市政明挖路基下穿既有高速铁路桥梁的影响

2023-07-30张文杰

铁道建筑 2023年6期

张文杰

沧州港务集团有限公司，河北沧州 061113

随着城市交通快速发展，市政道路和高速铁路交叉现象越来越常见。市政道路一般以下穿形式穿越既有高速铁路桥梁。众多学者对道路下穿高速铁路桥梁引起的变形和加固措施进行了研究。吕昌怀等［1］通过分析济南市双线明挖隧道与盾构隧道先后下穿铁路桥梁位移变化规律，得出隔离桩对变形的控制效果明显。蔡汉等［2］以恩施市一改扩建市政道路下穿沪蓉高速铁路桥梁为例，分析得出市政道路以桥梁形式穿越能够有效控制高速铁路桥梁的沉降。张俭［3］对清远市迎龙大道下穿京广高速铁路方案进行比选，得出道路以桥梁形式下穿方案较优。孙健等［4］对太仓市某城市主干路下穿沪通高速铁路方案进行比选，得出地基换填方案比道路以桩板结构形式通过方案更加经济合理。吉军立［5］对蚌埠市胜利东路下穿蚌南联络线方案进行比选，得出道路以桥梁形式下穿能够有效控制既有铁路桥梁的沉降量。李刚［6］对京港澳连接线下穿武广高速铁路方案进行比选，得出以桥梁形式下穿对既有铁路影响较小。邓称意［7］以某城市道路下穿现有广深港高速铁路和在建赣深高速铁路为例，从规划、工程管理和工程设计三个方面进行探讨，给出道路下穿高速铁路工程需要重点关注的内容。苗超［8］从可行性、工程投资、排水和后期维护四个方面对池州长江公路大桥接线与宁安城际铁路交叉方案进行了比选，得出桩板桥梁下穿方案较优。

本文以南宁市新建市政道路下穿既有高速铁路桥梁为例，采用数值模拟方法分析市政道路以路基形式下穿既有高速铁路时，不同施工方案对既有高速铁路桥梁和路基的影响。

1 工程概况

1.1 既有高速铁路桥梁和路基情况

新建南宁市市政道路下穿既有贵阳—南宁高速铁路桥梁，两者交角约53°55'，见图1。下穿处断面见图2。

图1 新建市政道路与既有高速铁路相对位置

图2 市政道路下穿既有高速铁路处断面（单位：m）

既有高速铁路桥梁的0#台、1#墩、2#墩、3#台在新建市政道路范围内。既有高速铁路0#台侧铁路路基基底已采用桩板结构加固，3#台侧铁路路基基底已采用CFG（Cement Flyash Gravel）桩复合地基加固。

既有高速铁路路基面以上铺设钢筋混凝土轨道板。既有铁路桥梁墩身、承台和桩基均为钢筋混凝土结构。

铁路桥梁0#台、3#台的承台均厚2.5 m，分别设置9根直径1.25 m的钢筋混凝土钻孔灌注桩，0#台、3#台桩长分别为24、22 m；1#墩和2#墩的承台均厚2.0 m，分别设置8根直径1.00 m的钢筋混凝土钻孔灌注桩，1#墩、2#墩桩长均为19.5 m。

1.2 地层岩性

工程场地上覆土层为第四系素填土、黏土、下伏地层为古近系渐新统南湖组湖积强风化粉砂质泥岩和弱风化粉砂质泥岩。黏土呈硬塑状，具强胀缩性。强风化粉砂质泥岩呈硬塑 ~ 坚硬状，具中等胀缩性。边坡开挖后在风化作用下这两层易形成胀缩裂隙引起边坡失稳。弱风化粉砂质泥岩呈坚硬状，抗剪强度高，自立性较好。

2 新建市政道路下穿形式的选择

TB 10182—2017《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》中规定：地基土基本承载力大于180 kPa且路基填筑高度不大于1 m时，可采用路基方式下穿。根据该工程地质详勘资料，路面以下黏土基本承载力大于180 kPa；市政道路路面低于地面线，以挖方形式通过，满足填筑高度不大于1 m的要求。因此，市政道路可采用路基形式下穿既有高速铁路。

3 数值模拟

3.1 模型的建立

按实测地形图建模，高速铁路边界距离基坑边界按3倍基坑深度考虑，原地面以下深度不小于60 m。

根据既有高速铁路竣工资料，既有桥梁顶部支座力以面荷载形式施加于桥梁墩台上。从铁路左线的左侧43 m至右侧35 m范围内，沿新建市政道路外边缘设置钢筋混凝土单排钻孔桩防护；钻孔桩的桩间距2.0 m，桩径1.5 m，顶部设置冠梁连接。根据TB 10182—2017规定：在软黏土及饱和粉砂、细砂等不良土层中，道路下穿工程采用钻孔桩时，钻孔桩与高速铁路桥梁桩基中心距离不宜小于6倍下穿工程桩径。本工程部分地层虽具有胀缩性，但钻孔桩范围内胀缩性岩土未与大气接触，故其胀缩性对工程影响较少。为减少施工对高速铁路既有桩基的影响，新增单排钻孔桩距离既有铁路桥梁钻孔灌注桩中心最小距离（9.2 m）仍按不小于6倍桩径（6 × 1.5 m）控制。单排钻孔桩防护范围以外采用素混凝土重力式挡土墙。为避免路面以下换填填料施工时振动碾压对高速铁路产生影响；从铁路左线的左侧25 m至右侧30 m范围内，市政道路路面以下换填泡沫轻质土，该范围以外路面以下换填常规路基填料。钻孔灌注桩冠梁顶部以上边坡采用锚杆框架梁和植物防护。既有高速铁路桥梁墩台附近边坡采用土钉墙加固。计算模型见图3。

图3 计算模型

3.2 计算参数确定

排桩、冠梁、既有铁路桥梁承台和桩基、重力式挡土墙、高速铁路轨道板和市政道路沥青混凝土路面均采用线弹性本构模型［9］。岩土体采用修正摩尔库伦本构模型［10］。结构物和岩土体计算参数分别见表1、表2。

表1 结构计算参数

表2 岩土体计算参数

3.3 施工方案

路基填料的换填分别采用大范围开挖后回填（方案1）和分区随挖随填（方案2）两种施工方案。

方案1施工步骤：①初始地应力平衡；②修建既有高速铁路，位移清零；③开挖边坡土体至路面标高，施工边坡锚杆、排桩和铁路桥梁0#、3#台附近土钉墙；④开挖路基至道路底面；⑤大范围开挖路基至换填层底面；⑥大范围换填路基填料；⑦填筑路面。

方案2施工步骤：①—④同方案1；⑤从铁路左线左侧25 m至右侧30 m，市政道路路面以下，分区开挖，随挖随填泡沫轻质土；⑥从道路设计起点至左线左侧25 m，从左线右侧30 m至道路设计终点路面以下，分区随挖随填常规路基填料；⑦填筑路面。

3.4 计算结果分析

两种方案桥梁墩台累计沉降对比见图4。可知：方案1和方案2中第③—第⑤步开挖卸荷后0#台、1#墩、2#墩、3#台均出现一定程度的上拱。方案1和方案2在第⑦步由于路面加载，0#台、1#墩、2#墩、3#台均出现一定程度的沉降。

图4 两种方案沉降对比

完工阶段既有高速铁路桥梁桩基轴力见表3。可知：两种方案桥梁桩基轴力均小于按TB 10093—2017《铁路桥涵地基和基础设计规范》［11］计算的容许值，满足要求。

表3 完工阶段既有高速铁路桥梁桩基轴力

不同方案下路基施工完成后既有高速铁路桥梁地段和路基地段累计位移对比见表4。竖向位移为负表示沉降；横向位移为正表示向大里程方向移动。可知：①不同方案下既有高速铁路桥梁和路基地段累计沉降均小于2 mm的规范限值［12］。②方案1桥梁地段2#墩和3#台累计位移均小于方案2，故2#墩和3#台处先大范围开挖路基至换填层底面后，再填筑路基填料，有助于减少工后位移。③方案1桥梁地段0#台累计位移和路基地段最大累计位移均大于方案2，因此临近0#台和路基地段应采取分区随挖随填方式施工，避免初始应力释放过快，加大对既有高速铁路的影响。④对于1#墩，方案1水平位移大，方案2竖向位移大。2个方向的位移均小于规范限值。