等，地形相對(duì)平緩；擬建場(chǎng)地新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不發(fā)育，未見活動(dòng)斷裂，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)擬建工程造成大的影響。主要地層有素填土層（Qml）、第四系全新統(tǒng)黏土、第四系上更新統(tǒng)黏土、粉質(zhì)黏土夾礫卵石、圓礫，第四系殘積（Qel）黏土，其下為白堊系（K）泥質(zhì)粉砂巖。巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1。

表1 巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 有限元計(jì)算

2.1 模型建立

本次下穿方案采用現(xiàn)澆箱梁+樁基礎(chǔ)下穿既有高速鐵路177#墩-178#墩，177#墩臺(tái)樁基直徑為1.5m，設(shè)置13根樁基，樁長(zhǎng)37.5m；178#墩臺(tái)樁基直徑為1.5m，設(shè)置13根樁基，樁長(zhǎng)42m?，F(xiàn)澆箱梁樁基分4 組布置，每組設(shè)計(jì)4-6 根樁，樁基直徑為1.8m，內(nèi)外側(cè)兩組樁長(zhǎng)為33m，中間兩組樁長(zhǎng)為30m，樁基承臺(tái)外側(cè)采用放坡形式開挖，根據(jù)177#、178#墩平面布置，利用Midas/GTS 有限元軟件建立一個(gè)長(zhǎng)×寬×高=170m×100m×70m 的三維模型進(jìn)行分析。

根據(jù)該下穿工程實(shí)際情況，將土層簡(jiǎn)化為各向同性、均質(zhì)的連續(xù)材料，基于宏觀材料行為，巖土體采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)模型，采用實(shí)體單元模擬土體[4-5]。有限元模型圖如圖2、圖3。

圖2 整體有限元模型圖

圖3 結(jié)構(gòu)有限元模型圖

2.2 工況設(shè)置

根據(jù)實(shí)際的施工過程，將整個(gè)仿真分析模擬分為以下階段：①橋梁樁基施工；②承臺(tái)基礎(chǔ)開挖；③承臺(tái)施工；④回填及主梁施工；⑤道路運(yùn)營。

2.3 計(jì)算結(jié)果

本次模擬的重點(diǎn)是下穿橋梁施工與運(yùn)營階段，對(duì)既有鐵路墩臺(tái)的安全性影響，現(xiàn)分別提取各階段變形結(jié)果，以此來判定下穿橋梁工程施工的對(duì)鐵路的影響。由于篇幅所限，僅列出承臺(tái)基礎(chǔ)開挖和道路運(yùn)營階段的位移云圖：（圖4 圖5 中從左至右分別為177#墩和178#墩，單位mm）。（表2）

圖4 承臺(tái)基礎(chǔ)開挖橫向位移圖

圖5 道路運(yùn)營橫向位移

表2 177# 墩～178# 墩墩頂位移分析結(jié)果匯總表（單位：mm）

2.4 結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬計(jì)算可知，在現(xiàn)澆箱梁下穿鐵路施工及運(yùn)營階段，通過引起土體的變形，導(dǎo)致鐵路墩臺(tái)的樁基、承臺(tái)和墩頂產(chǎn)生位移。其中，最大橫向位移發(fā)生在道路運(yùn)營階段，位移值為0.839mm；最大縱向位移發(fā)生在承臺(tái)基礎(chǔ)開挖階段，位移值為0.818mm；最大豎向位移發(fā)生在承臺(tái)施工階段，位移值為1.006mm，整個(gè)過程中，主要引起既有鐵路墩臺(tái)相關(guān)結(jié)構(gòu)的豎向位移。

本段既有鐵路為無砟軌道，根據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》[6]可知，受下穿工程影響的高速鐵路橋梁墩臺(tái)頂位移限值均應(yīng)小于2mm。（表3）

表3 墩臺(tái)頂位移限制（mm）

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，影響范圍內(nèi)177#、178#鐵路橋臺(tái)橫向、縱向及豎向位移均小于2mm，滿足相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的而要求，且此鐵路橋已穩(wěn)定運(yùn)營數(shù)年，因此下穿工程施工對(duì)鐵路的安全影響可控。

根據(jù)以上分析可知，在承臺(tái)基礎(chǔ)開挖和承臺(tái)施工階段，對(duì)既有鐵路的影響最為明顯，在這兩個(gè)階段具體的施工過程中，建議采取一定的措施，例如：

①建議盡量減少高鐵橋梁橋下開挖范圍，當(dāng)開挖深度大于3m時(shí)，建議在靠近鐵路橋墩一側(cè)增設(shè)支護(hù)措施，支護(hù)結(jié)構(gòu)距離鐵路承臺(tái)不應(yīng)小于6m；當(dāng)開挖深度較淺時(shí)，應(yīng)做好坡面防護(hù)，防止坡體坍塌及破壞；

②對(duì)臨近鐵路側(cè)基坑開挖時(shí)，禁止大型機(jī)械作業(yè)；

③施工中應(yīng)當(dāng)注意對(duì)有影響的橋墩基礎(chǔ)進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，施工完畢應(yīng)及時(shí)對(duì)周邊進(jìn)行恢復(fù)；

④做好地基沉降監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)對(duì)施工影響范圍內(nèi)離鐵路橋墩承臺(tái)的監(jiān)測(cè)頻率；

⑤對(duì)既有鐵路橋墩實(shí)施打圍保護(hù)并張貼安全標(biāo)志，防止施工機(jī)械或者車輛觸碰橋墩；

⑥基坑施工時(shí)，要保證鐵路橋墩基礎(chǔ)范圍內(nèi)排水順暢。

3 相關(guān)建議

在承臺(tái)基礎(chǔ)開挖和承臺(tái)施工階段，對(duì)既有墩臺(tái)的位移影響較大，建議在具體施工過程中，通過采取減少開挖范圍、做好坡面防護(hù)（必要時(shí)增設(shè)支護(hù)）、禁止大型機(jī)械作業(yè)、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率、張貼安全標(biāo)志、加強(qiáng)基礎(chǔ)排水等方法，進(jìn)一步保證既有鐵路橋梁的安全，保證高鐵車輛的安全運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)現(xiàn)澆箱梁+樁基礎(chǔ)方案下穿工程對(duì)既有高速鐵路橋梁影響的計(jì)算，得出以下結(jié)論：

現(xiàn)澆箱梁+樁基礎(chǔ)下穿方案的施工和運(yùn)營階段引起的高鐵橋墩的最大水平位移和豎向位移分別為0.839mm、1.006mm，滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB10182-2017）中規(guī)定的墩頂水平位移和豎向位移最大允許值2mm。工程安全可行，可為今后類似的下穿工程方案比選提供參考。