基于桥墩位移影响的道路下穿运营高铁方案比选分析

田佳成 TIAN Jia-cheng

（中铁上海设计院集团有限公司杭州院，杭州 310000）

0 引言

随着我国高铁运营里程的逐步增加以及城市不断的外扩发展，下穿高铁桥梁的道路工程数量不断增多。2018年4 月国家铁路局颁布的《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》（TB10182-2017）[1]（以下简称《下穿规程》）对于路基结构、U 型槽结构、桩板结构、桥梁结构等不同道路下穿方案的适用条件及限制性因素都进行了详细规定。我国高铁设计时速达到了300~350km/h，2021 年6 月国家铁路局颁布的《邻近铁路营业线施工安全监测规程》（TB10314-2021）[2]对于高铁桥墩的位移变化范围做出了严格的规定，因此各种下穿方案对桥墩的位移影响成为极其重要的比选因素。

1 工程概况

新建某道路需从既有杭深铁路某大桥的11#和12#墩之间下穿，11#和12#墩均位于淤泥质地层上，由于淤泥质地层的特性，下穿道路可能影响杭深铁路的安全性。此外，靠近12#墩有一地方防洪堤坝，本工程设计仍保留。考虑到施工作业时，需对既有防洪堤坝进行部分开挖，可能造成堤坝失稳，同步导致临近高铁桥墩发生变形，危及高铁安全运营，现场位置示意如图1。

图1 现场位置示意图

根据地勘资料，场地主要由杂填土、粉质黏土、淤泥、细圆砾土、全风化凝灰岩等组成，地下水主要为为第四系孔隙潜水。各土层力学参数见表1。

表1 地质力学参数

②-1 粉质黏土层：灰黄色，软可塑状，干强度中等，韧性中等，具中等压缩性。

②淤泥：灰色，流塑，切面较光滑，高韧性，干强度高，摇振无反应，土质不均。该层物理力学性质较差，具高压缩性。

③粉质黏土层：灰褐色，硬可塑，干强度中等，中等韧性，切面较光滑，摇振无反应，土质不均。该层物理力学性质一般，具中等压缩性。

④细圆砾层：灰黄色，颗粒呈亚圆形、中风化该层力学性质好，但层顶埋深较深。

2 方案比选

本工程下穿铁路段道路为直线，与铁路中心线夹角为80°，涉铁段总长84.0m，纵坡为0.65%，建成后铁路桥下净空＞5.7m。新建道路横断面布置为：3.0m 人行道+2.0m 非机动车道+14.0m 机动车道。

《下穿规程》中的相关规定：“下穿工程采用钻孔桩时，其与高速铁路桥梁基础桩的中心距在软黏土等不良土层时，不宜小于6 倍下穿工程桩径”、“除桥梁外，其他下穿工程结构边缘线投影不应侵入高速铁路桥梁承台”、“桥梁、桩板结构、路基护栏外侧与高速铁路桥墩的净距不宜小于2.5m”。

结合本工程地质勘察报告，由于有不良土层（淤泥层，厚约5m），且路基填方高度较高（4.0～5.0m）（《下穿规程》规定“路基填筑高度不大于1m 且地基土承载力大于180kPa 时才可采用路基方式下穿”），道路不应采用路基结构下穿既有铁路，因此对桩板结构和桥梁结构两个方案进行比选。

2.1 桩板结构

桩板结构布跨采用3×8.0m+3×8.0m+3×8.0m=72.0m（不含伸缩缝），宽度20.0m（包含两侧防撞护栏），板厚0.7m，下部结构采用φ0.8m 钻孔灌注桩[3][4]。

表2 方案比选表

桩板结构防撞护栏外边距离铁路11#桥墩边缘最近距离为3.51m, 距离铁路12#桥墩边缘最近距离为4.96m。最外侧钻孔灌注桩中心距离既有铁路11#桥墩桩中心最近为5.16m, 距离既有铁路12#桥墩桩中心最近为6.48m。

2.2 桥梁结构

由于本工程堤坝放坡处桥梁支座不能埋入土中，布跨采用1-20.0m 预应力混凝土简支梁+（15.0+25.0+15.0）m混凝土连续刚构形式。

下穿铁路段桥梁上部结构（15.0+25.0+15.0）m 混凝土连续刚构桥中支点梁高2.2m，中支点两侧各6.0m 范围梁高采用折线进行过度，跨中梁高1.0m，中支点宽度2.0m。下部结构采用φ1.2m 钻孔灌注桩。

桥梁防撞护栏外边距离铁路11#桥墩边缘最近距离为3.51m，距离铁路12#桥墩边缘最近距离为4.96m。最外侧钻孔灌注桩中心距离既有铁路11#桥墩桩中心最近为7.58m，距离既有铁路12#桥墩桩中心最近为7.44m。

3 数值模拟分析

经验法只能对施工期间及结束后的高铁桥墩位移、防洪堤坝稳定性有一个大致的判断，不能较准确地估量出具体数值，也不能考虑三维运动状态下的土体扰动行为对高铁桥墩及防洪堤坝的影响，而数值模拟方法的出现使我们对土体及上部结构物的位移变形特性的模拟变得简单。通过有限元进行分析时，主要有以下三个步骤：

①结构离散化：结构离散化就是将结构分成有限个小的单元，单元与单元、单元与边界之间通过节点连接。结构离散化是有限元分析的第一步，关系到计算精度与计算效率，是有限元的基础步骤，包括以下三个方面：选择单元类型；网格划分；节点编号。

②单元分析：通过对单元的力学分析建立单元刚度矩阵。

③整体分析：整体分析包括形成整体荷载列阵；形成整体刚度矩阵，得到总体平衡方程；引入边界条件，求解总体平衡方程，求出节点位移。

表3 12# 桥墩顶累计位移汇总

表4 提坝累计位移汇总

本次数值模拟计算分析了在考虑下穿道路上部高速铁路列车运营荷载作用下，防洪堤坝开挖、道路施工、道路运营等工况对既有杭深铁路安全运营的影响，选取下穿道路施工涉铁范围内的岩土体和结构物建立有限元计算模型。为考虑模型边界效应的影响，选取该计算模型的尺寸为：长（y 向）90m，宽（x 向）90m，高（z 向）50m，模型长、宽尺寸的选取原则是约11#桥墩和12#桥墩纵桥向距离的3倍，高度尺寸的选取原则约为钻孔灌注桩入土深度的1.5倍。模型边界条件为静力边界条件，具体为：模型底部施加完全固定约束，侧面施加法向固定约束，不施加切向约束；模型上表面为自由边界，无约束。该计算模型的土体采用修正的Mohr-Coulumb 本构模型模拟，高铁桥墩及桩基、桩板结构及桥梁结构采用弹性本构模型模拟。土体计算参数结合本工程地质勘察报告、工程地质手册及当地相关经验进行选取，取值以偏安全为原则。

为从整体上把握两个方案的实施对既有高铁的影响，结合工程地质条件等，选用有限元软件MIDAS/GTS NX 建立数值计算模型，以桩板结构下穿为例[5]，共设置了4 个工况，分别为：

①工况1：桥墩施工场地应力场平衡；

②工况2：堤坝开挖；

③工况3：桩板结构桩基施工；

④工况4：道路运营阶段荷载施加。

在本次数值计算分析中，根据施工工序将计算工况主要划分如下：首先，对施工前原场地进行初始地应力平衡计算，即初始地应力场模拟，计算得到施工前地基土体的应力与位移状态，将位移场清零；随后，钝化桥墩桩基附近土体，激活桩单元、承台单元和桥墩单元，模拟桥墩施工后的地应力场，同样保留应力状态，将位移场清零；随后进行防洪堤坝开挖，钝化需要开挖部分的单元进行模拟；然后，开展道路施工的模拟，即激活路面单元及相应桩单元；最后，激活汽车荷载模拟道路运营对桥墩及堤坝变形的影响。

堤坝开挖后有向临空面方向的位移，但在桥墩附近土体由于桥墩的自重影响，位移趋势不明显；开挖较深处回弹较大，且靠近临空面土体竖向沉降更大，受影响范围更广。

从上述比较可知，无论方案一、方案二引起的桥墩墩顶在水平位移和竖向沉降均在高铁桥墩位移（3mm）的要求范围内，但方案二桥面嵌入防洪堤坝的体积更大，即需要对堤坝的开挖量更大，引起的高铁12#桥墩墩顶位移远大于方案一引起的位移。

4 结论和建议

本文以某道路下穿高铁为例，首先介绍了《下穿规程》中各种方案的要求，然后着重阐述了“桩板结构”与“桥梁结构”在设计过程中应重点考虑的内容，最后通过有限元软件分析了两个方案对高铁桥梁的影响。

主要结论如下：

①在满足《下穿规程》相关桥墩净距、桩间距等要求的基础上，“桩板结构”与“桥梁结构”对高铁桥墩的位移影响均在控制范围；②方案比选应着重根据不同项目的控制性因素，如周围建筑物影响、造价预算等进行考虑。

图2 整体模型图