某新建铁路下穿京津城际铁路的连续板桥设计及安全分析

闫阿利

（中国铁路设计集团有限公司，天津市 300142）

0 引言

随着我国经济建设的高速发展，截至2016年底，我国铁路营业里程已达12.4万km，其中高速铁路达2.2万km，已经建成世界上最现代化、最发达的高速铁路网。高速铁路的大规模建成通车，既方便了乘客快捷出行，也同步提出了既有高速铁路与新建工程的交叉问题。按照高速铁路的规定要求，新建工程与高速铁路的交叉一般采用下穿方案，对于下穿净高受限的既有高速铁路的桥梁工程是否满足高铁运营安全的要求就成了一个必需解决的问题。

1 工程概况

某新建单线电气化铁路在京津城际铁路永定新河特大桥463～464#墩之间下穿通过，与京津城际交叉角度为65°35′（见图1），交叉处京津城际桥梁梁底至地面高度为9.6 m，下穿的铁路净高要求6.55 m。京津城际铁路永定新河特大桥为设计速度目标值350 km/h的双线桥，463～464#墩之间为32 m简支箱梁，桥墩采用双线流线形圆端实体桥墩，基础采用10根1.0 m钻孔灌注桩，桩长45～46 m，承台尺寸7.1 m×10.4 m×3.0 m。详细设计参数见表1。

图1 新建铁路与京津城铁路平面关系图

表1 京津城际永定新河特大桥462～465#墩基础设计参数表

对于下穿京津城际铁路的工程措施，设计通过路基、桥梁的技术经济比较后，排除了对京津城际铁路沉降影响过大的路基方案，采用设置18.5 m+14 m+18.5 m三跨连续板的桥跨结构下穿京津城际。

2 主要技术标准和建筑材料

2.1 主要技术标准

（1）铁路等级：国铁Ⅰ级单线；

（2）轨道类型：有砟轨道；

（3）速度目标值：120 km/h；

（4）设计荷载：中-活载；

（5）设计使用年限：100 a

（6）地震动峰值加速度：0.15 g；

（7）环境类别及作用等级：氯盐侵蚀环境，作用等级L2。

2.2 主要建筑材料

（1）混凝土：连续板、桥台、承台、桩基均采用C45混凝土；

（2）钢筋：HRB400和HPB300钢筋。

3 连续板结构构造和设计

下穿京津城际的铁路桥梁采用18.5 m+14 m+18.5 m三跨连续板结构，边跨跨中板高1.0 m，中跨跨中板高1.5 m，支点处局部加高至2.0 m，板顶宽7 m，板底宽5 m，梁部采用支架现浇施工，基础采用4根1.0 m钻孔灌注桩，桥台与桥墩的桩长分别为38 m、47 m，两边孔梁底距离京津城际承台顶面0.5 m左右，连续板承台与京津城际承台最小距离2.72 m。图2为桥梁立面布置图，图3为连续板桥面布置图。

图2 桥梁立面布置图(单位：cm)

图3 连续板桥面布置图(单位：cm)

3.1 主要设计参数[1-4]

（1）恒载

结构自重：按《铁路桥涵设计基本规范》（TB 10002.1—2005）第 4.2.1 条取值，采用 25 kN/m3。

二期恒载：包括线路设备、道碴、挡碴墙、电缆槽、防水层和保护层等重量，按104 kN/m计算。

混凝土收缩徐变：按不同施工阶段考虑混凝土的徐变效应，按降温15℃考虑混凝土的收缩效应。

基础不均匀沉降：10 mm。

（2）活载

列车活载：中-活载；动力系数采用1.19。

横向摇摆力：取100 kN的集中荷载作用在最不利位置，以水平方向垂直线路中心线作用于钢轨顶面。

离心力:按照《铁路桥涵设计基本规范》（TB 10002.1—2005）第4.3.6条计算，离心力水平向外作用于轨顶以上2.0 m处。

人行道荷载：按《铁路桥涵设计基本规范》（TB 10002.1—2005）第 4.5 条取值，采用 4.0 kPa。

（3）附加力

制动力或牵引力：按《铁路桥涵设计基本规范》（TB 10002.1—2005）4.3.7条计算。

风力：风压强度W按所在地区取1.1 kPa。

温度作用：按整体升温15℃，整体降温15℃计；非线性温度变化，按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB 10002.3—2005）附录B考虑。

（4）特殊荷载

地震力：按照《铁路工程抗震设计规范》（GB 50111—2009）规定计算。

脱轨荷载：按照《铁路桥涵设计基本规范》（TB 10002.1—2005）第4.3.11条计算。

荷载组合按照主力、主力+附加力和主力+特殊荷载进行组合，取最不利组合进行设计。

3.2 结构模型

结构分析采用有限元软件Midas Civil2015建立钢筋混凝土连续板的空间有限元模型，分析连续板在列车活载作用下的受力和变形状态。连续板为在一个主平面内的纯弯构件，板端释放竖向线自由度，连续板中间支承处及连续板的另一端释放竖向线自由度和纵向线自由度，用于模拟连续板与基础的连接。

建立如图4所示梁单元模拟的三维实体连续板模型,模型共划分58个单元，施工阶段分为浇筑混凝土、二期恒载施加、徐变阶段初期和远期等4个阶段进行加载计算。

3.3 计算结果

连续板梁主梁计算结果见表2。

对于动力计算，按照《铁路桥涵设计基本规范》（TB 10002.1—2005）第 5.1.3条的要求，梁体的横向刚度应按梁体的横向自振频率进行控制[2]，则该桥的自振频率容许值f=55/L0.8=2.37 Hz（L为计算跨度）。连续板的计算自振频率见表3。

图4 连续板结构模型图

表2 连续板主梁计算结果

表3 连续板横向自振频率表

4 安全评估和监控测量[5-11]

4.1 安全评估

京津城际是我国最早建成、最早投入运营的高速铁路。该桥下穿的永定新河特大桥为设计速度目标值350 km/h的双线无砟轨道简支箱梁。高速铁路运营期间对桥梁工程的水平位移和竖向工后沉降应按照《高速铁路设计规范》（T B 10621—2014）严格执行。从该桥的钻孔桩基础、基坑开挖、结构主体、基坑回填等4个施工阶段对高铁的影响进行安全评估。通过采取合理措施，有效控制工程建设风险，保证了京津城际铁路的安全运营。

安全评估采用岩土有限元分析软件Plaxis 2D模拟该桥与既有京津城际铁路桥梁的相互影响。模型宽度为192.5 m，深度100 m。土体采用土体硬化模型来模拟土的本构关系；桥梁承台、桩基采用梁单元模拟；结构主体以均布荷载形式加载来模拟；土体水平边界采用水平约束，底边界采用固定约束。该桥建设期间对京津城际桥墩沉降变形的影响见表4。

表4 各施工阶段对京津城际桥墩计算沉降汇总表

通过表4可知，该桥基坑采用钢板桩防护后，钻孔桩和基坑开挖引起的沉降经实测后可以忽略不计，沉降变形主要体现在结构主体施工阶段。该桥建成后对京津城际桥梁基础的计算总沉降、沉降差均满足《高速无砟轨道线路维修规则（试行）》中容许偏差的限值要求，但相邻桥墩沉降差的数值已非常接近规范容许值。由于该桥施工引起的京津城际水平位移不是控制工况，所以该处不再赘述。

4.2 监控测量

施工期间应按设计要求对京津城际桥墩的水平位移和沉降变形进行动态监控测量，通过对观测数据进行综合计算，得出京津城际桥墩的变形差异和变形趋势。该变形应满足京津城际安全运营的强制性技术要求，同时依据观测和计算结果指导该桥施工，确保该桥按期建成，因此监测重点为京津城际永定新河特大桥桥墩的水平位移和沉降变形，监测范围是460～467#墩。

该桥自2015年1月30日基础施工至2016年12月17日完成铺轨，京津城际460～467#墩累计最大沉降量为2.24 mm，相邻桥墩沉降差最大为2.03mm。京津城际桥墩纵桥向变形最大为0.91mm，横桥向变形最大为1.25 mm。通过以上观测数据可知，该桥整个施工过程对既有桥墩及基础所产生的附加影响是可控的，能满足规范和高速铁路实际运营的要求，并且与理论计算值基本吻合。

5 结语

通过该桥下穿京津城际铁路桥梁的连续板设计、安全评估和变形监测，可以得到如下结论和建议：

（1）通过安全评估和监控测量，该桥施工期间以及建成后对京津城际铁路桥梁的影响是可控的，能够有效保证既有高铁的安全。

（2）该桥梁底直接支承在承台上，简化了下部结构的连接方式，施工便捷，耐久性好。

（3）下穿净高受限的高速铁路桥梁，连续板结构可有效降低结构高度，可作为同类工点确定下穿方案时的参考实例。

参考文献:

[1]T B 10621—2014,高速铁路设计规范[S].

[2]T B 10002.1—2005,铁路桥涵设计基本规范[S].

[3]T B 10002.5—2005,铁路桥涵地基和基础设计规范[S].

[4]T B 10002.3—2005,铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].

[5]周津斌.某集装箱铁路工程下穿津秦高速铁路桥梁安全影响分析铁道标准设计[J].2014(3)：85-93.

[6]冷伍明,杨奇,聂如松,等.高速铁路桥梁桩基工后沉降组合预测研究[J].岩土力学,2011(11)：3341-3347.

[7]王国粹,杨敏,熊巨华,等.路堤堆载对邻近桥梁桩基影响分析[J].结构工程师,2008（8）：89-93.

[8]屠毓敏,王建江.邻近堆载作用下排桩负摩擦力特性研究[J].岩土力学,2007(12)：2653-2656.

[9]吕世斌,李文鑫,刘利国,等.浅述桥梁桩基设计中桩侧土的负摩阻力问题[J].北方交通,2008(1)：68-71.

[10]罗蓓.基于P L AX I S的地基沉降计算及相关参数分析[J].湖南交通科技,2009(3):29-33.

[11]李俏,孙宗磊,张军,等.软土地区新建公路下穿既有高速铁路影响分析及对策[J].高速铁路技术,2013(1):26-30.