某國道拓寬改建下穿既有高速鐵路方案研究

趙 軍 王娜婷 王浩東

(1.中國石油長慶油田公司第一采油廠高橋作業區，陜西 延安 716000；2.中國石油長慶油田公司第十采油廠，甘肅 慶陽 745100)

0 引言

某國道現狀道路交通需求日益增長，道路服務水平不斷降低、局部路段擁堵常態化，已不能滿足區域發展的需要。為滿足公路沿線地區居民及企業的交通出行需求，本文在現狀路網基礎上，結合地區路網發展，對該國道下穿高鐵拓寬改建方案進行了研究分析。

1 下穿工程概況

1.1 工點處鐵路概況

國道拓寬改建下穿高速鐵路特大橋1號和2號橋墩，既有高鐵孔跨布置為(48+80+48)m連續梁主跨。鐵路運營里程K050+684.635。本區段鐵路為直線段，線路縱坡2.3‰，雙線，線間距5.0 m，梁部結構為80 m的連續箱梁，梁寬13.2 m，主墩下部基礎為12-1.50 m樁孔樁，承臺尺寸(10.4×14.3×3)m，承臺頂標高2.5 m。既有道路路面標高4.67 m，路肩邊距離兩側橋墩承臺角距離分別為11.5 m,4.5 m，交叉角度為38°，梁底凈高不小于10.0 m。

1.2 工點處公路概況

既有國道現狀線位穿越3個鎮區，其功能為區域內部道路，又兼有國道的功能，有大量的過境交通，現狀為雙向四車道，路幅布置：3.15 m人非混行車道+3 m綠化帶+15 m機動車道+3 m綠化帶+3.15 m人非混行車道。

1.3 工點處管線概況

根據現場調查及收集資料，本節點處既有公路北側存在5束非開挖信息光纜，距承臺角最近一束管線距離為2.35 m，埋深0.5 m～3.5 m。管線詳細信息如表1所示。下穿工點范圍內的部分信息光纜與擬建樁板結構位置發生沖突，需進行改移。

表1 下穿工點處管線信息匯總

2 下穿方案設計

本項目在公路里程K4+122.23處下穿既有高鐵，橋位處高鐵梁底標高14.46 m～15.34 m，現狀道路路面標高為4.67 m，現狀地面至高鐵梁底高差為9.82 m～10.7 m，根據JTG B01—2014公路工程技術標準、DB34/T 790—2008涉路工程安全評價規范綜合考慮[1]，下穿凈高需滿足5.5 m，故本次設計對下穿高鐵路段無需進行下挖處理。

既有高鐵橋梁結構對樁基沉降要求嚴格，為避免施工設備及拓寬后公路結構自重和車輛荷載對既有高鐵樁基產生附加壓力，影響高鐵樁基沉降及水平變形，從而進一步危及高鐵運營安全[2,3]。故本次工程可行性在高鐵安全保護范圍內(兩側各30 m)設計方案如下：

機動車、人非混行車道均采用樁板結構下穿滬昆高鐵，樁板結構每段長22 m，寬16.7 m，共10段，基礎采用φ0.8 m鉆孔樁。樁板結構防撞墻距離兩側橋墩承臺角距離分別為5.9 m,6.6 m。路面標高4.64 m，高鐵梁底標高14.46 m～15.34 m，路面至高鐵梁底高差為9.82 m～10.7 m。方案布置如圖1所示。

橋梁下穿段橫斷面布置為：2.75 m(邊坡及排水邊溝)+0.5 m(防撞墻)+4.0 m(人非混行)+0.5 m(分隔墩)+11.5 m(機動車道)+0.5 m(中央分隔墩)+11.5 m(機動車道)+0.5 m(分隔墩)+4.0 m(人非共板)+0.5 m(防撞墻)+2.75 m(邊坡及排水邊溝)=39.0 m，詳細布置如圖2所示。

橋面橫向設2%的單向坡度。上部結構采用相同高度，橋面橫坡由混凝土墊層形成；上部結構采用現澆的方法施工。橋面排水經樁板結構防撞墻內的泄水口排至道路排水邊溝，路面雨水排水邊溝收集后納入統一排水系統。

3 方案安全論證

3.1 對鄰近高鐵橋墩影響安全性分析

選取該國道下穿既有高鐵改建工點范圍內的巖土及結構物，采用數值模擬方法計算道路拓寬改建工程對高鐵特大橋的影響。利用Plaxis3D建立三維有限元模型，模型總長度260 m、總寬度180 m、總深度100 m。幾何模型底部施加完全固定約束，兩側施加豎直滑動約束，模型表面為自由邊界[5,6]。

3.1.1模型建立

模型中的土體本構模型選用彈塑性土體硬化模型(Hardening Soil Model，HS模型)，可有效模擬土體的剪切硬化和體積硬化過程，混凝土材料采用線彈性模型[4]。各土層的計算參數結合本工程地質勘察報告和相關的工程經驗進行取值。得到計算模型如圖3所示。

3.1.2施工模擬及計算結果

對于道路改建工程，主要分析改建樁板結構施工對既有高鐵橋墩(墩頂和承臺)變形的影響，同時考慮信息套管施工對高鐵橋墩(墩頂和承臺)變形的影響。根據本工程特點，將本工程施工過程劃分為7個工況模擬，對其進行分析計算。工況劃分如下：

工況一：套管基坑開挖及支護；工況二：套管底部換填；工況三：埋設套管及回填；工況四：板結構基坑開挖及蓋梁開槽；工況五：鉆孔灌注樁施工；工況六：蓋梁及板結構澆筑；工況七：鋪裝及運營。

針對前述七個施工工況的計算數據，對下穿工點處1號和2號鐵路橋墩墩頂和承臺總位移數據進行匯總，結果如表2，表3所示。

表2 各工況鐵路橋墩墩頂過程累加位移匯總 mm

由匯總表2知，國道拓寬改建樁板結構工程施工過程中引起的鐵路橋墩墩頂最大橫橋向位移位于1號橋墩，最大位移0.221 mm；鐵路橋墩墩頂最大順橋向位移位于1號橋墩，最大位移-0.624 mm；鐵路橋墩墩頂最大豎向位移位于1號橋墩，最大位移-0.537 mm；均未超過1 mm的控制標準。

表3 各工況鐵路橋墩承臺過程累加位移匯總 mm

由匯總表3知，國道拓寬改建樁板結構工程施工過程中引起的鐵路橋墩墩頂最大橫橋向位移位于1號橋墩，最大位移-0.115 mm；鐵路橋墩墩頂最大順橋向位移位于1號橋墩，最大位移0.323 mm；鐵路橋墩墩頂最大豎向位移位于1號橋墩，最大位移-0.532 mm；均未超過1 mm的控制標準。

3.2 套管基坑開挖穩定性分析

在用Plaxis3D有限元軟件模擬之前，采用同濟啟明星對套管基坑開挖整體穩定性、抗傾覆穩定性及坑底抗隆起等進行計算和驗算[7]。其中，坑外臨近超載按均布荷載計算，荷載取值20 kPa，土壓力計算采用朗肯土壓力理論。

基坑各項穩定性計算值匯總如表4所示。

表4 套管基坑開挖穩定性驗算匯總

4 結語

1)該國道拓寬改建采用樁板結構下穿既有高速鐵路的設計方案，符合道路通過鐵路盡量采用下穿的原則。經模擬計算，施工及運營對鐵路的影響滿足要求，方案可行。

2)改建后道路最小通行凈高為9.82 m，大于5.5 m，滿足道路最小通行凈高要求。

3)道路防撞墻外側與鐵路橋墩的最小凈距為11.15 m，大于2.5 m，滿足要求。

4)經計算工程施工及運營過程中，既有高鐵1號橋墩墩頂最大橫橋向位移為0.221 mm，最大順橋向位移為-0.624 mm，最大豎向位移為-0.537 mm；2號橋墩墩頂最大橫橋向位移為-0.217 mm，最大順橋向位移為0.601 mm，最大豎向位移為-0.521 mm。均小于1 mm的控制標準。

5)經計算工程施工及運營過程中，既有高鐵1號橋墩承臺最大橫橋向位移為-0.115 mm，最大順橋向位移為0.323 mm，最大豎向位移為-0.532 mm；2號橋墩承臺最大橫橋向位移為-0.112 mm，最大順橋向位移為-0.321 mm，最大豎向位移為-0.518 mm。均小于1 mm的控制標準。

6)套管基坑開挖采用拉森鋼板樁圍護，設計圍護深度為12 m，開挖深度3 m。在開挖深度0.5 m處加一排間距6 m的609鋼支撐。經驗算其穩定性滿足要求。