城市道路下穿高鐵高架橋的分析與研究

張志勇

中鐵四院集團(tuán)廣州設(shè)計院有限公司

1 引言

近些年來，我國的高速鐵路得到了飛速的發(fā)展，城市之間鐵路客運越來越便捷，高速鐵路網(wǎng)覆蓋范圍越來越大。地方新建或改擴(kuò)建城市道路與既有高速鐵路交叉時，為保證高速鐵路結(jié)構(gòu)安全和高速鐵路的正常運營，總體規(guī)劃道路的平、縱線位與既有高速鐵路之間應(yīng)采取可靠的交叉方案，由于高速鐵路對位移非常敏感，微小的位移變化都會影響到結(jié)構(gòu)安全和軌面的平順性與穩(wěn)定性[1]，嚴(yán)重時可能會引起不可估量的安全事故。

2 工程案例

廣東順德清遠(yuǎn)英德經(jīng)濟(jì)合作區(qū)徳民路擴(kuò)建工程，對既有的旅游大道進(jìn)行擴(kuò)建改造。擴(kuò)建的徳民路按城市主干路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，設(shè)計速度60km/h，標(biāo)準(zhǔn)段道路紅線寬度55，雙向8車道，道路中線與鐵路夾角為62°。原旅游大道在既有京廣高鐵馬鞍山特大橋的108#和109#橋墩之間下穿，擴(kuò)建后的德民路以分離式路基在大橋的108#～110#兩孔橋墩之間下穿，下穿鐵路高架橋孔跨度為標(biāo)準(zhǔn)32m簡支箱梁。下穿高鐵區(qū)域，地形較平坦，地表為雜填土，土層厚度約1m，雜填土下為殘積粉質(zhì)粘土層，土層厚度約16m。鐵路橋墩為矩形實體墩，墩高9m，斷面尺寸為6.8m×3.0m，橋墩承臺覆土厚度約2m，承臺尺寸為9.4m×5.8m×2.0m，樁基采用1.25m鉆孔樁。

3 結(jié)構(gòu)安全分析

3.1 荷載工況分析

本工程案例中，新建道路下穿既有高鐵高架橋時，高鐵橋梁結(jié)構(gòu)驗算時主要考慮的附加荷載為汽車荷載與路基填挖方。計算時考慮將汽車荷載換算成均布土層厚度，在根據(jù)庫倫土壓力理論，計算出附加荷載工況作用于高鐵承臺的主動土壓力，然后將主動土壓力換算成作用于鐵路的墩身外荷載。汽車荷載的換算以及主動土壓力的詳細(xì)計算參考相關(guān)規(guī)范[2][4]。

3.2 建模計算

3.2.1 不同荷載工況下高鐵橋墩的內(nèi)力響應(yīng)

本文采用鐵路橋梁設(shè)計軟件《鐵路橋梁工程師3.0》進(jìn)行涉鐵段全橋模擬，研究不同的荷載工況對高鐵高架橋的影響，本文只提取108#和109#橋墩墩頂順橋向與橫橋向位移以及沉降值進(jìn)行對比分析，墩頂位移和沉降值以全橋模型的數(shù)據(jù)作為參考依據(jù)，其中墩頂位移包含了基礎(chǔ)產(chǎn)生的位移，表中數(shù)據(jù)前的正、負(fù)號只代表方向。

表1 3種荷載工況下108#橋墩墩頂位移及沉降值對比

表2 3種荷載工況下109#橋墩墩頂位移及沉降值對比

表3 換算土層厚度變化時108#橋墩墩頂順橋向位移及沉降對比

小結(jié)：

（1）下穿道路擴(kuò)建前的數(shù)據(jù)與建模驗算的數(shù)據(jù)對比可知，原道路兩側(cè)的108#和109#橋墩，由于附加荷載的作用使墩頂順橋向位移和沉降值變大。

（2）下穿道路擴(kuò)建前與擴(kuò)建后的數(shù)據(jù)對比以及在計算主動土壓力的過程中可知，原道路兩側(cè)橋墩在汽車荷載不變的情況下，對于108#橋墩，擴(kuò)建后道路填方厚度增加0.4m，計算結(jié)果顯示擴(kuò)建后墩頂順橋向位移和沉降值變大；對于109#橋墩，擴(kuò)建后道路挖方厚度增加0.1m，計算結(jié)果顯示擴(kuò)建后墩頂順橋向位移和沉降值略微變小。

（3）上述2個表格的計算數(shù)據(jù)可知，由庫倫土壓力理論簡化計算的附加荷載主要作用于橋墩的順橋向和豎向，因此計算結(jié)果均顯示各個橋墩橫橋向位移基本保持不變；與此同時，在本工程實際案例中，雖然由于附加荷載的作用，導(dǎo)致了橋墩順橋向位移和沉降的變化，但是變化量很小，且最終的計算結(jié)果均小于設(shè)計允許值，所以本實際工程中，既有道路的擴(kuò)建設(shè)計在理論上不會影響京廣高鐵的正常運行。

3.2.2 換算土層高度變化時高鐵橋墩的內(nèi)力響應(yīng)

本節(jié)以下穿道路擴(kuò)建后的全橋模型為基礎(chǔ)，以108#橋墩為研究對象，在其他荷載條件不變的情況下，僅考慮橋墩一側(cè)換算土層厚度變化時，橋墩墩頂順橋向位移及沉降對比。換算土層厚度以0.5m為倍數(shù)從0m～3m進(jìn)行變化，將計算出的主動土壓力換算成橋墩墩身外荷載進(jìn)行加載（見表3）。

小結(jié)：

表3數(shù)據(jù)顯示，隨著換算土層厚度的增加，橋墩墩頂順橋向位移顯著增大，兩者之間的變化趨勢幾乎呈線性關(guān)系。這種趨勢顯示當(dāng)換算土層厚度增加到4m左右時，墩頂順橋向位移就會超過允許值，從而影響高鐵的正常運行。實際施工過程中，應(yīng)避免不合理的施工工藝和措施，嚴(yán)禁在鐵路橋墩側(cè)堆載。

4 結(jié)論及建議

4.1 設(shè)計方案

（1）對于道路下穿既有高鐵高架橋的項目，涉鐵段的設(shè)計和施工均應(yīng)由具備相關(guān)鐵路資質(zhì)的單位進(jìn)行設(shè)計與施工，且設(shè)計方案和施工方案均需報相關(guān)鐵路管理部門進(jìn)行評審。

（2）項目可研階段，設(shè)計單位應(yīng)合理規(guī)劃好道路線性，確定最優(yōu)下穿方案。平面上，盡量使道路線路正交下穿鐵路，條件受限制時，道路與鐵路的斜交角度不宜超過60°；縱斷面上，盡量保證下穿范圍道路路基淺挖淺埋，道路限界不滿足的情況下還需要在高鐵橋下道路兩側(cè)設(shè)置限高防護(hù)架；橫斷面上，可以考慮分幅布置，分別從不同的孔跨下穿，路基下穿時，下穿范圍可以考慮采用SS級防撞墻與混凝土底板組成的U型槽結(jié)構(gòu)形式[5][10]。

4.2 施工措施

（1）對于道路下穿既有高鐵高架橋的項目，應(yīng)采取技術(shù)可靠、工藝成熟對現(xiàn)狀地基土擾動較小的施工工藝。基坑開挖應(yīng)分層、對稱實施，堆土應(yīng)棄置于鐵路影響范圍以外，嚴(yán)禁在鐵路安全保護(hù)區(qū)抽地下水。

（2）道路路基下穿高鐵橋時可考慮用整體式混凝土路面代替路基基層，嚴(yán)禁使用大型施工機(jī)械對鐵路橋下路基進(jìn)行碾壓或夯實。

（3）施工過程中可以考慮水木馬對高鐵橋墩進(jìn)行防護(hù)，并對軌道，橋墩以及施工基坑進(jìn)行全過程的全自動監(jiān)測。對于存在危險源或者影響高鐵安全運行的重要工程節(jié)點，應(yīng)進(jìn)行安全評估并制定應(yīng)急預(yù)案。