鐵路高架橋下土地綜合開發(fā)安全分析

賀小濤

（中國鐵路上海局集團有限公司，上海 200021）

中國高鐵日新月異的發(fā)展，使高鐵橋下土地成為鐵路土地資產(chǎn)的重要組成部分。為確保高鐵運營安全，鐵路總公司文件中明確指出：高鐵橋下土地保護性利用要堅持安全第一的原則，嚴禁各類影響鐵路設施設備安全和運營安全、污染鐵路周邊環(huán)境、侵入鐵路建筑限界的活動。因此，上海局高鐵橋下項目開發(fā)業(yè)態(tài)選擇，一般是結合項目周邊產(chǎn)業(yè)、人群、市場需求及開發(fā)條件，發(fā)展與周邊城市功能配套的特色商業(yè)、體育活動、社會停車等經(jīng)營性和準公益性業(yè)態(tài)。本文以某高鐵橋下駕校項目為例進行分析，研究如何在確保高鐵運營安全的前提下實現(xiàn)綜合開發(fā)創(chuàng)效。

1 項目概況及地質(zhì)條件

項目位于某市高鐵站東側高鐵橋下，可利用土地面積約 105 畝，涉及線路包括寧杭客專正線及上下行聯(lián)絡線、仙寧上下行線、京滬高鐵正線、滬蓉上下行線等。結合地理位置、市場環(huán)境及城市需求，擬按訂單式開發(fā)成為小汽車駕駛員培訓基地，地塊東側作為考試區(qū)，西側為培訓區(qū)，北側為停車區(qū)，項目總平面圖如圖 1 所示。主要建設內(nèi)容為：鋼結構辦公用房、場地土方平整、高鐵橋墩防撞設施、混凝土鋪裝、擋土墻、水電管線鋪設及綠化等。

本場地勘察揭示的土層由人工填土、粉質(zhì)黏土、黏土、全風化-弱風化泥質(zhì)粉砂巖組成。根據(jù)地勘報告，場地地基土按成因類型、形成時代、力學性質(zhì)，自上而下可分為 8 個工程地質(zhì)層。各層巖土的分布、物理力學性質(zhì)如表 1 所示。場地內(nèi)地質(zhì)構造相對穩(wěn)定，地下水為第四系孔隙水和基巖裂隙水，主要賦存在（6）1-1、（6）1-2 號地層內(nèi)。

表1 各地層物理力學參數(shù)表

2 數(shù)值模擬安全分析

高鐵橋下進行施工及運營難免對橋梁樁基產(chǎn)生一定的影響，進而導致高鐵橋梁變形及橋面線路幾何狀態(tài)變化，加之高鐵軌道變形控制要求嚴格（表 2），對行車安全和舒適度要求高，因此需采用數(shù)值模擬手段進行安全評估。由于場地內(nèi)涉及的高鐵線路及橋墩數(shù)量眾多，因此數(shù)值模擬過程中根據(jù)場地填挖高度、高鐵橋梁等級、孔跨、墩高、樁基布置、地質(zhì)資料、規(guī)劃建設的建筑物及相關設施等情況，選取具有代表性的 3 處鐵路線橋墩作為研究對象。本文僅以京滬高鐵某特大橋 33#、34# 墩為例（立面圖如圖 2 所示），采用ABAQUS 有限元分析高鐵橋下施工及運營對鐵路橋墩的影響。

2.1 分析步驟

數(shù)值計算主要運用了 Mohr-Coulomb 彈塑性模型及general contact 樁土接觸模式，分析過程共分為以下幾個步驟：

（1）施加重力，設置零樁側摩擦系數(shù)，避免初始負摩阻力，進行初始地應力場平衡，位移清零；

（2）根據(jù)土層性質(zhì)，設定樁與不同土層的摩擦系數(shù)，施加橋墩上由鐵路橋產(chǎn)生的荷載，進行地應力場平衡，位移清零；

（3）模擬施工完成階段，施加等效的正壓力模擬構筑物基礎和構筑物產(chǎn)生的荷載，包括場地平整、場地硬化、橋墩圍護結構施工、擋土墻施工、辦公等建筑物施工、后期運營荷載。

2.2 建立模型

綜合考慮橋墩邊界效應、土層條件和單元劃分等因素，計算模型寬度選為順鐵路橋方向取 70 m 長，垂直鐵路橋方向取 50 m 長，土層向下深度為 50 m，模型示意如圖 3 所示。

2.3 計算結果

2.3.1 橋墩樁基和墩頂變形

高鐵橋墩受場地建設和運營影響的墩頂變形如表 3所示。

2.3.2 樁側摩阻及軸力

橋墩受場地建設和運營影響的墩下樁側摩阻力及樁身軸力變化分別如圖 4、圖 5 所示。

表2 250（不含）～350 km/h 線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值

圖2 高鐵橋墩立面圖（單位：mm）

圖3 計算模型及對應樁號示意圖

表3 京滬高鐵某特大橋墩頂位移值 mm

圖4 京滬高鐵某特大橋 33#、34# 墩樁身側摩阻力變化

圖5 京滬高鐵某特大橋 33#、34# 墩樁身軸力變化

數(shù)值模擬結果表明：受場地建設和運營影響，墩頂豎向位移最大值為 0.123 mm，樁側摩阻力變化最大值為 1.83 kPa，樁身軸力變化最大值為 49.50 kN，均對高鐵橋梁安全及線路運營影響較小，開發(fā)業(yè)態(tài)可行。

3 變形監(jiān)測

因計算模型對實體進行了一定的假設和簡化，材料參數(shù)選取也具有不確定性，且計算過程未考慮施工擾動和降水的影響，這些均會導致計算結果與實際有所出入，因此加強對鐵路橋墩和橋梁的變形監(jiān)測很有必要。

變形監(jiān)測周期分施工前、施工過程中、運營后三階段進行，監(jiān)測值穩(wěn)定一周后方可逐漸降低頻率至停止，變形異常時應適當加密監(jiān)測次數(shù)。監(jiān)測點為專用的不銹鋼標志錨固于各橋墩上，監(jiān)測初始值以施工區(qū)域外 2 個穩(wěn)定橋墩監(jiān)測點作為測量起算點，變形的觀測精度為 ±0.1 mm，讀數(shù)取位至 0.01 mm，沉降、位移控制標準均按 2 mm 控制。沉降測量采用 Trimble DINI03電子水準儀及其配套銦瓦水準尺，按照《國家一、二等水準測量規(guī)范》（GB/T 12897-2006）二等水準測量精度要求進行復測。位移測量采用 TS30 徠卡智能全站儀及配套棱鏡，按照自由測站邊角交會法測量。京滬高鐵某特大橋 33#、34# 墩變形監(jiān)測結果如圖 6 所示。

監(jiān)測結果顯示：鐵路橋墩順橋向最大位移0.7 mm，橫橋向最大位移 0.6 mm，最大沉降為 1.9 mm，與數(shù)值模擬計算結果相比，監(jiān)測結果偏大，但未超出變形控制標準（2 mm），因此項目施工及運營過程對高鐵橋梁安全及線路運營影響較小。

圖6 京滬高速某特大橋 33#、34# 墩變形曲線

4 結論及展望

在國家政策引領下，通過鐵路土地綜合開發(fā)取得新增資金來源，是加快推進鐵路建設、彌補鐵路運營虧損、實現(xiàn)鐵路可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。上海局采用科學選擇開發(fā)業(yè)態(tài)、設計安全評估、全過程變形監(jiān)測的開發(fā)模式，可實現(xiàn)高鐵橋下保護性開發(fā)，提高鐵路土地資源效益。但是在高鐵橋下綜合開發(fā)實施過程中，安全評估費用高、耗時長的問題較為突出，對項目的投產(chǎn)及經(jīng)濟性影響很大。

鑒于高鐵橋下開發(fā)業(yè)態(tài)較為簡單，多為體育公園、小型汽車停車場或駕校等，本文以駕校業(yè)態(tài)為例，可看出某些項目開發(fā)對高鐵影響很小。因此，建議由鐵路總公司協(xié)調(diào)高鐵橋梁原設計單位，對較為普遍開發(fā)業(yè)態(tài)的荷載進行總體安全計算，具體項目不再進行安全評估；或者只對同區(qū)域范圍的一個項目進行安全評估，后續(xù)同類型項目不評估。這樣可顯著提高項目的開發(fā)效率及經(jīng)濟效益。