公路路基下穿高速铁路桥梁施工影响分析

成科霈

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

近年来，随着我国交通基础设施的不断建设，公路和高速铁路的交叉工程已呈现日益增多之势。公路施工过程中产生的土体开挖与回填会对周边的铁路桥梁产生扰动，使之产生不均匀沉降或水平变形等，危害铁路的运营安全。因此，在进行涉铁段的公路设计时，应全面调查铁路现状，充分考虑公路的建设施工条件，对下穿设计方案进行合规性审查以及施工工况的安全评估，保证铁路的变形沉降值满足规范要求[1]。

1 工程概况

1.1 公路设计概况

新建公路为一级公路，设计车速为80 km/h，分幅设计，分离式路基段半幅宽16.75 m，机动车道数为双向6车道。涉铁段位于平曲线，左幅曲线半径为1 420 m，修筑全长为72.6 m；右幅曲线半径为1 100 m，修筑全长为72.6 m。左右幅两端均位于铁路中心线两侧30 m以外。公路中心线与安九线斜交，交叉角度为87°，采用路基形式下穿铁路，道路两侧均设置了HA级防撞护栏。道路防撞护栏外侧设置排水沟，进行集中排水。

1.2 路基设计概况

涉铁段左、右幅竖曲线纵坡最大为1.059%，道路净空最小为8.137 m。在新建道路涉铁段设计起点处，左右幅道路路面标高分别低于原地面标高2.72 m、2.96 m，在高铁桥下左右幅道路路面与原地面高差为0，在涉铁段设计终点处，左右幅道路路面标高分别高于原地面标高3.52 m、3.75 m，即设计起点路段为挖方，设计终点路段为填方。

地基处理：先清表30 cm，然后夯实30 cm素土，再分层填筑80 cm石灰土(6%)至路面结构地面，压实度不小于96%。

1.3 安九高铁概况

安九高铁设计行车速度为350 km/h，新建公路于安九高铁潜水河特大桥第182孔梁及第183孔梁下穿越。该处桥梁为32 m简支箱梁，桥墩采用圆端形墩及矩形承台，桥墩均采用8根钻孔灌注桩基础，桩径1.0 m。铁路铺轨已完成，计划2021年12月通车。

1.4 公路与铁路相对位置关系

公路左右两幅与安九高铁潜水河特大桥斜交，交叉角度为87.0°。公路左幅道路防撞护栏外侧距潜水河特大桥182号桥墩的最小净距为4.788 m、距182号墩承台的最小净距为3.197 m，距183号桥墩的最小净距为8.894 m、距183号墩承台的最小净距为7.253 m，道路净空为8.137 m；公路右幅道路排水沟外侧距潜水河特大桥181号桥墩的最小净距为5.952 m、距181号墩承台的最小净距为4.364 m，距182号桥墩的最小净距为5.722 m、距182号墩承台的最小净距为4.108 m，道路净空为8.142 m。道路基坑开挖后，基坑边缘与桥墩最小距离约为3.6 m，基坑底为基本承载力200 kPa的全风化砂岩，且位于地下水位线以上2 m。新建公路与安九高铁潜水河特大桥的相对位置关系如图1所示。

图1 新建公路与安九高铁相对位置关系(单位：cm)

2 控制标准

公路下穿处安九高铁为无砟轨道，参照《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》(TB 10182-2017)第3.0.3条，受下穿工程影响的高速铁路桥梁墩台墩顶位移限值横向水平、纵向水平、竖向位移均为2 mm，因此施工引起的墩顶位移控制值为±2 mm。

3 数值模拟

3.1 有限元模型建立

运用Midas GTS/NX软件，建立三维空间模型，土体、桥墩、承台、路基结构采用实体单元模拟，高铁桩基采用桩单元模拟[2]。为了消除边界对计算结果的影响，模型边界均距主体工程大于30 m，有限元模型的几何尺寸是170 m×120 m×55 m(顺铁路方向×横向×高度)，如图2所示。

图2 三维模型

模型采用位移边界条件，即侧面约束水平位移、底部约束竖向位移。主梁采用C50混凝土，弹性模量为3.55×104MPa；桥墩、承台与桩基采用C30混凝土，弹性模量为3.20×104MPa；路基结构为水泥稳定碎石，弹性模量为9 000 MPa。土体采用修正摩尔-库仑准则模拟，土体的计算参数参考地质勘察报告和相关的工程经验，如表1所示。

表1 土层参数

3.2 施工阶段模拟

Midas GTS/NX软件在计算时先根据实际工程得到重力作用下的应力场，然后将得到的应力场定义为初始应力场，与重力荷载一起施加给原始模型，可以得到既满足平衡条件又不违背屈服准则的初始应力场，可以保证各节点的初始位移近似为0。建模时应将桥梁与公路路基按结构种类划分不同的实体块，实体块之间通过节点耦合，如在基坑开挖过程中，通过钝化表层土与路基土的实体块来实现。计算工况根据施工工序进行实体单元的移除与激活，按照实际的施工步骤进行模拟，新建工程采用放坡开挖→现场浇筑→回填的施工方式，故本次研究共分为6个施工阶段，分别为：阶段1，高铁成桥；阶段2，基坑开挖；阶段3，地基处理；阶段4，基层施工；阶段5，面层施工；阶段6，防撞护栏施工。

3.3 计算结果分析

3.3.1 对墩顶位移的影响

路基开挖与填筑过程相当于对安九高铁附近的地基基础进行卸载与加载，其产生的应力释放与附加压力通过应力扩散作用导致周围一定影响区域的土体应力与位移发生改变，进而影响安九高铁桥梁结构[3-4]。通过数值模拟，得到了安九高铁潜水河特大桥180～184号桥墩墩顶受新建工程施工影响产生的三个方向的附加位移，如图3所示。

从图3中可以看出，随着基坑的开挖，基坑底部土压力被释放，基底在两侧主动土压力作用下向上隆起，安九高铁潜水河特大桥181～183号桥墩发生向上位移，而基坑两侧在主动土压力作用下，土体向下位移，正如180号和184号墩的位移规律，其中影响最大的是182号桥墩，最大附加竖向位移为1.458 mm，随着路基的浇筑位移逐渐向下，最后基本恢复；基坑开挖阶段180～182号墩向小里程侧偏移，而183～184号墩向大里程侧偏移，之后偏移逐渐减小，产生最大附加纵向位移的是183号桥墩，为0.817 mm；整个施工过程中180～184号墩几乎均向路基填方侧偏移，产生最大附加横向位移的是182号桥墩，为0.418 mm，发生在防撞护栏施工阶段。桥墩的横向刚度大于纵向刚度，并且纵向偏载作用大，所以横向变形小于纵向，但大面积开挖与回填对桥墩竖向位移影响最大。

图3 墩顶变形(单位：mm)

3.3.2 对桩身轴力的影响

新建道路施工完成后，由于应力扩散作用，安九高铁桥梁桩基的桩身轴力会发生变化，计算了180～184号墩承台下桩身轴力的增加量(如表2所示)，其中影响最大的是182号墩的8号桩基(桩位如图4所示)，其桩身轴力增加最大为120.1 kN，但增加后的桩身轴力仍小于容许承载力，承载力安全系数由1.06减小为1.03。所以在铁路设计时期如果有明确下穿公路规划的，可以对此桥墩桩基进行加强配筋或增加桩长设计，以提高桩基承载力。

图4 桩位

表2 单桩承载力 kN

3.3.3 对桩基位移的影响

以182号墩的8号桩基为例，对其桩身位移在各个施工阶段下的位移进行分析，结果如图5、图6所示。

图6 桩身附加水平位移(单位：mm)

由图5可知，新建路基施工时安九高铁桩基发生向上的竖向位移，最大为1.159 mm，发生在基坑开挖阶段，随着路基的回填桩基竖向变形逐渐恢复，当基层施工完成后，基本恢复，随着路面结构的浇筑，高铁桩基开始向下位移，最大为0.467 mm。

图5 桩身附加竖向位移(单位：mm)

由图6可知，在基坑开挖阶段中桩身最大水平位移发生在距桩顶约3.5 m深度处，为0.141 mm，而桩底附近发生反方向的水平位移，即整根桩基呈现倾斜状态。由于路基施工开挖深度较浅，桩顶部分土压力释放大于桩底部分，所以桩顶部分位移变化明显[5-7]。随着基坑的开挖与回填可以看出，桩身水平位移是一个弹性变形，最后防撞护栏施工阶段桩顶与桩底水平位移差值很小为0.1 mm，说明几乎达到了填挖平衡的状态。

3.3.4 对安九高铁桥面板的影响

根据《铁路桥涵设计规范》(TB 1002-2017)的规定：设计时速200 km及以上的铁路梁端水平折角应不大于1.0‰ rad。

由于相邻桥墩发生横向水平位移差，桥面板会产生倾斜，以受施工影响最大的181～183号桥墩为例，分析了铁路梁端水平折角随施工阶段的变化，具体如图7所示。以高铁成桥状态梁端水平折角为零进行计算，得到了在防撞护栏施工阶段产生的累计水平折角最大为0.018‰ rad，远小于规范规定值，说明新建工程方案可以满足行车条件下列车的安全性和旅客的乘车舒适性。

图7 铁路梁端水平折角随施工阶段变化

4 结论与建议

(1)新建公路施工过程引起的安九高铁桥墩墩顶附加竖向位移最为明显，其最大值为1.458 mm，小于变形控制值2 mm。

(2)受新建公路的影响，安九高铁桥梁桩基桩身轴力增加120.1 kN，但增加后的桩身轴力仍小于容许承载力，可以对桥墩桩基进行加强配筋或增加桩长设计，以提高桩基承载力。

(3)随着基坑的开挖与回填可以看出，桩身水平位移是一个弹性变形。

(4)安九高铁桥面板梁端水平折角受新建公路路基施工影响的程度很小，远低于规范限值。

通过计算分析可知，新建公路施工对安九高铁的影响较小，产生的风险等级在可控制区间以内，故新建公路下穿安九高铁潜水河特大桥方案总体可行。从出现变形位移最大的施工阶段可以看出，主要发生在基坑全开挖阶段，所以建议基坑施工尽量分区、分层、对称、均衡开挖，不得超开挖，以保证施工的质量安全。