某新建鐵路下穿京津城際鐵路的連續板橋設計及安全分析

閆阿利

（中國鐵路設計集團有限公司，天津市 300142）

0 引言

隨著我國經濟建設的高速發展，截至2016年底，我國鐵路營業里程已達12.4萬km，其中高速鐵路達2.2萬km，已經建成世界上最現代化、最發達的高速鐵路網。高速鐵路的大規模建成通車，既方便了乘客快捷出行，也同步提出了既有高速鐵路與新建工程的交叉問題。按照高速鐵路的規定要求，新建工程與高速鐵路的交叉一般采用下穿方案，對于下穿凈高受限的既有高速鐵路的橋梁工程是否滿足高鐵運營安全的要求就成了一個必需解決的問題。

1 工程概況

某新建單線電氣化鐵路在京津城際鐵路永定新河特大橋463～464#墩之間下穿通過，與京津城際交叉角度為65°35′（見圖1），交叉處京津城際橋梁梁底至地面高度為9.6 m，下穿的鐵路凈高要求6.55 m。京津城際鐵路永定新河特大橋為設計速度目標值350 km/h的雙線橋，463～464#墩之間為32 m簡支箱梁，橋墩采用雙線流線形圓端實體橋墩，基礎采用10根1.0 m鉆孔灌注樁，樁長45～46 m，承臺尺寸7.1 m×10.4 m×3.0 m。詳細設計參數見表1。

圖1 新建鐵路與京津城鐵路平面關系圖

表1 京津城際永定新河特大橋462～465#墩基礎設計參數表

對于下穿京津城際鐵路的工程措施，設計通過路基、橋梁的技術經濟比較后，排除了對京津城際鐵路沉降影響過大的路基方案，采用設置18.5 m+14 m+18.5 m三跨連續板的橋跨結構下穿京津城際。

2 主要技術標準和建筑材料

2.1 主要技術標準

（1）鐵路等級：國鐵Ⅰ級單線；

（2）軌道類型：有砟軌道；

（3）速度目標值：120 km/h；

（4）設計荷載：中-活載；

（5）設計使用年限：100 a

（6）地震動峰值加速度：0.15 g；

（7）環境類別及作用等級：氯鹽侵蝕環境，作用等級L2。

2.2 主要建筑材料

（1）混凝土：連續板、橋臺、承臺、樁基均采用C45混凝土；

（2）鋼筋：HRB400和HPB300鋼筋。

3 連續板結構構造和設計

下穿京津城際的鐵路橋梁采用18.5 m+14 m+18.5 m三跨連續板結構，邊跨跨中板高1.0 m，中跨跨中板高1.5 m，支點處局部加高至2.0 m，板頂寬7 m，板底寬5 m，梁部采用支架現澆施工，基礎采用4根1.0 m鉆孔灌注樁，橋臺與橋墩的樁長分別為38 m、47 m，兩邊孔梁底距離京津城際承臺頂面0.5 m左右，連續板承臺與京津城際承臺最小距離2.72 m。圖2為橋梁立面布置圖，圖3為連續板橋面布置圖。

圖2 橋梁立面布置圖(單位：cm)

圖3 連續板橋面布置圖(單位：cm)

3.1 主要設計參數[1-4]

（1）恒載

結構自重：按《鐵路橋涵設計基本規范》（TB 10002.1—2005）第 4.2.1 條取值，采用 25 kN/m3。

二期恒載：包括線路設備、道碴、擋碴墻、電纜槽、防水層和保護層等重量，按104 kN/m計算。

混凝土收縮徐變：按不同施工階段考慮混凝土的徐變效應，按降溫15℃考慮混凝土的收縮效應。

基礎不均勻沉降：10 mm。

（2）活載

列車活載：中-活載；動力系數采用1.19。

橫向搖擺力：取100 kN的集中荷載作用在最不利位置，以水平方向垂直線路中心線作用于鋼軌頂面。

離心力:按照《鐵路橋涵設計基本規范》（TB 10002.1—2005）第4.3.6條計算，離心力水平向外作用于軌頂以上2.0 m處。

人行道荷載：按《鐵路橋涵設計基本規范》（TB 10002.1—2005）第 4.5 條取值，采用 4.0 kPa。

（3）附加力

制動力或牽引力：按《鐵路橋涵設計基本規范》（TB 10002.1—2005）4.3.7條計算。

風力：風壓強度W按所在地區取1.1 kPa。

溫度作用：按整體升溫15℃，整體降溫15℃計；非線性溫度變化，按《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》（TB 10002.3—2005）附錄B考慮。

（4）特殊荷載

地震力：按照《鐵路工程抗震設計規范》（GB 50111—2009）規定計算。

脫軌荷載：按照《鐵路橋涵設計基本規范》（TB 10002.1—2005）第4.3.11條計算。

荷載組合按照主力、主力+附加力和主力+特殊荷載進行組合，取最不利組合進行設計。

3.2 結構模型

結構分析采用有限元軟件Midas Civil2015建立鋼筋混凝土連續板的空間有限元模型，分析連續板在列車活載作用下的受力和變形狀態。連續板為在一個主平面內的純彎構件，板端釋放豎向線自由度，連續板中間支承處及連續板的另一端釋放豎向線自由度和縱向線自由度，用于模擬連續板與基礎的連接。

建立如圖4所示梁單元模擬的三維實體連續板模型,模型共劃分58個單元，施工階段分為澆筑混凝土、二期恒載施加、徐變階段初期和遠期等4個階段進行加載計算。

3.3 計算結果

連續板梁主梁計算結果見表2。

對于動力計算，按照《鐵路橋涵設計基本規范》（TB 10002.1—2005）第 5.1.3條的要求，梁體的橫向剛度應按梁體的橫向自振頻率進行控制[2]，則該橋的自振頻率容許值f=55/L0.8=2.37 Hz（L為計算跨度）。連續板的計算自振頻率見表3。

圖4 連續板結構模型圖

表2 連續板主梁計算結果

表3 連續板橫向自振頻率表

4 安全評估和監控測量[5-11]

4.1 安全評估

京津城際是我國最早建成、最早投入運營的高速鐵路。該橋下穿的永定新河特大橋為設計速度目標值350 km/h的雙線無砟軌道簡支箱梁。高速鐵路運營期間對橋梁工程的水平位移和豎向工后沉降應按照《高速鐵路設計規范》（T B 10621—2014）嚴格執行。從該橋的鉆孔樁基礎、基坑開挖、結構主體、基坑回填等4個施工階段對高鐵的影響進行安全評估。通過采取合理措施，有效控制工程建設風險，保證了京津城際鐵路的安全運營。

安全評估采用巖土有限元分析軟件Plaxis 2D模擬該橋與既有京津城際鐵路橋梁的相互影響。模型寬度為192.5 m，深度100 m。土體采用土體硬化模型來模擬土的本構關系；橋梁承臺、樁基采用梁單元模擬；結構主體以均布荷載形式加載來模擬；土體水平邊界采用水平約束，底邊界采用固定約束。該橋建設期間對京津城際橋墩沉降變形的影響見表4。

表4 各施工階段對京津城際橋墩計算沉降匯總表

通過表4可知，該橋基坑采用鋼板樁防護后，鉆孔樁和基坑開挖引起的沉降經實測后可以忽略不計，沉降變形主要體現在結構主體施工階段。該橋建成后對京津城際橋梁基礎的計算總沉降、沉降差均滿足《高速無砟軌道線路維修規則（試行）》中容許偏差的限值要求，但相鄰橋墩沉降差的數值已非常接近規范容許值。由于該橋施工引起的京津城際水平位移不是控制工況，所以該處不再贅述。

4.2 監控測量

施工期間應按設計要求對京津城際橋墩的水平位移和沉降變形進行動態監控測量，通過對觀測數據進行綜合計算，得出京津城際橋墩的變形差異和變形趨勢。該變形應滿足京津城際安全運營的強制性技術要求，同時依據觀測和計算結果指導該橋施工，確保該橋按期建成，因此監測重點為京津城際永定新河特大橋橋墩的水平位移和沉降變形，監測范圍是460～467#墩。

該橋自2015年1月30日基礎施工至2016年12月17日完成鋪軌，京津城際460～467#墩累計最大沉降量為2.24 mm，相鄰橋墩沉降差最大為2.03mm。京津城際橋墩縱橋向變形最大為0.91mm，橫橋向變形最大為1.25 mm。通過以上觀測數據可知，該橋整個施工過程對既有橋墩及基礎所產生的附加影響是可控的，能滿足規范和高速鐵路實際運營的要求，并且與理論計算值基本吻合。

5 結語

通過該橋下穿京津城際鐵路橋梁的連續板設計、安全評估和變形監測，可以得到如下結論和建議：

（1）通過安全評估和監控測量，該橋施工期間以及建成后對京津城際鐵路橋梁的影響是可控的，能夠有效保證既有高鐵的安全。

（2）該橋梁底直接支承在承臺上，簡化了下部結構的連接方式，施工便捷，耐久性好。

（3）下穿凈高受限的高速鐵路橋梁，連續板結構可有效降低結構高度，可作為同類工點確定下穿方案時的參考實例。

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