新建道路下穿运营高铁桥孔安全评估技术分析

权绪良 中国铁路上海局集团有限公司平改立工程指挥部

1 引言

上海局集团公司位于华东腹地，管内高铁多位于地质复杂地区，近些年来，由于地方经济快速发展，当地工程建设的需要与高铁线路发生交叉，道路穿越运营高铁桥孔对桥梁桩基产生附应力造成桥梁桩基沉降或水平位移变形，给高铁运营安全带来严重威胁。本文以徐州市夹河路下穿郑徐高铁徐州特大桥为例，建立有限元模型进行三维数值仿真计算，分析道路及施工荷载作用下桥梁基础受力变形，评估道路下穿运营高铁桥孔安全性。

2 工程概况

徐州市规划夹河路北起兴隆路，南至二环北路西延，依次下穿夹北铁路上行线、夹北铁路下行线、夹北铁路疏解线三条既有普速铁路路基以及郑徐高铁桥梁，是泉山经济技术开发区内规划的重要城市主干道。夹河路下穿夹北铁路及郑徐高铁立交工程设计范围为K1+600～K2+135，全长535 m。其中K1+923.50～K2+120.07为夹北铁路南侧U型槽U13～U22，本次先行实施下穿郑徐高铁桥梁段，即U13～U16。夹河路道路U槽分左右幅下穿郑徐高铁徐州特大桥126#～128#桥墩，单幅U型槽内宽16.88 m，车道布置形式为1.25 m人行道+6.25 m机非混行车道+0.88 m中分带+8.5 m机动车道。下穿处道路设计里程K1+949.68，高铁运营里程K214+573.22，道路与铁路的夹角约为87.2°。下穿处铁路梁体均为32.6 m简支箱梁。夹河路从郑徐高铁徐州特大桥126#～128#墩之间下穿如图2。126#～128#墩采用圆端型桥墩，承台尺寸10.2 m×6.8 m×2.5 m，承台底面标高分别为39.617 m、35.901 m和39.685 m。承台下接10根直径1 m桩基础，桩长分别为47.5 m、47.5 m、47 m。桩底位于硬塑粉质黏土中，基本承载力为250 kPa。郑徐高铁徐州特大桥126#～128#墩桥型布置图如图1。

图1 郑徐高铁徐州特大桥现状

图2 夹河路U型槽基坑下穿郑徐高铁徐州特大桥126#-128#桥横断面图

本涉铁工点的场地土层自上而下可划分为：

粉土(Q4al)：该层于桥址区均有分布，层面标高4.54～41.99 m，层面埋深0 m～29.5 m，层厚0.4～21.8 m，平均厚度5.36 m。Es100～200＝8.33 MPa，土石等级为Ⅱ级，推荐承载力基本值δ0=120 kPa(液化前)。

粉质黏土(Q4al)：桥址区多有分布，层面标高1.15 m～41.21 m，层面埋深0 m～40.8 m，层厚0.2 m～25.3 m，平均厚度5.79 m。Es100～200＝5.70 MPa，Es300～400＝9.86 MPa，土石等级为Ⅱ级，推荐承载力基本值δ0=170 kPa。

粉质黏土(Q4al)：桥址区一般均有分布，为全新统与上更新统分界的主要标志层，层面标高0.39 m～32.16 m，层面埋深1.0 m～40.5 m，层厚0.1 m～29.0 m，平均厚度9.85 m。Es100～200＝8.37 MPa，Es300～400＝12.10 MPa，Es600～800＝19.17 MPa，土石等级为Ⅱ级，推荐承载力基本值δ0=200 kPa。

粉质黏土(Q3al)：该层主要分布于DK332+867.74～DK353+850.83，层面标高-16.26 m～17.42 m，层面埋深17.1 m～57.5 m，层厚0.7 m～31.5 m，平均厚度17.22 m。Es300～400＝13.54 MPa，Es600～800＝19.33 MPa，土石等级为Ⅱ级，推荐承载力基本值δ0=250 kPa。

灰岩(O)：该层主要分布于DK332+867.74～DK351+786.70、 DK357+607.84～DK359+121、 DK359+426.50～DK360+550.60，其余零星分布，层面标高-51.10 m～33.49 m，层面埋深1.0 m～85.7 m，地层未揭穿，最大揭露厚度34.6 m。土石等级为Ⅴ级，推荐承载力基本值δ0=1 000 kPa。

3 设计方案

夹河路道路U槽分左右幅从郑徐高铁徐州特大桥126#～128#桥墩之间穿过，道路与铁路桥梁的交叉角度约为87.2°，交点处道路设计里程K1+949.68，高铁运营里程K214+573.22。夹河路道路U槽单幅内宽16.88m，车道布置形式为1.25 m人行道+6.25 m机非混行车道+0.88 m中分带+8.5 m机动车道，道路U槽采用明挖法施工。本次施工范围为郑徐高铁徐州特大桥下道路U型槽，即U13～U16段，里程范围K1+923.50～K2+000。U型槽基坑采用Φ1 m@1.2 m钻孔灌注桩做围护结构，设计桩长18 m，桩顶设置混凝土冠梁，冠梁尺寸1.2 m×1.0 m。U13~U15段基坑外侧采用12 m长Ⅳ型拉森钢板桩作为止水帷幕，钢板桩不拔除；U16段基坑外侧采用Φ0.7 m双轴搅拌桩止水，桩长12m。高铁桥梁下方U型槽基坑挖深6.67 m（含0.2m混凝土垫层厚度）。基坑开挖过程中设置两道内支撑，第一道为0.6 m×0.8 m混凝土撑，支撑间距6 m，第二道为Φ609 mm临时钢支撑，支撑间距3 m。建议：①在道路U槽U13和U16的两端围护桩位置分别设置水平斜撑；②坑底采用 搅拌桩满堂咬合加固，止水帷幕伸入到坑底以下3 m即可；③道路U槽底板（对撑到两侧钻孔桩）成型后拆除第二道钢支撑，第一道混凝土支撑永久保留。道路U槽U13～U16段北侧为下穿夹北铁路箱涵及其顶进工作坑，南侧顺接道路U槽U17～U22。下穿夹北铁路箱涵为8 m+8.5 m+8.5 m+8 m四孔分离式箱涵，其中最北侧箱涵为已施工的既有箱涵。道路U槽U17～U20段基坑采用Φ1 m@1.2 m钻孔灌注桩做围护结构，设计桩长15 m，桩顶设置混凝土冠梁，基坑外侧采用Φ0.7 m双轴搅拌桩止水，桩长12 m，基坑内宽约52.8 m，未设计内支撑。采取坑底加固、加长围护桩或增设内支撑等措施，使基坑稳定性满足安全等级一级要求。

4 安全评估主要技术指标

铁路桥梁基础沉降变形会导致桥梁上部线路不平顺，为了保证邻近运营高铁施工过程中的高铁桥梁设备的安全和列车运行的安全，根据《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》（TB10182-2017）、《中国铁路上海局集团有限公司营业线施工工务安全监督管理办法》[2020]345号文规定，高速铁路无砟轨道桥梁桩基沉降或横向位移变形不得超过2 mm。

5 模型建立

选取涉铁范围内的岩土及结构物，采用有限元计算软件Plaxis 3D对方案中的施工过程进行数值模拟，模型中的各个土层中的土体均采用小应变土体硬化本构模型，结合本工程地质勘察报告和相关的工程经验对土层的计算参数进行取值，既有高铁桩基础采用embedded桩单元模拟。整体的几何模型底部施加完全固定约束，两侧施加竖直滑动约束，模型表面为自由边界。模型沿X、Y、Z三个方向的尺寸分别为140 m、140 m、80 m，其中X为顺铁路桥方向，Y为垂直铁路桥方向，Z为竖向。模型见图3。

图3 结构模型示意图

6 施工模拟

在Plaxis 3D有限元软件中，按照实际施工顺序分步进行模拟。首先冻结新建钻孔桩内的土体，并施加向外面荷载来模拟桩基施工过程中的钻孔泥浆护壁阶段；随后冻结模拟泥浆护壁的面荷载，激活孔内实体单元并替换为混凝土材料，模拟成桩过程；随后依次激活各道支撑并冻结对应位置需要开挖的土体，模拟道路基坑分步加支撑后开挖的过程；接着激活基坑底部的面荷载来模拟道路U槽结构底板的现浇过程；随后冻结浇筑荷载，激活U槽结构底板，冻结第二道撑。具体工况划分如下：

工况1：钻孔桩施工（钻孔+成桩）；工况2：基坑施工第一道撑后开挖至第二道撑下，单步开挖3.43 m；工况3：基坑施工第二道撑后开挖至坑底设计标高，单步开挖3.24 m；工况4：道路U槽结构底板浇筑；工况5：道路U槽结构底板成型后拆除第二道撑。有限元施工过程模拟如图4～图8所示。

图4 工况1

图8 工况5

图5 工况2

图6 工况3

图7 工况4

高铁桥墩和承台变形

夹河路施工对郑徐高铁徐州特大桥126#～128#桥墩和承台的影响，主要包括顺桥向位移（模型x方向）、横桥向位移（模型y方向）以及竖向的沉降（模型z方向）（表1～表10）。

表1 工况1：高铁桥墩墩顶阶段位移

表2 工况1：高铁桥墩承台顶阶段位移

表3 工况2：高铁桥墩墩顶阶段位移

表4 工况2：高铁桥墩承台顶阶段位移

表5 工况3：高铁桥墩墩顶阶段位移

表6 工况3：高铁桥墩承台顶阶段位移

表7 工况4：高铁桥墩墩顶阶段位移

表8 工况4：高铁桥墩承台顶阶段位移

表9 工况5：高铁桥墩墩顶阶段位移

表10 工况5：高铁桥墩承台顶阶段位移

针对前述5个施工工况的计算数据，对郑徐高铁徐州特大桥126#～128#桥墩和承台累加位移进行汇总，得到表11和表12。

表11 各工况郑徐高铁桥墩墩顶累加位移汇总（单位：mm）

表12 各工况郑徐高铁桥承台顶累加位移汇总（单位：mm）

由汇总表11得知，施工过程中引起的郑徐高铁桥梁墩顶最大顺向桥累加位移发生在工况5，位于128#墩，最大位移-1.939 mm；铁路桥梁墩顶最大横桥向累加位移发生在工况五，位于127#墩，最大位移-0.654 mm；铁路桥梁墩顶最大竖向累加位移发生在工况五，位于128#墩，最大位移-0.747 mm。

由汇总表12得知，施工过程中引起的郑徐高铁桥梁承台最大顺桥向累加位移发生在工况五，位于128#墩，最大位移-1.829 mm；铁路桥梁承台最大横桥向累加位移发生在工况五，位于127#墩，最大位移-0.543 mm；铁路桥梁承台最大竖向累加位移发生在工况五，位于128#墩，最大位移-0.747 mm。各项结果均未超过2 mm。

7 结束语

7.1 安全评估

根据该工程地质条件及结构设计方案进行三维数值仿真计算结果，综合分析评估新建道路U槽下穿郑徐高铁桥孔，对运营高铁的安全影响，可以做以下安全评估:

（1）徐州市夹河路下穿郑徐高铁设计方案原则可行。

（2）道路U槽侧墙外边缘与高铁桥墩的最小水平距离约为6.15 m，大于2.5 m，满足防撞净距要求。

（3）基坑新建钻孔桩与高铁桥墩桩基的最小桩间距为4.10 m，小于6倍新建桩桩径（6 m），不满足桩间距要求，建议采用全护筒跟进施工。

（4）夹河路机动车路面与高铁梁底的最小净空为17.18 m，高铁桥下净空大于5.50 m，满足净空要求。

7.2 在施工过程中建议采取以下工程措施

（1）鉴于部分基坑围护钻孔桩与高铁桥桩桩间距不满足要求，且该区域存在深厚饱和粉土层，建议不满足6倍桩间距的围护桩采用全护筒跟进施工。其他满足桩间距的围护桩，应采取加大泥浆比重等有效的防塌孔措施，避免成孔过程中发生塌孔，对铁路产生不利影响。

（2）高铁桥下道路U型槽基坑位于饱和粉土层，需加强止水帷幕的施工质量。坑底应采用搅拌桩满堂咬合加固，止水帷幕伸入到坑底以下3 m即可。确保基坑开挖过程不影响坑外高铁桥墩处的地下水位，且减小围护结构变形。

（3）开挖时应遵循分区、分层、对称、均衡的开挖原则，先撑后挖，严禁超挖。道路基坑施工过程中，禁止坑外降水。

（4）道路施工过程中挖土时应做到弃土随挖随运，填方应做到随运随填，不得在靠近高铁桥墩处堆放弃土、填筑材料或其他施工机具。

（5）施工中要特别注意高铁侧施工机械的操作，避免施工机械碰撞到高铁桥墩，确保桥梁的安全。

（6）施工前应先行测量郑徐高铁线形，获得原始铁路线形状态资料，为后期检修养护提供数据支撑。

（7）为保证铁路运营安全，在施工过程中应加强对高铁桥墩变形情况的监测，加强施工安全风险控制，做好应急预案。