某城市道路下穿既有鐵路橋梁施工安全影響分析

萬 巧 吳 彪 王 杰

(1.中南勘察設計院(湖北)有限責任公司 武漢 430074; 2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430063)

隨著鐵路網和公路網的不斷延伸，公路與鐵路交叉工程日趨增多。作為國家運輸的大動脈，為保證鐵路運營的安全性和旅客的乘車舒適度，城市道路工程與其交叉時，必須采取穩妥可靠的交叉方式、結構形式及施工方法[1-2]。由于現階段并沒有相關的規范定量地指出在城市道路施工期間，因臨近既有鐵路施工而影響鐵路力學性能的相關指標，因此在相關城市道路工程實施時，難以準確地體現道路施工及運營是否對鐵路正常運營帶來安全隱患。因此在進行與鐵路交叉的道路設計時，應全面調查鐵路現狀，充分考慮道路的施工條件、機具配置及工程規劃；同時，由于鐵路對沉降位移較為敏感，因此還應對道路施工、運營期間對既有鐵路的影響進行安全性分析檢算[3-4]。

下面以某城市道路下穿既有鐵路橋梁為例，對其安全性影響進行分析，以期對類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 項目概述

某城市道路以框架涵的形式從既有懷邵衡鐵路某橋梁4號墩和5號墩之間下穿，交叉處道路里程為K0+533.23，鐵路里程為DK193+482.318，二者斜交角為74°；同時也從既有婁邵鐵路某橋梁4號墩和5號墩之間下穿，交叉處道路里程為K0+551.12，鐵路里程為K086+624.673，二者斜交角為72.3°，具體位置關系見圖1。

圖1 道路與鐵路平面交叉關系圖(單位：里程，m；尺寸，cm)

1.2 設計方案

根據規劃及總體設計資料，該城市道路采用框架涵方案下穿鐵路橋梁，道路與懷邵衡鐵路橋梁相交處立面關系見圖2。

圖2 道路與懷邵衡鐵路立面位置關系圖(單位：高程、里程，m；尺寸，cm)

框架涵長度60 m，涵內凈空為12.0 m×6.0 m，框架涵采用現澆法施工，施工前采用支護樁保護既有鐵路橋梁基礎。城市框架涵防護樁與鐵路樁基最小中心距3.28 m，框架涵施工基坑深7.67 m。框架涵基坑距離懷邵衡鐵路橋梁4號墩承臺底的高差較大，因此需要針對工程施工造成的影響進行定量分析計算。

城市道路與婁邵鐵路橋梁相交處立面關系見圖3。框架涵防護樁與鐵路樁基最小中心距1.96 m，框架涵施工基坑深6.32 m。框架涵基坑距離4號墩較近，且基坑開挖較深，基坑施工過程中可能導致4號墩樁基周圍土體有較大變形，因此需要針對工程施工造成的影響進行定量分析計算。

圖3 道路與婁邵鐵路立面位置關系圖(單位：高程、里程，m；尺寸：cm)

1.3 地質情況介紹

交叉范圍內主要地層分布如下。

1) 第四系沖積洪積相沉積層(Q4al+pl)。(2)5-3粉質黏土：黃褐色、褐黃色，可塑，土質較均勻，層厚1.4～13.5 m，σ0=150 kPa。

2) 下伏基巖。(16)1-3灰巖。灰白色、青灰色、灰黑色，弱風化，巖芯較完整，σ0=800 kPa。

2 評價標準

既有懷邵衡鐵路與婁邵鐵路運營車速為200 km/h，高速行車時要求軌道具有高平順性，其橋梁對結構受力及沉降、變形的要求較高[5]。道路框架涵實施過程中，主要對鐵路橋梁順橋向及豎向變形產生影響，本文參考國內類似工程經驗[6-7]，結合相關工程規范，制定如下變形控制指標及標準。

2.1 鐵路構筑物(橋梁)沉降要求

根據TB 10621-2014 《高速鐵路設計規范》7.3.10條文規定：墩臺基礎的沉降應按恒載計算，其工后沉降量不應超過表1(規范表7.3.10)限值[8]。本工程涉及懷邵衡、婁邵鐵路為有砟軌道，因此控制的墩臺均勻沉降為30 mm，相鄰墩臺的沉降差為15 mm。

表1 靜定結構墩臺基礎工后沉降限值

注：超靜定結構相鄰墩臺沉降量之差除應滿足上述規定外，尚應根據沉降差對結構產生的附加應力的影響確定。

2.2 軌道平順性評估標準

根據鐵運[2013]29號《高速鐵路有砟軌道線路維修規則(試行)》要求的線路軌道靜態和動態幾何尺寸容許偏差管理值作為控制標準[9]，見表2。

表2 200～250 km/h線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值

注：豎向和軌向偏差為10 m及以下弦測量的最大矢度值；扭曲偏差不含曲線超高順坡造成的扭曲量。

本項目懷邵衡、婁邵正線為有砟軌道高速鐵路，設計車速為200 km/h，在“經常保養”狀態下，線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值，軌道豎直方向(10 m弦測量的最大矢度值)為5 mm，軌向偏差為4 mm；在保養標準I級狀況下的軌道動態質量容許偏差管理值，軌道高低為5 mm，軌向偏差為5 mm。

3 道路施工安全影響分析

根據前文所述，城市道路框架涵施工過程中主要對婁邵和懷邵衡鐵路4號和5號橋墩基礎影響較大，為保證鐵路橋梁的安全，需要在交叉范圍內針對婁邵和懷邵衡鐵路4號和5號橋墩的基礎進行定量分析。

3.1 計算模型說明

本文采用midas GTS NX有限元程序針對城市道路工程下穿婁邵和懷邵衡鐵路橋梁進行了模擬計算，分別分析了基坑開挖、道路施工及運營對婁邵和懷邵衡正線4號、5號橋墩的影響。由于工程主要關注道路施工對鐵路橋梁下部結構的影響，為減小模型復雜程度，只建立鐵路橋梁下部結構模型，橋梁梁體及上部荷載的作用通過在橋墩墩頂施加荷載來代替。

建立的三維有限元計算模型中包括土層、鐵路橋梁基礎、道路開挖防護樁及橫撐等組成部分，幾何模型如圖4所示。模型中橋梁承臺和橋墩采用線彈性的鋼筋混凝土實體單元模擬，鐵路樁基與防護體系橫撐采用梁單元模擬，防護排樁等效為板單元模擬。土層的應力、應變關系均采用修正Mohr-Coulomb彈塑性模型；混凝土、鋼材的應力應變關系均采用理想線彈性模型。模型底部施加固定約束，在兩側施加豎直滑動約束，模型表面則取為自由邊界[10]。

圖4 計算幾何模型

3.2 計算結果分析

道路框架涵施工過程中，主要對鐵路橋梁的基礎沉降及軌道平順性產生影響，因此，本文主要針對道路施工對鐵路橋梁順橋向、橫橋向和豎向產生的位移計算結果進行分析。

按照實際施工步驟，計算分4步進行：①施加重力及高鐵橋梁墩頂力，地應力平衡；②基坑支護體系施工[11-12]；③基坑開挖；④框架涵、基坑回填并施加運營荷載。

各階段累計附加順橋向、橫橋向和豎向位移見圖5。

根據上述計算結果并結合評估標準分析如下。

1) 橋梁基礎沉降。《高速鐵路設計規范》中規定：對于有砟軌道，控制的墩臺均勻沉降為30 mm，相鄰墩臺的沉降差為15 mm。

計算結果顯示，懷邵衡鐵路橋梁累計附加最大豎向位移為-0.06 mm(沉降)，婁邵鐵路橋梁累計附加豎向位移最大0.19 mm(隆起)，均不超過規定墩臺均勻沉降控制值的0.6%；懷邵衡鐵路4號與5號橋墩累計附加最大豎向位移差為0.02 mm，婁邵鐵路4號與5號橋墩累計附加最大豎向位移差為0.12 mm，均不超過規定相鄰墩臺沉降差控制值的0.8%。可見本方案對鐵路橋梁沉降影響較小。

圖5 位移變化圖

2) 軌道平順性。根據《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》[13]條文說明3.0.3，橋墩位移值與軌道高低、軌向的關系曲線見圖6。本設計方案引起既有鐵路橋墩產生豎向位移最大為0.19 mm，橫橋向位移最大為0.27 mm，反映至軌道上高低不平順性為0.03 mm，軌向不平順性為0.04 mm。

①高低偏差。在“經常保養”狀態下，線路軌道靜態幾何尺寸容許高低偏差管理值為5 mm；在保養標準I級狀況下的軌道動態質量容許高低偏差為5 mm。

計算結果顯示，鐵路橋梁各階段累計附加軌道高低偏差最大為0.03 mm，占靜態高低偏差控制值的0.6%，可見道路施工對鐵路線路軌道高低偏差不平順性影響較小。

圖6 鐵路橋墩位移與軌道平順性指標關系曲線

②軌向偏差。在“經常保養”狀態下，線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值中，軌向偏差為4 mm；在保養標準I級狀況下的軌道動態質量容許軌向偏差管理值為5 mm。

計算結果顯示，鐵路橋梁各階段累計附加軌向偏差最大為0.04 mm，占靜態軌向偏控制值的0.8%，可見道路施工對鐵路線路軌道軌向偏差不平順性影響較小。

需要指出的是，由于有限元計算與實際施工情況不可能完全一致，且實際施工中材料的力學參數也存在一定的離散性，因此，計算結果僅起定性的參考作用，在實際施工時應加強對鐵路橋墩基礎沉降和位移的監測。

4 結論與建議

1) 定量計算分析表明，道路框架涵各施工階段累計附加沉降最大值為0.19 mm，僅為規范規定的墩臺均勻沉降控制值的0.6%；道路框架涵各施工階段累計附加沉降差最大值0.12 mm，僅為規范規定的相鄰墩臺沉降差控制值的0.8%。道路施工對鐵路橋梁沉降影響較小。

2) 道路框架涵各施工階段鐵路軌道累計附加軌道高低偏差最大為0.03 mm，占靜態高低偏差控制值的0.6%，道路框架涵施工對鐵路軌道高低偏差不平順性影響較小。

3) 道路框架涵各施工階段鐵路軌道累計附加軌向偏差最大0.04 mm，占靜態高低偏差控制值的0.8%，道路框架涵施工對鐵路軌道軌向偏差不平順性影響較小。

4) 建議在道路施工前對鐵路橋墩編制沉降和位移監測方案，在施工時加強對鐵路橋梁基礎及墩身的變形監測。監測結果應及時反饋至有關單位，一旦監測結果超過監測方案中規定的變形控制值，應立即停止施工，并對列車進行限速處理，待軌道平順性恢復后方可恢復正常運營。