新建公路下穿城际铁路安全性评估

李　昊　张付宾　简方梁

(中铁工程设计咨询集团有限公司　北京　100055)

新建公路下穿城际铁路安全性评估

李昊张付宾简方梁

(中铁工程设计咨询集团有限公司北京100055)

摘要利用Plaxis岩土工程有限元软件对新建公路下穿城际铁路工程进行安全性评估。依据某新建公路下穿铁路交叉工程建立了精细化有限元模型，考虑桩土共同作用，分析新建道路的施工及运营对城际铁路既有桥墩基础的影响，得出安全性评价结论。结果表明，现有方案可行，能满足既有铁路的安全性要求。

关键词Plaxis数值分析安全性评估

随着我国交通运输业的飞速发展，新建铁路或公路受地质、线形等因素限制，在同一地区内与既有铁路或公路在不同高度相互穿越的情况逐渐增多。新建铁路或公路在施工及运营阶段会对既有铁路桥梁造成一定的影响，使得既有桥梁桩基内力重分配，并通过土体变形引起桩基位移，此时若无合理防护措施，会导致既有线桥梁基础变形过大，造成结构破坏，影响行车安全[1-2]。因此，只有正确评估新建铁路或公路在施工及运营阶段对既有桥梁结构的影响方式和影响程度，掌握既有桥梁的变形规律，提出合理化的设计及施工建议，才能保证既有线的安全运营[3]。

某省道新建公路下穿某城际铁路交叉工程，省道与城际铁路交角为80°。省道按照左右线分离式平面设计，机动车道分幅下穿城际铁路桥梁，道路施工及运营对城际铁路既有桥梁的影响较大，对其进行安全性评估具有重要意义。

桥梁安全性评估内容较多，这里主要研究的是道路施工引起桥梁墩台附加位移及内力，此2种评估均为定量评估，其他评估内容文内未做说明。根据《铁路桥涵设计基本规范》，认为铁路墩台附加位移安全性评价指标是竖向位移5 mm，水平位移10 mm。根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》、地质资料及设计资料，确定桩基内力的安全性评价指标为4 000 kN。

1工程概况

1.1　交叉处城际铁路桥梁情况

某省道新建公路下穿某城际铁路交叉工程，城际铁路桥位处现状为双线铁路，对应城际铁路处的一座特大桥。交叉处城际铁路特大桥桥墩对应墩号为28～30号墩。该处城际铁路为直线上下行双线电气化铁路。

该桥梁为简支梁，孔跨布置为2-32.7 m简支箱梁。桥墩为钢筋混凝土结构，基础采用钻孔灌注桩基础，桩基均为1.0 m。承台尺寸为6.8 m×10.2 m，承台高为3.0 m。

根据现场测绘及工程地质勘探揭示，桥址区勘探深度范围内地层岩性为：桥址区第四系覆盖层为第四系全新统下部冲积层、上更新统冲洪积层和中更新统冲洪积层。

地下水主要为第四系松散岩类孔隙潜水，勘探期间地下水埋深7.2~13.3 m，地下水主要受大气降水补给及黄河的侧向径流。

1.2　交叉处省道设计概况

项目地处郑州市北部，该线分别与某高速铁路及某城际铁路相交。

交叉处道路采用U形槽设计，U形槽断面见图1，采用顶进施工，框架桥两侧各2节U形槽，平均总长度为34 m。

图1　U形槽断面图(单位：cm)

道路分2幅下穿城际铁路某特大桥。左右幅均为(3.5 m+33.75 m)机动车道和路缘带，分部从该特大桥的28号、29号桥墩间和29号、30号桥墩间通过，与城际铁路的交角为80°。新建道路与既有铁路相互位置关系见图2。

图2　道路与城际铁路相对位置关系图

1.3　防护桩设计

为减少基坑开挖对城际铁路桥墩及桩基的影响，邻近基坑的城际铁路桥墩处采用钻孔桩(原方案为挖孔桩)进行基坑防护[4-6]。防护桩长15 m，直径1.5 m，桩间距1.8 m。该尺寸由前期计算及地质条件确定，与该线其他防护方案尺寸统一并保证此处防护桩达到预定的防护效果。

采用上述防护方案，可有效减小由于基坑开挖对桥墩基础的影响，工艺成熟，施工方便，安全风险小。

2有限元模型

2.1　计算模型

采用Plaxis3D有限元软件建立分析模型，Plaxis3D软件为知名的岩土工程有限元软件，建模方便，适合复杂地质条件模拟、施工过程模拟、渗流分析、变形分析等。

根据道路路基宽度，以交叉处特大桥29号桥墩为中心，选取115 m×100 m×65 m范围内土体建立模型，城际铁路既有承台采用板单元进行模拟；钻孔灌注桩、防护桩采用桩单元模拟，防护桩冠梁采用梁单元模拟、桥梁传至承台顶面的竖向荷载以集中荷载实现，计算模型见图3[7-8]。

a)桥梁基础模型图b)U形槽模型图c)有限元整体模型图

图3计算模型图

2.2　有限元模拟主要步骤

本次分析主要模拟了以下施工过程：①生成初始地应力场;②施作特大桥28号桥墩、29号桥墩及30号桥墩基础;③施作特大桥28号桥墩、29号桥墩及30号桥墩承台顶荷载;④施工防护桩及冠梁;⑤施工工作坑;⑥预制U形槽;⑦顶推U形槽;⑧开挖U形槽内土，施工路面结构;⑨路线运营。

前期试算结果显示，由于存在防护桩及U形槽结构护壁，路线运营对桥梁基础的影响并不显著，双线运营时最大沉降在0.5 mm以内，因此本次分析未考虑单线运营工况，仅考虑了正常双线运营工况。

道路施工过程中，城际铁路尚未通车，因此本次分析未考虑城际铁路活载作用。

3结果分析

3.1　土体

道路施工过程中城际铁路桥墩基础周边土体最大位移量为防护桩施工阶段及开挖U形槽内土施工阶段，其中防护桩施工阶段最大位移值为3.45 mm，方向向下，开挖U形槽内土施工阶段最大位移值为2.61 mm，方向向上。位移云图见图4。

a)防护桩施工阶段b)开挖U形槽内土

土体位移云图土体位移云图

图4土体位移云图

对土体的最大扰动发生在开挖工作坑施工阶段，其周边土体的最大位移为91 mm，方向向上，但是由于工作坑距离城际铁路桥墩基础15 m，且有防护桩的保护作用，工作坑开挖对城际铁路桥墩基础周边土体的扰动作用并不明显，该阶段铁路桥墩基础周边土体最大位移量为2.2 mm，方向向上。

由计算结果总位移云图可以看出，无论在施工阶段还是在运营阶段，土体均保持稳定，未发生土体破坏及滑移现象。

3.2　城际铁路桩基位移结果

道路施工及运营会对特大桥的28号桥墩基础、29号桥墩基础及30号桥墩基础产生影响，其中29号桥墩承台边缘距道路左幅路U形槽3.2 m，距道路右幅路U形槽3.15 m，该桥墩基础同时受到左幅路和右幅路的影响；28号桥墩承台距离右幅路U形槽最近距离3.0 m，距离左幅路U形槽较远，因此28号桥墩基础主要受右幅路施工及运营荷载的影响；30号桥墩承台距离左幅路U形槽最近距离为3.0 m，距离右幅路较远，因此30号桥墩基础主要受到左幅路施工及运营荷载的影响。

以下仅分析道路施工及运营过程对城际铁路特大桥29号桥墩的影响。

特大桥29号桥墩位移计算结果见表1。

表1　29号墩最不利角桩位移计算结果

由计算可知，特大桥29号桥墩在施工及运营阶段竖向位移变化范围为-4.56~3.44 mm；X方向(即沿路线方向)水平位移变化范围为0.52~8.98 mm，Y方向水平位移变化在0.5 mm范围以内。

整个道路施工及运营过程中，桥梁桩基竖向位移变化在5 mm范围以内，水平位移变化在10 mm范围以内，可满足城际铁路安全性要求。

3.3　城际铁路桩基轴力结果

道路与城际铁路交叉处的某特大桥29号桥墩在施工及运营阶段轴力变化范围为-167~344 kN；桩基最大轴力发生在施工工作坑阶段，此时由于开挖卸载使得29号桩基进行了内力重分配，最大轴力为3 916 kN。

城际铁路特大桥29号桥墩桩基轴力计算结果见表2。

表2　29号墩最不利角桩内力计算结果

4结论

(1) 防护桩方案可有效减小由于基坑开挖对桥墩基础的影响，降低安全风险。

(2) 道路的施工及运营会使城际铁路既有基础产生一定的位移，施工阶段及运营阶段道路与城际铁路交叉处的某特大桥29号桥墩基础平面内位移变化值为0.52~8.98 mm，竖向位移变化为-4.56~3.44 mm，即竖向位移变化在5 mm范围以内，水平位移变化在10 mm范围以内，可满足城际铁路的安全性要求。

(3) 道路的施工及运营会使道路与城际铁路交叉处的某特大桥29号桥墩桩基轴力产生变化，施工各阶段城际铁路既有桩基轴力变化值为-167~344 kN。道路施工过程中最大轴力达到3 916 kN，在道路施工完成后的桩轴力值为3 419 kN，小于其允许承载力，能够保证城际铁路桥梁结构和运营安全。

(4) 道路的施工过程中，周边土体保持稳定，无破坏。

(5) 采用Plaxis岩土有限元软件可以建立精细化土体模型，能够考虑土结构共同作用，得出更加符合实际的计算结果，计算显示现有防护方案安全可靠，施工时应保证防护桩质量。降水对既有桥墩基础影响较大，对基础沉降产生不利影响。建议采用钻孔桩代替原有挖孔桩防护方案，减少降水影响。

参考文献

[1]姚玲森.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社, 1985.

[2]张健.新建铁路路基上跨既有隧道安全性评估[J].公路工程,2012(8):37-39.

[3]唐文峰,赵刚，冯超.公路桥梁跨越高速铁路最优方案探索[J].交通科技,2011(3):14-16.

[4]孙刚,陈磊.基于Plaxis深基坑支护设计仿真数值分析[J].路基工程,2014(3):7-10.

[5]张位华,李春峰,曾耀.基坑开挖对既有桥梁岸坡稳定性影响研究[J].交通科技,2014(5):16-18.

[6]陈福全,汪金卫,刘毓氚.基坑开挖时邻近桩基性状的数值分析[J].岩土力学,2008(7):1971-1976.

[7]李彦明,刘晓立.基坑开挖的试验研究与Plaxis的比较讨论[J].华北航天工业学院学报,2004(3):29-32.

[8]李素华.复杂地基基桩承载性能及时间效应理论与试验研究[D].上海：同济大学，2005.

Safety Assessment of New Highway Beneath the Intercity Rail

LiHao,ZhangFubin,JianFangliang

(China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd., Beijing 100055, China)

Abstract：The safety assessment model of the new highway beneath the intercity rail was conducted using the famous geotechnical FEM software PLAXIS. A refined finite element model for new highway beneath the intercity rail was set up and composite pile foundation was studied. The forces and the displacements of the pier of the intercity rail were calculated during the road construction and operation, the rules of the mechanical characteristics and the displacements were summarized. The safety evaluation conclusions were obtained.

Key words:plaxis; numerical analysis; safety assessment

收稿日期：2015-10-03

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.030