现浇箱梁下穿既有高速铁路的影响研究

赵慧清ZHAO Hui-qing

（昆明市政工程设计研究院（集团）有限公司，昆明 650500）

0 引言

为满足经济发展和人们长距离出行的需求，近十年来，国家高速铁路得到了空前的发展，省市之间的联系更加密切。同时，在城镇化建设的过程中，新建公路与既有高速铁路交叉的情况也日益增多，通常采取上跨高铁和下穿高铁两种方案进行比选，建设单位和设计单位从安全性、经济性等角度综合对比后，往往会采取下穿高铁的方案，新建公路下穿高铁工程在国内体量巨大。

目前公路工程中常用的下穿结构类型主要包括：桥梁、桩板结构、U 型槽、框架结构以及路基型式，而下穿结构将不可避免的对既有高铁桥梁产生影响，针对不同的下穿方案，相关学者也进行了大量的研究工作，王庆滨、罗小清等人[1]就多隧道下穿的斜交宽幅小箱梁进行了受力分析，在有限元计算的基础上，验证了桥梁方案的合理性，为今后的类似工程提供了参考；刘宝龙[2]分析了简支梁桥和桩板梁桥对既有高铁桥梁的影响，通过有限元计算结果的对比，明确了两种结构型式的下穿桥梁均不会对既有高铁运行产生较大的影响，简支梁桥的影响更小；万巧、吴彪[3]等人对框架结构下穿高铁进行了计算分析，结果表明，道路框架涵的施工和运营阶段对既有高铁的影响较小，满足铁路桥梁的相关技术要求，是一种切实可行的下穿方案。

在实际工程中，采用路基和U 型槽方案的情况较多，其他的结构类型相对较少。本文以某城市快速路下穿既有高铁桥梁为例，采用现浇箱梁+桩基础的方案，在有限元计算的基础上得出相关结论，以期为其他的类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 下穿工程介绍

既有铁路为为国铁Ⅰ级双线铁路，设计时速250km/h，桥梁全宽13.8m，跨径组合为（60+100+60）m 预应力连续箱梁，下穿处跨径100m，桥墩为圆端型实习墩，基础为桩基础，轨道类型为无砟轨道。

下穿道路为城市新建快速路，设计速度60km/h，标准横断面采用双向6 车道布置，宽为24.5m，下穿结构类型采用现浇箱梁+桩基础，跨径为（24.5+32+24.5）m，从高铁桥梁177#墩～178#墩之间穿过，下穿段区段与铁路斜交，斜交角度为64 度，下穿道路距离高铁桥墩最小距离为22m，车辆倾覆后对铁路桥墩影响较小。下穿立面图如图1。

图1 下穿工程立面示意图

1.2 工程地质及水文条件

拟建场地属剥蚀垄岗地貌，经人工建设，现开发为道路、厂房、住宅等，地形相对平缓；拟建场地新构造运动不发育，未见活动断裂，区域地质构造稳定，不会对拟建工程造成大的影响。主要地层有素填土层（Qml）、第四系全新统黏土、第四系上更新统黏土、粉质黏土夹砾卵石、圆砾，第四系残积（Qel）黏土，其下为白垩系（K）泥质粉砂岩。岩土物理力学性质指标如表1。

表1 岩土物理力学性质指标

2 有限元计算

2.1 模型建立

本次下穿方案采用现浇箱梁+桩基础下穿既有高速铁路177#墩-178#墩，177#墩台桩基直径为1.5m，设置13根桩基，桩长37.5m；178#墩台桩基直径为1.5m，设置13根桩基，桩长42m。现浇箱梁桩基分4 组布置，每组设计4-6 根桩，桩基直径为1.8m，内外侧两组桩长为33m，中间两组桩长为30m，桩基承台外侧采用放坡形式开挖，根据177#、178#墩平面布置，利用Midas/GTS 有限元软件建立一个长×宽×高=170m×100m×70m 的三维模型进行分析。

根据该下穿工程实际情况，将土层简化为各向同性、均质的连续材料，基于宏观材料行为，岩土体采用修正摩尔-库伦本构模型，采用实体单元模拟土体[4-5]。有限元模型图如图2、图3。

图2 整体有限元模型图

图3 结构有限元模型图

2.2 工况设置

根据实际的施工过程，将整个仿真分析模拟分为以下阶段：①桥梁桩基施工；②承台基础开挖；③承台施工；④回填及主梁施工；⑤道路运营。

2.3 计算结果

本次模拟的重点是下穿桥梁施工与运营阶段，对既有铁路墩台的安全性影响，现分别提取各阶段变形结果，以此来判定下穿桥梁工程施工的对铁路的影响。由于篇幅所限，仅列出承台基础开挖和道路运营阶段的位移云图：（图4 图5 中从左至右分别为177#墩和178#墩，单位mm）。（表2）

图4 承台基础开挖横向位移图

图5 道路运营横向位移

表2 177# 墩～178# 墩墩顶位移分析结果汇总表（单位：mm）

2.4 结果分析

通过数值模拟计算可知，在现浇箱梁下穿铁路施工及运营阶段，通过引起土体的变形，导致铁路墩台的桩基、承台和墩顶产生位移。其中，最大横向位移发生在道路运营阶段，位移值为0.839mm；最大纵向位移发生在承台基础开挖阶段，位移值为0.818mm；最大竖向位移发生在承台施工阶段，位移值为1.006mm，整个过程中，主要引起既有铁路墩台相关结构的竖向位移。

本段既有铁路为无砟轨道，根据《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》[6]可知，受下穿工程影响的高速铁路桥梁墩台顶位移限值均应小于2mm。（表3）

表3 墩台顶位移限制（mm）

根据计算结果，影响范围内177#、178#铁路桥台横向、纵向及竖向位移均小于2mm，满足相关规范及标准的而要求，且此铁路桥已稳定运营数年，因此下穿工程施工对铁路的安全影响可控。

根据以上分析可知，在承台基础开挖和承台施工阶段，对既有铁路的影响最为明显，在这两个阶段具体的施工过程中，建议采取一定的措施，例如：

①建议尽量减少高铁桥梁桥下开挖范围，当开挖深度大于3m时，建议在靠近铁路桥墩一侧增设支护措施，支护结构距离铁路承台不应小于6m；当开挖深度较浅时，应做好坡面防护，防止坡体坍塌及破坏；

②对临近铁路侧基坑开挖时，禁止大型机械作业；

③施工中应当注意对有影响的桥墩基础进行适当的保护，施工完毕应及时对周边进行恢复；

④做好地基沉降监测，加强对施工影响范围内离铁路桥墩承台的监测频率；

⑤对既有铁路桥墩实施打围保护并张贴安全标志，防止施工机械或者车辆触碰桥墩；

⑥基坑施工时，要保证铁路桥墩基础范围内排水顺畅。

3 相关建议

在承台基础开挖和承台施工阶段，对既有墩台的位移影响较大，建议在具体施工过程中，通过采取减少开挖范围、做好坡面防护（必要时增设支护）、禁止大型机械作业、加强监测频率、张贴安全标志、加强基础排水等方法，进一步保证既有铁路桥梁的安全，保证高铁车辆的安全运行。

4 结论

本文通过对现浇箱梁+桩基础方案下穿工程对既有高速铁路桥梁影响的计算，得出以下结论：

现浇箱梁+桩基础下穿方案的施工和运营阶段引起的高铁桥墩的最大水平位移和竖向位移分别为0.839mm、1.006mm，满足《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》（TB10182-2017）中规定的墩顶水平位移和竖向位移最大允许值2mm。工程安全可行，可为今后类似的下穿工程方案比选提供参考。