成科霈

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

引言

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施的不斷建設(shè)，公路和高速鐵路的交叉工程日益增多[1]。目前鐵路運(yùn)輸作為國家運(yùn)輸?shù)拇髣?dòng)脈，為保證鐵路運(yùn)營的安全性和旅客的舒適性，公路工程下穿鐵路時(shí)，必須采取安全可靠的交叉方式、結(jié)構(gòu)形式以及施工方法。在公路施工過程中產(chǎn)生的土體開挖與回填會(huì)對(duì)周邊的鐵路橋梁產(chǎn)生擾動(dòng)，使之產(chǎn)生不均勻沉降或水平變形等，危害鐵路運(yùn)營安全。因此，在進(jìn)行涉鐵段的公路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)全面調(diào)查鐵路現(xiàn)狀，充分考慮公路建設(shè)的施工條件，對(duì)下穿設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合規(guī)性審查以及施工工況安全評(píng)估，保證鐵路的變形沉降值滿足規(guī)范要求[2]。

1 工程概況

1.1 公路設(shè)計(jì)概況

沿江公路現(xiàn)狀老路為二級(jí)公路，雙向兩車道，設(shè)計(jì)速度60 km/h?，F(xiàn)考慮在兩側(cè)新建側(cè)分帶，擴(kuò)建人行道與非機(jī)動(dòng)車道（簡稱人非道路），人非道路采用路基方案下穿通蘇嘉甬鐵路長江大橋南引橋13～14 號(hào)橋墩。一側(cè)人非道路路基寬7.5 m，施工范圍為左側(cè)長度73 m，右側(cè)長度101 m。道路兩側(cè)設(shè)置了SS 級(jí)防撞護(hù)欄。

1.2 路基設(shè)計(jì)概況

改造僅在現(xiàn)狀道路外側(cè)擴(kuò)建人非道路，因此，其縱斷面設(shè)計(jì)擬合老路?？v斷面為直坡，坡度為-0.074 %。沿江公路橫斷面布置為0.5 m 土路肩+5.0 m 人非混行車道+2.0 m 側(cè)分帶+0.25 m 路緣帶+7.0 m 行車道+0.5 m 雙黃線+7.0 m 行車道+0.25 m路緣帶+2.0 m 側(cè)分帶+5.0 m 人非混行車道+0.5 m 土路肩=30.0 m。路面布置為雙向兩車道。地基處理：拓寬路段地表挖除耕植土30 cm，進(jìn)行原地面碾壓，然后分層填筑80 cm 石灰土（6 %）至路面結(jié)構(gòu)地面，壓實(shí)度≮92 %。人非車道采用瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)，面層為4 cm 細(xì)粒式改性瀝青混合料（Sup-13）+6 cm 中粒式改性瀝青混合料（Sup-20），基層為20 cm 水泥穩(wěn)定碎石，底基層為20 cm 低劑量水泥穩(wěn)定碎石或廠拌冷再生水穩(wěn)碎石，總厚度為50 cm。見圖2。

圖1 公路設(shè)計(jì)平面/m

圖2 橫斷面

1.3 通蘇嘉甬鐵路概況

通蘇嘉甬鐵路為雙線高速鐵路，設(shè)計(jì)速度為250 km/h，采用有砟軌道，擴(kuò)建人非道于通蘇嘉甬鐵路長江大橋南引橋第13 孔梁下穿越，該處為（60+100+60）m 連續(xù)梁的中孔，橋墩采用圓端形墩及矩形承臺(tái)，橋墩基礎(chǔ)均采用15 根鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑2.0 m。目前鐵路下部結(jié)構(gòu)與主梁已施工完成，但還未鋪軌。

1.4 公路與鐵路相對(duì)位置關(guān)系

沿江公路與通蘇嘉甬鐵路長江大橋南引橋斜交，交叉角度為52.0°。擴(kuò)建人非道路邊線距通蘇嘉甬鐵路13 號(hào)橋墩最小間距為8.86 m，距離相應(yīng)承臺(tái)3.8 m；距通蘇嘉甬鐵路14 號(hào)橋墩最小間距為20.41 m，距離相應(yīng)承臺(tái)14.46 m，道路凈空為46.521 m。沿江公路與通蘇嘉甬鐵路長江大橋南引橋的相對(duì)位置關(guān)系見圖3。

圖3 擴(kuò)建道路與通蘇嘉甬鐵路相對(duì)位置關(guān)系/cm

2 控制標(biāo)準(zhǔn)

2.1 墩頂位移限值

參照《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB 10182—2017）第3.0.3 條，受下穿工程影響的高速鐵路橋梁墩臺(tái)墩頂位移限值應(yīng)符合表1 規(guī)定[3]。公路下穿處通蘇嘉甬鐵路為有砟軌道，施工引起的墩頂位移控制值為±3 mm。

表1 墩頂位移限值/mm

3 數(shù)值模擬

3.1 有限元模型建立

運(yùn)用Midas GTS/NX 軟件，建立三維空間模型，土體、橋墩、路基結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元模擬，高鐵樁基采用樁單元模擬。為了消除邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，模型邊界均距主體工程＞30 m，有限元模型的幾何尺寸是270 m×125 m×140 m（順鐵路方向×橫向×高度），見圖4、圖5。

圖4 三維模型

圖5 公路與高鐵橋模型

模型采用位移邊界條件，即側(cè)面約束水平位移，底部約束豎向位移。土體采用修正-摩爾庫倫準(zhǔn)則模擬，土體的計(jì)算參數(shù)參考地質(zhì)勘察報(bào)告和相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)[4]，見表2。

表2 土層參數(shù)

3.2 施工階段模擬

按照實(shí)際的施工步驟進(jìn)行模擬，新建工程采用放坡開挖，然后現(xiàn)場澆筑，最后回填的施工方式，共分為6 個(gè)施工階段，見表3。

表3 施工階段

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 施工對(duì)通蘇嘉甬鐵路墩頂位移的影響

路基開挖與填筑過程相當(dāng)于對(duì)通蘇嘉甬鐵路附近的地基基礎(chǔ)進(jìn)行卸載與加載，其產(chǎn)生的應(yīng)力釋放與附加壓力通過應(yīng)力擴(kuò)散作用導(dǎo)致周圍一定影響區(qū)域的土體應(yīng)力與位移發(fā)生改變，進(jìn)而影響通蘇嘉甬鐵路橋梁結(jié)構(gòu)[5]。通過數(shù)值模擬，得到了通蘇嘉甬鐵路長江大橋南引橋12～15 號(hào)橋墩墩頂受新建工程施工影響產(chǎn)生的三個(gè)方向的附加位移，見圖6～圖8。

圖6 墩頂附加豎向位移

圖7 墩頂附加縱向位移

圖8 墩頂附加橫向位移

從圖6～圖8 中可以看出，隨著基坑的開挖，通蘇嘉甬鐵路長江大橋南引橋13～14 號(hào)橋墩發(fā)生向上位移，隨著路基的澆筑位移逐漸向下，最后基本恢復(fù)，其中影響最大的是13 號(hào)橋墩，最大附加豎向位移為0.491 mm?；娱_挖階段中13 號(hào)墩向小里程側(cè)偏移，而14 號(hào)墩向大里程側(cè)偏移，之后偏移逐漸減小，產(chǎn)生最大附加縱向位移的是13 號(hào)橋墩，為2.3 mm?；娱_挖階段中13 號(hào)墩向鐵路右側(cè)偏移，14 號(hào)墩向左側(cè)偏移，產(chǎn)生最大附加橫向位移的是13號(hào)橋墩，為1.33 mm。鐵路橋梁墩高達(dá)50 m，橋墩的橫向剛度大于縱向高度，所以橫向變形小于縱向，而豎向位移最小，可見對(duì)于人非道路這種開挖面積與開挖深度較小的施工，橋墩豎向位移不控制，但對(duì)于高墩橋墩的水平位移影響較大。

理論分析可知，橋墩的墩頂水平位移由承臺(tái)平動(dòng)引起的平移位移和承臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的轉(zhuǎn)角位移組成，這兩種情況的組合會(huì)使得高鐵橋墩墩頂位移發(fā)生朝向道路方向或者遠(yuǎn)離道路方向，往往結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算分析得到[6]。對(duì)于高墩橋梁來說，承臺(tái)轉(zhuǎn)角引起的墩頂位移變化更為突出，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免在高墩橋梁下開挖過深。見圖9，在基坑開挖后，樁基和承臺(tái)發(fā)成偏移和轉(zhuǎn)角，13、14 號(hào)墩墩頂均向遠(yuǎn)離道路方向偏移。

圖9 橋梁下部結(jié)構(gòu)水平位移云圖

3.3.2 施工對(duì)通蘇嘉甬鐵路樁身軸力的影響

新建道路施工完成后，由于應(yīng)力擴(kuò)散作用，通蘇嘉甬鐵路橋梁樁基樁身軸力會(huì)發(fā)生變化，計(jì)算了13～14 號(hào)墩承臺(tái)下樁身軸力的增加量，其中影響最大的是13 號(hào)墩的15 號(hào)樁基，見圖10。其樁身軸力增加最大為190.5 kN，發(fā)生在基坑開挖階段，在最終施工完成后，樁身軸力增加最大的是13 號(hào)墩的1號(hào)樁基，增加值為138.9 kN，整個(gè)施工過程中增加后的樁身軸力均小于極限承載力。因此，在鐵路設(shè)計(jì)時(shí)期如果有明確下穿公路規(guī)劃的，可以對(duì)橋墩樁基進(jìn)行加強(qiáng)配筋或增加樁長設(shè)計(jì)，以提高樁基承載力，數(shù)據(jù)見表4。

圖10 分析樁位

表4 單樁承載力對(duì)照/kN

圖11、圖12 為長江大橋南引橋13 號(hào)墩的1 號(hào)樁基和15 號(hào)樁基樁身軸力增量在各施工階段下隨土層深度的變化曲線，可見距離新建道路最近的1 號(hào)角樁在基坑開挖時(shí)樁身軸力出現(xiàn)負(fù)增長，與此階段橋墩豎向位移向上變化吻合。隨著路基的回填，樁身軸力出現(xiàn)正增長，受應(yīng)力擴(kuò)散作用以及地質(zhì)情況大約樁基頂部以下45 m 左右軸力變化最為明顯。距離新建道路最遠(yuǎn)的15 號(hào)角樁樁身軸力與1 號(hào)樁規(guī)律大致反向，即樁身軸力先出現(xiàn)正增長，后出現(xiàn)負(fù)增長，樁基頂部軸力變化最明顯?；娱_挖階段對(duì)樁身軸力的影響最為顯著。

圖11 1 號(hào)樁身軸力增量

圖12 15 號(hào)樁身附加豎向位移

3.4 路堤填土對(duì)鐵路的影響

路堤形式修建的道路，其加載對(duì)高鐵橋梁樁基影響見圖13。

圖13 路堤填土荷載作用下樁土相互作用

軟弱土層在填土荷載作用下會(huì)產(chǎn)生側(cè)向擠出變形和沉降，對(duì)高鐵橋梁樁基的影響主要表現(xiàn)：（1）樁周土的沉降會(huì)使高鐵橋梁樁基上部承受負(fù)摩阻力的作用；（2）高鐵橋梁樁基在兩側(cè)土壓力差的作用下發(fā)生遠(yuǎn)離道路方向的水平位移，這兩種影響往往同時(shí)存在，并相互作用[7]。

圖14、圖15 研究了橋梁墩頂和樁頂水平和豎向位移隨填土高度變化的規(guī)律，隨著填土高度的增加，墩頂和樁頂?shù)乃?、豎向位移均增大，其中墩頂豎向位移較小，墩頂水平位移較大，成為影響鐵路安全的關(guān)鍵。墩頂?shù)乃轿灰齐S填土高度的增長率大于樁頂水平位移的增長率，說明了墩高對(duì)水平位移的擴(kuò)大效應(yīng)。

圖14 橋梁墩頂和樁頂水平位移隨填土高度變化

圖15 橋梁墩頂和樁頂豎向位移隨填土高度變化

當(dāng)填土高度為1 m 時(shí)，墩頂水平位移達(dá)到了1.71 mm，接近于《鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》（TB 10314—2021）[8]中規(guī)定的墩臺(tái)位移預(yù)警值1.8 mm；當(dāng)填土高度為1.5 m 時(shí)，墩頂水平位移達(dá)到了2.41 mm 超過規(guī)范[8]規(guī)定的報(bào)警值2.4 mm，說明高鐵橋下路堤填土高度不宜超過1 m。

4 結(jié)語

（1）擴(kuò)建道路施工過程引起的通蘇嘉甬鐵路橋墩墩頂附加豎向位移最為明顯，最大值為2.3 mm，小于變形控制值3 mm。（2）受擴(kuò)建道路的影響，通蘇嘉甬鐵路橋梁樁基樁身軸力增加最大為190.5 kN，但增加后的樁身軸力仍小于極限承載力，可以對(duì)橋墩樁基進(jìn)行加強(qiáng)配筋或增加樁長設(shè)計(jì)，以提高樁基承載力。（3）對(duì)于高墩大跨鐵路橋梁來說，墩高是影響墩頂水平位移的重要因素，墩頂水平位移隨著填土高度的增加而增大，路堤填土不宜超過1 m。（4）通過計(jì)算分析可知，擴(kuò)建道路施工對(duì)通蘇嘉甬鐵路的影響較小，均滿足要求，產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)在可控制區(qū)間以內(nèi)，故擴(kuò)建道路下穿通蘇嘉甬鐵路長江大橋南引橋方案總體可行，實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)可控。（5）從出現(xiàn)變形位移最大的施工階段可以看出，主要發(fā)生在基坑全開挖階段，建議基坑施工盡量分區(qū)、分層、對(duì)稱、均衡開挖，不得超開挖，以后保證施工的質(zhì)量安全。