新建公路下穿高速铁路对其桥墩的影响

（山西诚达公路勘察设计有限公司，山西 太原 030006）

在交通出行方式中，铁路网和公路网交相呼应，共同促进了经济的繁荣发展。在建设过程中，铁路和公路难免产生交叉，保证已建成工程的安全与稳定是新建工程必须考虑的因素。尤其是新建公路下穿高速铁路时，由于高速铁路的运行速度特别快，对铁路的稳定性和变形有着严格的控制要求，新建工程必须选择合适的下穿方案来保证高速铁路的正常运营。

一、设计阶段的荷载因素

高速铁路为了保证运营速度达到设计的目标，其对桥墩的沉降值、碰撞性能等要求较高，当新建公路下穿高铁时，汽车荷载、路基填土及汽车撞击力都会引起桥墩桩基的土压力发生变化，进而影响桥墩的稳定性。

在公路设计规范中，通常将汽车荷载换算成等代均布土层厚度进行计算：

等代均布土层荷载h和路基填土H共同作用，将对桥墩产生附加作用力，进而影响桥墩的安全稳定性。首先共同荷载会对桥墩产生侧向土压力，由于桥墩可以简化为固定端，因此侧向土压力将会在桥墩底部形成弯矩作用，造成桥墩的受力状态发生改变，进而引起桥墩变形。其次共同荷载会对桥墩的桩侧土体产生竖向作用力，当附加竖向力过大时，桩侧土体会向下沉降，进而对桥墩桩基产生负摩阻力，从而造成桩基的承载力降低，影响桩基的受力性能，桥墩可能产生位移变形影响高铁行车安全。

当新建公路等级较高时，公路的设计速度和汽车的行驶速度较大，汽车撞击桥梁桥墩顺行车方向撞击力为1000kN，横行车方向撞击力为500kN，一旦快速行驶的汽车撞到高铁桥墩，巨大的冲击力将会对桥墩产生不可逆的破坏，高铁桥墩势必产生变形，影响铁路运营安全。

二、施工阶段的分析

（一）计算案例

本文计算案例为某新建公路下穿大西高铁某特大桥，新建公路设计等级为一级公路，设计荷载：公路Ⅰ级，设计时速为80km，路线方案中有一段以分离式路基形式下穿大西高铁某特大桥，新建路基从50#和51#桥墩之间穿越，既有桥墩为圆端形实体墩，上部结构为跨径24.7m及32.7m的简支箱梁。桥下净空约6.4m。综合考虑填土荷载和净空要求等因素，在该段落置路基采用低填的设计方案。

施工时跨越段内清表后开挖原土至设计路床底部，低填浅挖路段路床范围内，采用4%水泥土换填处治，后用小型机具进行基底压实，路床需分层压实，施工完成后做护栏基础施工，之后外侧回填并碾压密实。

跨越段施工完成后，开始前后衔接段的施工。左幅施工完成后与右幅一同实施路面施工。为避免施工对铁路设施产生较大影响，各区域开挖、回填均应采用人工或小型机械施工。为了分析施工的影响，采用有限元分析计算。

（二）有限元计算模型

该项目采用有限元建立三维模型，为消除计算边界效应的影响，考虑到施工过程中的空间效应，计算模型取其有效影响范围：本次计算土体平面尺寸取180m×90m，竖向土体厚度取60m。该模型中考虑路基与大西高铁交叉位置处该特大桥49#～53#桥墩共计5个桥墩及基础，其中各墩基础形式均为桩基础。

模型顶面取为自由边界，底面采用三向约束，其他面均采用法向约束。模型如图1所示。有限元模型中，土体采用修正摩尔-库伦模型来模拟土的本构关系，桥梁桩基采用1D植入式梁单元模拟，其他结构均采用3D实体单元模拟，桥梁的上部结构均以荷载形式加载在墩顶位置，土体水平四周边界采用水平约束，底边界采用竖向约束。

由于岩土工程的有限元分析属于散体力学计算范畴，其计算精度有限，同时影响桩与土之间相互作用的因素众多，因此桩与土体的耦合变形关系十分复杂，目前的计算技术仍难以真实反映二者的耦合关系。该模型中的相关变形和受力计算数据仅反映施工过程对既有铁路桥梁影响的最大可能值。为提高计算精度，计算模型中综合考虑实际施工状态，最大限度的准确模拟工程实际状况及施工工序。根据施工图设计的施工步骤，并考虑高铁的影响区，将高铁桥下60m范围内道路采用分段开挖、分段回填的形式，分段形式如图2所示，其中U2段、U3段的长度为10m，U1、U4段的长度为20m，施工顺序为U2→U1→U0段路基，U3→U4→U5段路基。

图1  模型整体示意图

图2  分段施工示意图

图3  50#桥墩附加竖向位移时程曲线（单位：mm）

图4   50#桥墩附加顺桥向变形时程曲线（单位：mm）

图5  50#桥墩附加横桥向变形时程曲线（单位：mm）

图6  51#桥墩附加竖向位移时程曲线（单位：mm）

图7  51#桥墩附加顺桥向变形时程曲线（单位：mm）

（三）分析计算结果

新建公路路基下穿大西高铁的施工过程中，会对地基土体产生扰动，造成土体应力场重分布，土体变形，影响既有铁路桥梁，使之产生附加沉降及水平变形。本文分析了对施工过程中对铁路桥的附加影响。

经计算：

1.大西高铁某特大桥49#桥墩：施工期间，发生的附加竖向位移为-0.122mm～0.064mm；发生的墩顶附加顺桥向位移为-0.130mm～0.295mm；发生的墩顶附加横桥向位移为-0.162mm～0.085mm。

2.大西高铁某特大桥50#桥墩：施工期间，发生的附加竖向位移为-0.863mm～0.430mm；50#桥墩与49#墩发生的附加差异沉降量为-0.741mm～0.396mm。考虑原设计工况，叠加初始差异沉降位移值后总差异沉降量为-0.961mm；发生的墩顶附加顺桥向位移为-1.735mm～1.585mm；发生的墩顶附加横桥向位移为-0.463mm～1.100mm。

3.大西高铁某特大桥51#桥墩：施工期间，发生的附加竖向位移为-0.572mm～0.430mm，运营阶段的竖向位移为-1.561mm；51#桥墩与50#桥墩发生的附加差异沉降量为-0.116mm～0.337mm；运营阶段的沉降量为0.698m m。考虑原设计工况，叠加初始差异沉降位移值后总差异沉降量为0.538mm；发生的墩顶附加顺桥向位移为-1.434mm～1.256mm，运营阶段的顺桥向位移为-1.877m m；发生的墩顶附加横桥向位移为-0.523mm～0.521mm，运营阶段的顺桥向位移为0.568mm。

4.大西高铁某特大桥52#桥墩：施工期间，发生的附加竖向位移为-0.277mm～0.312mm；52#桥墩与51#桥墩发生的附加差异沉降量为-1.284mm～0.426mm。考虑原设计工况，叠加初始差异沉降位移值后总差异沉降量为-0.963mm；发生的墩顶附加顺桥向位移为-0.238mm～0.635mm；发生的墩顶附加横桥向位移为-0.087mm～0.083mm。

5.大西高铁某特大桥53#桥墩：施工期间，发生的附加竖向位移为-0.011mm～0.025mm；53#桥墩与52#桥墩发生的附加差异沉降量为-0.287mm～0.267mm。考虑原设计工况，叠加初始差异沉降位移值后总差异沉降量为1.717mm；发生的墩顶附加顺桥向位移为-0.052mm～0.196mm；发生的墩顶附加横桥向位移为-0.031mm～0.424mm。

（四）分析评价标准

根据《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》(TB10182-2017)、《高速铁路无砟轨道线路维修规则》(铁运〔2012〕83号)、《高速铁路设计规范》（TB10621-2014）及《铁路桥涵设计规范》（TB10002-2017）等铁路规范、标准，拟定各评估指标、安全限值及规范依据如表1所示。

表1   控制指标及规范限值

（五）评价结论

施工期间及运营期间，大西高铁某特大桥49#～53#桥墩中，最大附加竖向位移为-1.561mm，最大附加差异沉降量为-1.284mm，最大附加顺桥向位移为-1.877mm，最大附加横桥向位移为1.100mm。以上结果满足《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》(TB10182-2017)及《高速铁路无砟轨道线路维修规则》(铁运〔2012〕83号)对变形的相关要求。

考虑原设计工况，将附加差异沉降值与初始差异沉降位移值叠加后可得：大西高铁某特大桥49#～53#桥墩中，最大累积差异沉降量为1.717mm＜5mm，以上结果满足《高速铁路设计规范》（TB10621-2014）等对总位移变形的相关要求。

三、结语

由于高速铁路的特殊性，高铁桥墩对变形有着严格的控制要求。在新建公路下穿高速铁路的设计过程中，在净空满足要求的情况下，尽量采用桥梁下穿方案，当不得已采用路基方案时，要严格分析计算，综合考虑各种荷载因素，选择合理的施工方案。本文计算分析了施工过程中路基施工对高铁桥墩的变形影响，对类似项目具有一定的借鉴意义。同时，为了进一步保障高铁的运营安全，应加强对桥墩的防撞保护设计、公路的交安设计、路基的排水设计等。