车站配套市政道路下穿高速铁路的安全性评价

李少孟

中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600

随着我国高速铁路的快速发展，沿线城市逐渐开始依托新建高铁车站进行高铁新区的规划开发，高铁车站的配套市政工程建设至关重要。车站配套市政道路的建设不仅有利于提高其便捷性，也将为高铁新区的建设格局带来新的契机。但新建工程下穿高速铁路施工势必会对铁路桥梁基础产生影响，因此在新建市政道路下穿高速铁路过程中保证桥梁的安全是一个十分重要的课题。

文章结合现行规范分析新建市政路下穿在建桥梁设计方案的合规性，并通过三维数值模拟，分析道路施工对铁路桥梁的影响，根据结果进行安全性评价，同时提出规避风险的建议，为今后类似工程提供了参考。

1 工程概况及难点

1.1 工程概况

市政道路从杭绍台铁路台州中心站特大桥34#～36#桥墩间分幅穿越，交叉角度约90°。杭绍台铁路为10线桥，34#～36#桥墩间上部结构均为32m简支箱梁，桥墩为圆端形三柱框架式桥墩，墩高均为11.5m，承台横向总宽度分别为83.5m、74m、65m，承台高度为2.2m，基础为φ1.0m钻孔灌注桩，桩长分别为58m、59m、59m。

东海大道为城市主干路，设计荷载为城-A级，设计时速为50km，采用桩板结构下穿在建铁路桥梁，桥面距杭绍台铁路梁底净距为9.43m。左、右幅桩板结构跨径共120m，左幅桩基采用4根φ1m钻孔灌注桩，桩间距为3.3m，右幅桩基采用5～6根φ1m钻孔灌注桩，桩间距为3.430～ 4.186m。

落客平台匝道采用整幅式断面，桥梁全长147m，下穿在建铁路桥梁，桥面距杭绍台铁路梁底净距为5.2m。上部结构采用（34+60+53）m钢箱梁，单箱单室结构，桥宽6.5m，下部结构桥台处采用落地梁结构形式，以结构代填土，基础为φ800mm钻孔灌注桩。市政道路与杭绍台铁路位置关系如图1所示。

图1 东海大道及落客匝道与杭绍台铁路位置关系图（单位：cm）

1.2 地质概况

施工范围内地层为第四系全新统冲海积地层（Q4al+m）粉质黏土；第四系全新统海积地层（Q4m）淤泥；第四系全新统冲湖积层（Q4al+l）粉质黏土；第四系全新统冲海积层（Q4al+m）黏土、粉质黏土；第四系上更新统冲湖积层（Q3al+l）黏土、粉质黏土、含砾粉质黏土。铁路及市政路承台位于粉质黏土层，钻孔桩主要位于淤泥质粉质黏土、粉质黏土层；地基土承载力仅120kPa，不宜采用路基形式下穿。

1.3 主要难点

综合考虑地层条件、相对位置关系、铁路变形控制、施工难度、风险等因素，东海大道采用桩板结构形式下穿施工。其主要难点如下：（1）新建桩板结构左幅与杭绍台铁路桥墩最小距离仅为2.28m，右幅与杭绍台铁路桥墩最小距离为2.97m，桩板施工对铁路墩台影响大；（2）新建桩板左幅桩基与铁路既有桩基最小距离仅4.04m，右幅桩基与铁路既有桩基最小距离仅4.05m，仅约等于4d（d为下穿工程桩径），软层地层中铁路既有桩基受扰动大，进而导致墩台变形；（3）市政道路与铁路箱梁同步施工，相互干扰大，延长了施工周期，增强了相互影响效应。

2 设计方案合规性分析

对市政道路下穿高铁设计要求的规定评价设计方案如下：（1）东海大道左、右幅桥面距杭绍台铁路梁底净距为9.43m，落客匝道桥面距杭绍台铁路梁底净距为5.2m，大于4.5m，满足城市道路限界高度要求；（2）桩板结构防撞护栏为HA级，满足护栏防撞等级采用现行规范规定的最高等级要求；（3）新建桩板结构边缘投影未侵入高铁桥梁承台范围，满足规范中规定桩板结构边缘其投影线与高铁铁路承台边缘线不得重叠的要求；（4）东海大道桩板结构外侧与既有高速铁路桥墩最小距离为2.28m，规范要求净距不宜小于2.5m，但该项目桩板结构外侧设置了HA级防撞护栏，可保证运营期间铁路桥梁运行安全。

3 计算与分析

3.1 三维有限元模型

采用岩土有限元软件MIDAS GTS NX建立包括岩土、桥桩、承台、桥墩、桩板结构等结构的三维模型，并进行数值计算分析。根据新建桩板结构与既有桥梁的位置关系，并满足一定边界效应，模型整体尺寸为170m×110m×75m。

模型采用位移边界条件：侧面限制水平位移，底部限制垂直位移，模型上表面取为自由边界。土体、墩台、承载板等采用实体单元模拟，桩基础采用梁单元模拟。有限元整体模型如图2所示，实体墩、桩基、桩板结构空间布置图如图3所示。

图2 有限元整体模型

图3 实体墩、桩基、桩板结构空间布置图

3.2 土层参数

土体强度准则为Mohr-Coulomb准则，土体共划分为6层，具体参数取自工程地质勘察报告或参考区域其他工程，如表1所示。

表1 土层参数

3.3 施工阶段模拟

模拟计算分为四个主要阶段：初设应力场、高铁施工、新建桩板结构施工、道路运营，具体施工步骤如表2所示。

表2 施工步骤

3.4 计算结构分析

通过计算，市政路施工、运营过程中高铁桥墩的最大竖向沉降为4.40mm，满足20mm的规范控制限值要求；最大沉降差为2.73mm，满足5mm的规范控制限值要求；最大纵桥向位移为2.73mm，满足28.2mm的控制限值要求；最大横桥向位移差为0.80mm，满足16mm的控制限值要求，各工况下桥梁墩台累计变形如表3所示。

表3 各工况下桥梁墩台累计变形 单位：mm

新建市政道路施工后，台州中心站特大桥34#～36#桥墩桩基单桩最大承载力仍小于容许承载力，高铁桥桩安全，具体如表4所示。

表4 高铁桥桩单桩承载力对照表 单位：kN

通过计算结果分析，台州中心站配套市政道路东海大道及落客匝道下穿杭绍台铁路施工及运营对铁路墩台的影响在安全范围内，市政路以桩板结构型式近距离下穿高速铁路方案具有可实施性。

4 结论

根据实际工程地质条件和结构设计方案进行合规性分析及三维数值计算，得到新建桩板结构施工和运营对高速铁路墩台变形的影响，主要结论如下：（1）设计方案符合相关规范强条，但由于东海大道结构外侧距铁路桥墩较近，应对临桥墩侧护栏进行加强，并在东海大道左、右幅来车方向设置减速带，以保证运营期铁路桥墩安全；（2）在市政道路的施工和运营中，引起的高铁桥梁墩台的最大竖向位移、最大顺桥向位移、最大横桥向位移差均小于规范安全限值，工程设计方案具有可实施性；（3）桩板结构实际施工时建议左、右幅桩基和承载板结构对称施工，单侧桩基跳桩施工；（4）实际监测数据略小于计算数据，实验得出地层参数无法准确反映其实际情况，但仍具有一定参考价值；（5）为了减小高铁桥梁墩台变形，应严格控制施工方法，严禁使用扰动大的施工工艺；施工期间做好高铁桥墩变形监测，以指导施工。