高速公路下穿高速铁路桥梁方案研究

黄光强

（中铁四院集团南宁勘察设计院有限公司，高级工程师，广西 南宁 530003）

0 引言

随着各地交通建设快速发展，高速铁路网、高速公路网正逐渐形成，高速公路与高速铁路交叉逐渐增多，这些交叉影响着高速公路走向、平纵断面、工程投资等多个方面。公铁交叉下穿铁路桥梁结构形式，一般有桥梁下穿、桩板结构下穿、U 形槽和框架结构下穿、路基下穿及隧道下穿几种形式［1］。采取不同的下穿结构，施工及运营对铁路的影响、工程投资等有较大差别，一般需根据具体工程情况进行分析对比确定。为保证高速铁路运营安全，下穿结构的选择往往又是工程方案能否通过铁路部门审批及顺利实施的关键因素。众多技术人员对下穿结构进行研究，湛敏［2］等研究了高速公路采用桥梁结构、桩板结构及路基+半U 形槽复合结构下穿高速铁路桥梁方案，张俭［3］研究了市政道路采用U 形槽结构和桥梁结构下穿高速铁路桥梁方案，杨红春［4］研究了桩板结构和低填路基结构方案对下穿高速铁路桥梁的影响。这些研究大多数是针对工程地质条件较差的地基进行，对于工程地质条件较好、填筑高度超过1.0m 的路基下穿方案研究较少，本文通过对某高速公路下穿高速铁路桥梁方案研究，分析桥梁下穿与填筑高度超过1.0m 的路基下穿方案的优缺点及其对铁路桥梁的影响，为今后类似工程提供设计参考方案。

1 工程实例

1.1 工程概况

某新建高速公路与柳南客专、南广铁路交叉，交叉点处柳南客专与南广铁路为平行布置，两条铁路间距为12.3m，均为一座双线特大桥，交叉范围内桥梁上部结构为跨度32m 简支箱梁，下部结构为实体桥墩，基础为明挖扩大基础或钻孔桩基础。高速公路设计为双向四车道，设计速度120km/h，整体式路基宽26.5m。柳南客专和南广铁路均为时速250km/h国铁Ⅰ级双线电气化铁路，有碴轨道。受下穿处铁路桥孔宽度的限制，高速公路由整体式路基改为分离式路基，分左右两幅，每幅宽13.25m，分别从柳南客专某桥152#～154#墩及南广铁路某桥153#～155#墩之间的桥孔穿越。公路平面为半径1800m的平曲线，公路左线设计线与南广铁路中心线交角为67°16′26″，右线设计线与南广铁路中心线交角为67° 12′52″ 。纵断面设计桥下路基填筑高度在1.5m～2.5m 之间。设计路基边缘距离最近的桥墩（南广铁路153#墩）边缘为4.08m，满足路基护栏外侧与高速铁路桥墩的净距不宜小于2.5m 的要求［1］。涉铁段设计范围为YK106+950～YK107+040 段，总长90m。平面设计图如图1所示。

图1 平面设计图

1.2 工程地质条件

根据勘探资料，下穿段场地范围内地层从上至下为：

（1）第四系全新统人工填土（Q4ml）：杂填土，松散，层厚0.5m～2.0m。

（2）第四系全新统残积层（Q4el）：红黏土，硬塑，层厚1.10m～5.90m，连续分布，承载力特征值fa0=180kPa。

（3）第四系全新统残积层（Q4el）：红黏土，软塑，层厚1.0m～5.00m，局部分布，承载力特征值fa0=90kPa。

（4）石炭系上统（C3）灰岩：微风化，连续分布，末揭穿，承载力特征值fa0=4000kPa。

1.3 下穿结构方案研究

根据现场地形、地质情况，下穿结构选择桥梁下穿和路基下穿两个方案进行研究。

（1）桥梁下穿。根据规范［1］，非岩石地基且高速铁路桥下净空满足设置桥梁条件时，应优先采用桥梁下穿；采用桥梁下穿时，结构两端距离铁路桥梁水平投影外侧的垂直距离不应小于20m。本工程中，交叉处桥下净高约为11.6m，高速公路要求通行净高为6.0m，桥下净空满足桥梁下穿的条件。根据铁路桥梁宽、公铁交叉交角、新建公路桥梁桩基与既有铁路桥梁桩基距离及铁路桥梁底下不能设置桥墩等相关要求，拟定公路桥梁孔跨布置为（20+35+20）m，墩台径向布置。桥梁上部结构选用小箱梁，简支结构，桥面连续。下部结构墩台均采用桩接盖梁形式，基础采用直径为1.5m 的桩基础，桩间距7.0m。设计桩基距离最近的铁路桥墩桩基最小距离为6.9m，满足规范［1］良好土层，不宜小于4倍下穿桩径要求。小箱梁采用场地预制，架桥机架设施工，桩基采用旋挖钻施工，避免采用冲击钻施工。为满足公路桥梁日常维修保养工作，梁底设置不小于1.5m 高的检修净空，故桥面高程比路基方案需抬高2.0m 以上，桥面以上净高不足8.0m。桥梁下穿横断面设计图如图2所示。

图2 桥梁下穿横断面设计图

（2）路基下穿。下穿结构采用填筑路基方案，铁路桥下最大填筑高度约2.5m。路基边坡坡率设计为1：1.5，边坡采用方格型灌草护坡。为保证路基坡脚边缘不侵入铁路桥墩承台或扩大基础边缘，避免填土高差过大造成对桥墩的偏压，在左线ZK106+993～ZK107+033 段左侧、右线YK106+955～YK106+995 段右侧设置桩板墙，桩截面尺寸为1.0×1.25m，桩间距5.0m，桩间设厚0.30m 现浇挡土板。桩采用人工挖孔桩，以减少施工对铁路桥梁的影响。两幅路中间采用填土对称分层回填，避免偏压。右线YK106+960～YK107+030 段局部分布软塑状红黏土软弱下卧层，为保证路基强度及稳定，需对软弱下卧层进行加固处理。考虑到场地位于铁路桥下，受施工净空限制，采用旋喷桩加固。杂填土层采用挖除换填方式处理。为保证路基填筑质量，路基填料采用级配良好的碎石分层碾压填筑。为降低路基填筑对铁路桥梁的影响，路基及路面结构层碾压不得采用重型振动碾压设备［1］，采用静压施工。路基下穿横断面设计图如图3所示。

图3 路基下穿横断面设计图

（3）方案比选。从对铁路桥梁影响大小、施工难易程度及工期长短、经济性等方面进行方案对比分析。

①对铁路桥梁影响大小。桥梁下穿方案由于新建桥梁桩基距离既有铁路桥梁桩基大于4倍新建桩直径且地质土层良好，根据相关研究，此种情况下桩基钻孔施工对铁路桥梁影响很小，可以忽略不计；高速公路运营通过桩基将公路车辆荷载以及桥梁结构自重荷载直接作用到基岩上，几乎对铁路桥梁不产生影响。

路基下穿方案由于地基加固、路基填筑施工及公路运营都会对铁路桥梁产生一定的附加应力，引起铁路桥梁结构产生变形，会对铁路桥梁产生一些不利的影响，经计算分析影响大小是在规范允许的范围内。

②施工难易程度及工期长短。桥梁下穿方案由于桥梁平面位于曲线上，墩台径向布置，因此每一片小箱梁的预制长度都不一样，且外侧的小箱梁翼缘板宽度也不一致，造成小箱梁预制比较麻烦，难度加大；同时由于桥面以上净高不足8.0m，常规架桥机架梁时净高不足，无法使用，需要改造或采用特制架桥机方可满足架梁净空要求，增加了架梁的难度。桥梁施工技术要求高，施工难度较大。经综合分析，桥梁下穿方案施工工期需要约7～8个月。

路基下穿方案由于旋喷桩施工、桩板墙人工挖孔桩施工、路基路面填筑碾压施工均为常规施工工艺，技术要求较低，施工较简单。经综合分析，路基下穿方案施工工期需要约3～4个月。

③经济性。经济性对比分析，不但需要考虑工程费用，还需要考虑各种涉铁费用如施工配合费、监测费、管理费等，桥梁下穿方案还应考虑梁场建设费、梁的运输费，架桥机改造费以及由于桥面高程抬高造成涉铁段以外的路基填高和征地增加产生的费用等。经计算，桥梁下穿方案投资约为2800 万元，路基下穿方案投资约为980 万元，路基方案投资仅为桥梁方案的35%左右。

综上分析，桥梁下穿方案较路基下穿方案对铁路桥梁影响较小，但施工难度较大且工期较长，投资较大。经综合分析对比，推荐采用路基下穿方案。

2 数值模拟分析计算

由于路基下穿方案中路基填筑高度在1.5m～2.5m 之间，已经超出规范［1］允许的填筑高度，应进行专项论证，采用数值模拟分析计算进行论证，以确保铁路运营安全。

2.1 建模

下穿结构计算模型建立应能反映实际结构的受力状态，工程上一般采用包含地基和结构的三维网格模型作为主要分析手段。本次分析采用Midas GTS 软件建立地层及铁路桥、新建下穿道路有限元模型，对路基施工及公路运营导致铁路桥墩产生的变形进行模拟分析计算。模拟土体本构模型采用M-C 模型，路基桩板墙结构、铁路桥墩结构采用线性弹性模型，其中桩板墙桩基、铁路桥墩桩基采用植入梁单元模拟，挡土板采用板单元模拟，其余的采用实体单元模拟。选取沿铁路桥纵向长100m，横向宽90m，深60m 的地层建模，模型共87533 个节点，485474 个单元。模型采用位移边界作为边界条件，除上表面为自由边界外，模型左右边界限制水平方向位移，模型底面限制水平方向和垂直方向位移。

整个模拟过程共分五步骤：

①模型在初始地应力下平衡；

②公路路基地基处理（清除松散杂填土、旋喷桩加固施工）；

③公路路基桩板墙施工；

④公路路基填筑及路面施工；

⑤公路运营阶段。

计算参数：

路面结构恒载沥青砼换算为路面均布荷载18.72kN/m2；公路荷载采用公路-Ⅰ级，换算成均布荷载为10.5kN/m2。地层参数按地勘资料及相关资料取值，详见表1所示。

表1 地层参数取值表

计算模型图如图4所示。

图4 计算模型图

2.2 数值模拟计算结果及分析

（1）桥墩墩顶纵向最大位移结果如图5 所示，横向最大位移结果如图6 所示，竖向最大位移结果如图7所示。

图5 墩顶纵向最大位移图

图6 墩顶横向最大位移图

图7 墩顶纵向最大位移图

各墩顶最终变形数据如下表2所示。

表2 各墩顶最终变形数据表 单位：mm

从上表可知，路基施工及公路运营期间，柳南客专产生的最大纵向位移为0.061mm，在154#墩；最大横向位移为0.042mm，在154#墩；最大竖向位移为0.141mm，在153#墩。南广铁路产生的最大纵向位移为0.073mm，在153# 墩；最大横向位移为0.047mm，在153#墩；最大竖向位移为0.14mm，在154#墩。所有桥墩墩顶位移值均小于规范［1］墩顶位移控制标准值3mm 的要求，说明路基下穿结构施工及公路运营引起的铁路桥墩变形是满足相关规范要求。

3 施工监测

施工监测按规范［1］规定进行，在桥墩墩身各布置4 个监测点，墩顶2 个，墩底2 个。施工实施前预观测一周，采集首期观测值，施工期间每天观测不少于4次，竣工1个月内每天观测不少于2次，竣工1个月后根据监测数据收敛情况确定是否继续监测。

该工程于2019 年建成通车，根据施工及运营期间监测数据，铁路桥梁结构观测变形值与数值模拟分析计算结果基本一致，最大相差不超过15%。

4 结论

高速公路下穿高速铁路桥梁方案选择应结合工程特点、地形、地质条件综合分析对比确定，当地质条件较好，地基承载力满足要求时，采用填筑高度超过1.0m 的路基下穿方案是可行的，路基填筑施工及公路运营引起铁路桥墩变形是满足相关规范要求。采用Midas GTS 软件建立三维有限元模型，对下穿结构施工及运营进行模拟分析计算所得结果与实测数据基本吻合，比较符合实际。