扩建道路下穿高墩大跨铁路桥梁施工影响

成科霈

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

引言

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日益增多[1]。目前铁路运输作为国家运输的大动脉，为保证铁路运营的安全性和旅客的舒适性，公路工程下穿铁路时，必须采取安全可靠的交叉方式、结构形式以及施工方法。在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，充分考虑公路建设的施工条件，对下穿设计方案进行合规性审查以及施工工况安全评估，保证铁路的变形沉降值满足规范要求[2]。

1 工程概况

1.1 公路设计概况

沿江公路现状老路为二级公路，双向两车道，设计速度60 km/h。现考虑在两侧新建侧分带，扩建人行道与非机动车道（简称人非道路），人非道路采用路基方案下穿通苏嘉甬铁路长江大桥南引桥13～14 号桥墩。一侧人非道路路基宽7.5 m，施工范围为左侧长度73 m，右侧长度101 m。道路两侧设置了SS 级防撞护栏。

1.2 路基设计概况

改造仅在现状道路外侧扩建人非道路，因此，其纵断面设计拟合老路。纵断面为直坡，坡度为-0.074 %。沿江公路横断面布置为0.5 m 土路肩+5.0 m 人非混行车道+2.0 m 侧分带+0.25 m 路缘带+7.0 m 行车道+0.5 m 双黄线+7.0 m 行车道+0.25 m路缘带+2.0 m 侧分带+5.0 m 人非混行车道+0.5 m 土路肩=30.0 m。路面布置为双向两车道。地基处理：拓宽路段地表挖除耕植土30 cm，进行原地面碾压，然后分层填筑80 cm 石灰土（6 %）至路面结构地面，压实度≮92 %。人非车道采用沥青混凝土路面结构，面层为4 cm 细粒式改性沥青混合料（Sup-13）+6 cm 中粒式改性沥青混合料（Sup-20），基层为20 cm 水泥稳定碎石，底基层为20 cm 低剂量水泥稳定碎石或厂拌冷再生水稳碎石，总厚度为50 cm。见图2。

图1 公路设计平面/m

图2 横断面

1.3 通苏嘉甬铁路概况

通苏嘉甬铁路为双线高速铁路，设计速度为250 km/h，采用有砟轨道，扩建人非道于通苏嘉甬铁路长江大桥南引桥第13 孔梁下穿越，该处为（60+100+60）m 连续梁的中孔，桥墩采用圆端形墩及矩形承台，桥墩基础均采用15 根钻孔灌注桩基础，桩径2.0 m。目前铁路下部结构与主梁已施工完成，但还未铺轨。

1.4 公路与铁路相对位置关系

沿江公路与通苏嘉甬铁路长江大桥南引桥斜交，交叉角度为52.0°。扩建人非道路边线距通苏嘉甬铁路13 号桥墩最小间距为8.86 m，距离相应承台3.8 m；距通苏嘉甬铁路14 号桥墩最小间距为20.41 m，距离相应承台14.46 m，道路净空为46.521 m。沿江公路与通苏嘉甬铁路长江大桥南引桥的相对位置关系见图3。

图3 扩建道路与通苏嘉甬铁路相对位置关系/cm

2 控制标准

2.1 墩顶位移限值

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应符合表1 规定[3]。公路下穿处通苏嘉甬铁路为有砟轨道，施工引起的墩顶位移控制值为±3 mm。

表1 墩顶位移限值/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、路基结构采用实体单元模拟，高铁桩基采用桩单元模拟。为了消除边界对计算结果的影响，模型边界均距主体工程＞30 m，有限元模型的几何尺寸是270 m×125 m×140 m（顺铁路方向×横向×高度），见图4、图5。

图4 三维模型

图5 公路与高铁桥模型

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。土体采用修正-摩尔库伦准则模拟，土体的计算参数参考地质勘察报告和相关的工程经验[4]，见表2。

表2 土层参数

3.2 施工阶段模拟

按照实际的施工步骤进行模拟，新建工程采用放坡开挖，然后现场浇筑，最后回填的施工方式，共分为6 个施工阶段，见表3。

表3 施工阶段

3.3 计算结果分析

3.3.1 施工对通苏嘉甬铁路墩顶位移的影响

路基开挖与填筑过程相当于对通苏嘉甬铁路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，进而影响通苏嘉甬铁路桥梁结构[5]。通过数值模拟，得到了通苏嘉甬铁路长江大桥南引桥12～15 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，见图6～图8。

图6 墩顶附加竖向位移

图7 墩顶附加纵向位移

图8 墩顶附加横向位移

从图6～图8 中可以看出，随着基坑的开挖，通苏嘉甬铁路长江大桥南引桥13～14 号桥墩发生向上位移，随着路基的浇筑位移逐渐向下，最后基本恢复，其中影响最大的是13 号桥墩，最大附加竖向位移为0.491 mm。基坑开挖阶段中13 号墩向小里程侧偏移，而14 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13 号桥墩，为2.3 mm。基坑开挖阶段中13 号墩向铁路右侧偏移，14 号墩向左侧偏移，产生最大附加横向位移的是13号桥墩，为1.33 mm。铁路桥梁墩高达50 m，桥墩的横向刚度大于纵向高度，所以横向变形小于纵向，而竖向位移最小，可见对于人非道路这种开挖面积与开挖深度较小的施工，桥墩竖向位移不控制，但对于高墩桥墩的水平位移影响较大。

理论分析可知，桥墩的墩顶水平位移由承台平动引起的平移位移和承台转动引起的转角位移组成，这两种情况的组合会使得高铁桥墩墩顶位移发生朝向道路方向或者远离道路方向，往往结合数值模拟计算分析得到[6]。对于高墩桥梁来说，承台转角引起的墩顶位移变化更为突出，设计中应尽量避免在高墩桥梁下开挖过深。见图9，在基坑开挖后，桩基和承台发成偏移和转角，13、14 号墩墩顶均向远离道路方向偏移。

图9 桥梁下部结构水平位移云图

3.3.2 施工对通苏嘉甬铁路桩身轴力的影响

新建道路施工完成后，由于应力扩散作用，通苏嘉甬铁路桥梁桩基桩身轴力会发生变化，计算了13～14 号墩承台下桩身轴力的增加量，其中影响最大的是13 号墩的15 号桩基，见图10。其桩身轴力增加最大为190.5 kN，发生在基坑开挖阶段，在最终施工完成后，桩身轴力增加最大的是13 号墩的1号桩基，增加值为138.9 kN，整个施工过程中增加后的桩身轴力均小于极限承载力。因此，在铁路设计时期如果有明确下穿公路规划的，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，数据见表4。

图10 分析桩位

表4 单桩承载力对照/kN

图11、图12 为长江大桥南引桥13 号墩的1 号桩基和15 号桩基桩身轴力增量在各施工阶段下随土层深度的变化曲线，可见距离新建道路最近的1 号角桩在基坑开挖时桩身轴力出现负增长，与此阶段桥墩竖向位移向上变化吻合。随着路基的回填，桩身轴力出现正增长，受应力扩散作用以及地质情况大约桩基顶部以下45 m 左右轴力变化最为明显。距离新建道路最远的15 号角桩桩身轴力与1 号桩规律大致反向，即桩身轴力先出现正增长，后出现负增长，桩基顶部轴力变化最明显。基坑开挖阶段对桩身轴力的影响最为显著。

图11 1 号桩身轴力增量

图12 15 号桩身附加竖向位移

3.4 路堤填土对铁路的影响

路堤形式修建的道路，其加载对高铁桥梁桩基影响见图13。

图13 路堤填土荷载作用下桩土相互作用

软弱土层在填土荷载作用下会产生侧向挤出变形和沉降，对高铁桥梁桩基的影响主要表现：（1）桩周土的沉降会使高铁桥梁桩基上部承受负摩阻力的作用；（2）高铁桥梁桩基在两侧土压力差的作用下发生远离道路方向的水平位移，这两种影响往往同时存在，并相互作用[7]。

图14、图15 研究了桥梁墩顶和桩顶水平和竖向位移随填土高度变化的规律，随着填土高度的增加，墩顶和桩顶的水平、竖向位移均增大，其中墩顶竖向位移较小，墩顶水平位移较大，成为影响铁路安全的关键。墩顶的水平位移随填土高度的增长率大于桩顶水平位移的增长率，说明了墩高对水平位移的扩大效应。

图14 桥梁墩顶和桩顶水平位移随填土高度变化

图15 桥梁墩顶和桩顶竖向位移随填土高度变化

当填土高度为1 m 时，墩顶水平位移达到了1.71 mm，接近于《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》（TB 10314—2021）[8]中规定的墩台位移预警值1.8 mm；当填土高度为1.5 m 时，墩顶水平位移达到了2.41 mm 超过规范[8]规定的报警值2.4 mm，说明高铁桥下路堤填土高度不宜超过1 m。

4 结语

（1）扩建道路施工过程引起的通苏嘉甬铁路桥墩墩顶附加竖向位移最为明显，最大值为2.3 mm，小于变形控制值3 mm。（2）受扩建道路的影响，通苏嘉甬铁路桥梁桩基桩身轴力增加最大为190.5 kN，但增加后的桩身轴力仍小于极限承载力，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）对于高墩大跨铁路桥梁来说，墩高是影响墩顶水平位移的重要因素，墩顶水平位移随着填土高度的增加而增大，路堤填土不宜超过1 m。（4）通过计算分析可知，扩建道路施工对通苏嘉甬铁路的影响较小，均满足要求，产生的风险等级在可控制区间以内，故扩建道路下穿通苏嘉甬铁路长江大桥南引桥方案总体可行，实施风险可控。（5）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，建议基坑施工尽量分区、分层、对称、均衡开挖，不得超开挖，以后保证施工的质量安全。