公路下穿桥梁安全性评估研究

李花磊

（山东金衢设计咨询集团有限公司 山东 济南 250014）

0 引言

由于经济发展的需要，公路与铁路发展迅速，出现了较多铁路与公路互相交叉穿越的情况，通常情况下，为了确保铁路的正常使用和结构稳定性，大部分公路以下穿铁路的形式进行修建[1]。与此同时，铁路作为我国重要交通工程，承担着绝大部分的货物运输和人们出行工作，促进了城市之间的交流和发展，所以为了保证铁路运行通畅和稳定，对铁路桥梁的变形有十分严格的要求，尤其是下穿工程对临近铁路的影响更是重中之重[2-3]。很多学者也对此进行深入研究。孙宗磊[4]以石家庄到济南客运专线为研究对象，对桥梁变形自动化监测和临近高铁线间距的选择进行研究，给临近既有铁路的建设提供指导。姜海君等通过建立有限元模型，对既有高铁线路受到下穿工程的影响进行精确计算。

基于此，为了进一步掌握下穿现有高铁桥梁工程施工对现有桥梁的稳定性的影响，通过数值仿真计算的方式对桥墩竖向变形值进行计算，评估了施工过程的安全风险，并根据实测数据反演调整模型，提高预测精度，同时根据配重调控法对施工过程进行动态控制，给相关工程提供借鉴。

1 项目概况

380km/h 为某高铁桥梁设计速度，上部结构选择了30m 的预应力混凝土简支箱梁，设计类型为无砟轨道，高14m 的双线圆端形实体墩为桥墩类型。桩基础我为基础类型，8m×12m×3m 为其128~130 号墩承台的尺寸，12m为其埋深，各墩都使用了9 根长度为40m 的钻孔桩；7.2m×10.2m×2.6m为125~127、131~133号墩承台尺寸，1.9m为其埋深，各墩都使用了9 根长度为38m 的钻孔桩。

拟在桥梁下部建造一条高速公路，与现有桥梁程62°斜交，拟选则2 孔框构分幅斜交下穿。20.4m 为单幅框构总宽，9.5m 和1m 分别为侧墙高度与厚度，0.7m 为其和桥墩最小净距。施工进程共有5 个阶段，依次为开挖南侧工作坑→框构主体的浇筑→附加压重荷载→顶进框构→施工开挖北侧引道，在施工时下穿工程土方开挖量为1×106m3，最大挖掘深度和最大影响范围分别为10m 和250m。因为工程开挖量和影响范围均较大，有可能会对现有高铁桥梁的稳定性和安全性造成影响，所以要对其施工安全性进行评估，保障工程安全。

2 评估技术

在识别安全风险的过程中，采用专家调查法、风险交流法进行定性分析，再通过数值仿真分析法对安全风险进行定量评估。同时通过专家调查法、风险交流法得出现有高铁桥梁受下穿工程施工过程里可能存在3 项风险，分别为顶进路径冲突风险、框构姿态失控风险以及基坑坍塌风险，定性分析这3 项风险同时提出防治措施。

2.1 评估结构安全性的方法

为了得出现有高铁桥梁受下穿工程的影响程度，通过数值仿真分析法对安全风险进行定量评估，桩基承载力、变位变形以及基本构造为具体评估内容。

2.2 评估结果

根据相关规范评估基本构造：桥墩和下穿公路行车道最外侧的最小距离为2m，桥墩和框构最外侧的净距最小为0.7m，部分承台被框构主体占压，2.6m 为占压宽最大值，构造物距离达到了当前规范标准。选择压重顶进法进行施工，无须搭建大型设备的临时施工措施，达到铁路安全要求。

根据相关规范评估桥梁结构变位与变形：通过有限元软件构建道路下穿高铁桥梁桥墩工程的模型，340m×340m×80m 为模型尺寸，选择桩单元模拟桩基；选择板单元模拟围护桩和防护桩；选择实体单元模拟高铁桥梁桥墩；框构顶压重荷载、路面荷载以及桥墩的上部荷载的加载方式均选择均布荷载的形式进行模拟。通过计算，能够得到桥梁桥墩竖向变形受下穿工程的影响程度，如图1所示。

图1 桥梁桥墩竖向变形受下穿工程的影响程度

从图1 中能够看出，因为土体卸载后会出现回弹现象，下穿工程施工时开挖土体会造成桥墩处发生隆起变形。在南侧工作坑施工时期，隆起变形值达到0.707 mm；隆起变形在施工压重荷载施加阶段和主体框构浇筑阶段有所减少，但是幅度不大；隆起变形值在施工进行框构顶进阶段时，快速提高到3.186 mm，并在施工进行到北侧引道开挖阶段时增加到最大值，为5.484 mm，隆起变形最大处为129 号墩。-11 mm 为原设计中此处桥墩的沉降值，叠加经过下穿工程后的沉降值后为-5.518 mm，符合《高速铁路设计规范》里要求的沉降值不超过20 mm 的要求。

表1 为叠加原设计中相邻桥墩的沉降差异值与经过下穿工程后相邻桥墩变形差异值后的结果。从表1 中能够看出，因为下穿工程导致的桥梁竖向变形最大差异的部位为130-131 墩号之间，达到-2.997 mm，处在《高速铁路设计规范》里要求的-5 mm~5 mm。通过同样的方法对横向与纵向变形进行评估，得出的结果都达到规范标准。

表1 评估后差异沉降值

根据相关规范评估桩基承载力：表2 为下穿施工影响桥梁桩基承载力叠加后的评估结果。从表2 中能够看出，考虑了下穿施工所产生的影响，已有高铁桥梁单桩承载力最大值是7773 kN，处于容许承载力以下，因此桩基承载力达到了规范标准。

表2 评估后桥梁桩基承载力

3 施工过程中变形动态控制技术

3.1 自动化变形监测系统

完成施工精细化监控的前提是具有高精度、高频次的自动化实时监测计算系统。这次研究中通过自制监测系统对工程进行动态监测。该系统主要包括布设底层传感器，对数据进行自动采集、储存、传输和可视化，实现动态监测、监测数据的远程查询，同时能够自动形成监测报告，对施工过程进行安全评估和管理，能够监测铁路桥涵等工程的变形。其中，选择50 mm 量程的振弦式静力水准仪作为传感器，±0.05 mm 为其测试精度，测试前要调整传感器信号并转换其模数，通过以太网将信号输送至中心服务器，让使用者可以通过手机、电脑等设备进入系统来查看现场测量数据。

3.2 变形动态控制方法

在设计阶段建立下穿工程与已有高铁桥梁的分析模型，并对高铁桥梁受到下穿工程的影响而出现的变形进行计算，确保已有高铁桥梁在下穿工程施工时和施工完毕后所产生的变形在合理范围内。

施工下穿工程期间，当施工到某个阶段时，要评价其施工状态和安全性。评价时主要包括2 个方面：第一个方面，对比控制值和监测值，保证监测值处于控制值范围内；第二个方面，对比该施工阶段内的理论值和检测值，计算理论值和检测值间的误差，另外，从测量、施工、管理、模型等方面来分析对产生误差的原因。

以监测数据为基础对计算模型的参数进行反演和修正，其中可选择工程类比法、最小二乘法和试算法来对参数进行反演。

通过修正后的模型来预测不同施工阶段的变形值，当所得预测值大于控制值时，要采取相应的措施进行调整，保障施工安全和稳定。具体调整措施可选择工序调整法、压重平衡顶推法和堆载法等。

3.3 变形动态控制技术

以开挖南侧工作坑顶进施工为例，以此来对变形动态控制技术进行介绍。97.8m×71.7m×10m 为为南侧基坑长×宽×高。22.64m 和24.72m 分别为现有高铁桥梁130 号、131 号墩承台和该基坑的最小净距。南侧基坑开挖工程施工基本结束时，2.8mm 和0.72mm 分别为桥墩竖向变形的实测值和设计预测值，两者间差距较大，误差较大。对此展开分析，认为造成此误差的主要原因是现场实际土体参数和实验室测出的土体参数有一定差距。通过实测数据校验计算模型并对土体参数进行修正，图2 为修正后桥墩竖向变形实测值和计算值的比较结果。从图2 中能够看出，南侧基坑开挖施工时期竖向变形实测最大值为2.8mm，模型计算所得竖向变形最大值为2.63mm，实测值和计算值较为接近。通过修正后的模型来预测变形值，高铁桥墩在施工全部桥下堆载配重前后的变形值比较图如图3 所示。从图3 中能够看出，桥下堆载反压能够在一定程度上减少桥墩基础的隆起值，缓解隆起状态，其中最显著部位位于131 号墩，处在堆载中心部位，0.96mm 为此处的隆起减小值。

图2 桥梁130 号桥墩竖向变形受下穿工程的影响程度

图3 桥梁131 号桥墩竖向变形受下穿工程的影响程度

在之后的顶进施工阶段内，以实测数据为基础，继续开展参数反演、修正模型和预测工作，根据配重调控法对施工顺序进行合理地调整，保障施工过程安全，保证现有高铁桥梁的稳定性。该下穿工程建成通车使用3 个月后，2.71 mm 为相邻桥墩差异沉降累计最大值，符合规范标准，同时轨检车检查合格，对无砟轨道平顺性行进检测，也已经达到使用标准。

4 结论

为了掌握下穿现有高铁桥梁工程施工对现有桥梁的稳定性的影响，通过数值仿真计算的方式对桥墩竖向变形值进行计算，并与实测数据进行对比，主要得出以下2 个结论：1）在南侧工作坑开挖阶段，隆起变形值达到0.707mm；隆起变形在施工压重荷载施加阶段和主体框构浇筑阶段时有所减少；隆起变形值在施工进行框构顶进阶段时，快速提高到3.186mm，并在施工进行到北侧引道开挖阶段时增加到最大值，为5.484mm，隆起变形最大处为129 号墩。2）下穿工程导致的桥梁竖向变形最大差异的部位为130-131 墩号之间，达到-2.997mm，处在《高速铁路设计规范》里要求的-5mm~5mm；7773kN 为现有高铁桥梁单桩承载力最高值，未超过容许承载力，桩基承载力达到了规范标准。3）通过变形动态控制技术进行预测时，得出南侧基坑开挖施工时期竖向变形实测最大值为2.8mm，模型计算所得竖向变形最大值为2.63mm，实测值和计算值较为接近；在之后的顶进施工阶段内，以实测数据为基础，继续开展参数反演、修正模型和预测工作，根据配重调控法对施工顺序进行合理调整，保障整个施工过程安全，提高现有高铁桥梁的稳定性。