市政道路下穿高速鐵路技術簡述及應用

文∕戚晨輝、陳劼、代杰

1 前言

經過十多年的快速發展，高鐵已成為人們日常出行的重要交通工具。縱橫分布的高速鐵路網絡，為區域與城市發展帶來新的模式與機遇的同時，市政道路工程下穿高速鐵路的數量日益增多，給高速鐵路的安全運營帶來了空前的壓力。為了適應新的形勢，下穿構筑物在新建或改建及使用時，國家鐵路局組織編寫了《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》TB10182-2017（以下簡稱《技規》），統一和規范了公路和市政道路工程下穿高速鐵路設計、施工及監測技術要求，以此確保高速鐵路橋梁結構及運營安全[1]。本文簡述了《技規》中市政道路與高速鐵路交叉工程的不同下穿結構設計方案及各自適用條件，并結合《技規》要求完成了工程設計實例。

2 設計原則

2.1 下穿位置選址原則

高速鐵路對軌道平順度要求高，而目前缺少下穿高速鐵路路基和隧道的工程實踐經驗及研究成果，《技規》中也無相關技術要求。因此，在道路前期規劃中，我們需充分掌握穿越點的工程地質和水文地質條件、高速鐵路橋梁與鐵路設備狀況等資料，并及時征求鐵路運營管理部門的意見，分析下穿高速鐵路的可行性及合理的方案，使下穿工程在前期規劃階段能夠選定切實可行的最優路線方案。同時，路線應盡量選擇從高速鐵路橋墩較高且橋梁跨度較大處下穿，既可避免采用轉體施工等大跨度橋梁方案上跨高速鐵路路基段，大大降低工程投資，又可以最大程度保證市政道路施工、運營階段高速鐵路橋梁的安全。

2.2 下穿結構設計方案及適用條件

根據高速鐵路設備狀況、自然因素和地質條件、高速鐵路橋梁下凈空等情況，下穿結構物可有多種選擇。

2.2.1 路基下穿

無論是填土荷載、路面結構層荷載還是運營荷載，都將地基傳遞的附加應力作用于高速鐵路橋梁樁基，使鐵路樁基發生變形，從而影響了軌道的平順性。因此，只有在地質條件良好、淺挖或少填，并與高速鐵路橋梁保持足夠距離情況下才可考慮采用路基結構。

2.2.2 橋梁結構下穿

非巖石地基采用橋梁結構下穿的形式較采用其他結構形式的影響要小。道路橋梁樁基一般都采用鉆孔樁，并保證新施工的鉆孔樁與高速鐵路樁基保持一定的距離，同時在承臺基坑開挖前采取了可靠的防護措施，因此其施工過程及建成后運營荷載對高速鐵路的影響都很小。

2.2.3 U 型槽下穿

當高速鐵路橋梁橋下凈空不足，但地基承載能力較好時，可采用U 型槽結構。U 型槽對高速鐵路橋梁的影響主要發生在基坑開挖階段，而在運營期對高速鐵路的影響較小。

綜上所述，市政道路下穿高速鐵路可以采用的結構形式有：橋梁、路基和U 型槽，且不同的下穿工程結構形式對高速鐵路的影響不同。在道路平、縱斷面，以及道路與高速鐵路橋梁的距離確定的條件下，一般而言，非巖石地基采用橋梁結構下穿對高速鐵路的影響較小。如采用橋梁下穿，則其施工和運營階段對高速鐵路的影響主要發生在樁基施工和承臺基坑開挖階段。道路橋梁樁基一般都采用鉆孔樁，因此只要保證新施工的鉆孔樁與高速鐵路樁基滿足一定的距離，承臺基坑開挖前采取可靠的防護措施，則其施工過程及建成后運營荷載對高速鐵路的影響都很小。而路基，無論是填土荷載、路面結構層荷載還是運營荷載，都將地基傳遞的附加應力作用于高速鐵路橋梁樁基，使鐵路樁基發生變形，從而影響軌道的平順性。因此，只有在地質條件良好、淺挖或少填，并與高速鐵路橋梁又有足夠距離情況下才考慮采用路基結構。除此之外，U 型槽埋深較深，底板具有良好的耐久性；同時，側墻不僅以可承受土壓力，還兼具防護高速鐵路橋墩及承臺的防撞功能，適用于地質條件一般的地段。

2.3 下穿結構對高速鐵路橋梁安全影響分析

下穿工程主要的施工工況，如土體開挖、堆載以及運營階段交通荷載等均會對高速鐵路橋梁產生一定的影響，進而影響軌道平順性。因此，我們需要對其主要的工況進行仿真分析，并評估其對高速鐵路橋梁的影響。

3 工程實例

3.1 下穿位置概況

某市政道路工程與京廣高速鐵路交叉，下穿處選在鐵路高架橋段。鐵路橋墩均為圓端形實體墩，承臺接樁基礎，墩間跨度均為32m。鐵路橋梁底至道路路面最小垂直距離6.8m。工程范圍內地質情況較好，持力層埋深約1.5m。

3.2 方案設計

根據路網規劃，市政道路寬度為33m，與高速鐵路的夾角為58°。另外，交叉點處道路橫斷面需調整為2×16.5m，分幅從高速鐵路橋下通過。

3.2.1 橋梁下穿方案

交叉點處高速鐵路橋下凈空較大，為采取橋梁結構下穿提供了有利條件。下穿橋梁的跨徑組合不僅要滿足道路橋梁樁基與高速鐵路橋梁樁基中心距大于4d(道路橋梁樁基直徑)，還要滿足橋梁結構兩端超出高速鐵路安全保護區范圍，從而最終確定下穿橋梁跨徑組合為3×30m。道路橋梁樁基采用鉆孔樁施工，其施工過程及建成后運營荷載對高速鐵路的影響都很小，因此可不再評估下穿結構對高速鐵路橋梁的安全影響。

3.2.2 U 型槽下穿方案

因持力層埋深淺，所需開挖深度不超過鐵路橋墩承臺底，故根據《技規》規定，可采取U 型槽結構進行下穿，但同時需對該結構形式的高速鐵路安全影響進行評估，計算結果見圖1～圖4。計算結果表明：通過合理控制下穿結構與高速鐵路橋墩間距，U 型槽施工和使用過程中高速鐵路橋墩最大沉降值為0.04mm，小于規范允許值2mm，且縱向和水平向水平位移可忽略，故U 型槽下穿方案可行[2]。

圖1 有限元模型

圖2 最不利工況下高速鐵路豎向位移圖

圖3 最不利工況下高速鐵路縱向水平位移圖

圖4 最不利工況下高速鐵路橫向水平位移圖

3.2.3 方案比選

兩種方案均能保證高速鐵路橋梁的運營安全。

橋梁下穿方案中其上部荷載通過樁基礎傳至地下，對既有高速鐵路橋梁影響較小，但其造價偏高。

U 型槽下穿方案施工工藝簡單、造價低，施工工期相對較短，可降低市政道路縱斷面高程，優化了交叉點工程與鐵路兩側道路的銜接順暢程度；U 型槽底附加應力作用于高速鐵路橋梁樁基，但對鐵路橋梁安全性影響有限。

經綜合考慮，本工程最終采用U 型槽結構下穿方案。

4 結語

市政道路下穿高速鐵路工程前期規劃階段，我們需充分掌握穿越點的工程地質和水文地質、高速鐵路橋梁與鐵路設備狀況等資料，分析下穿高速鐵路的可行性以及合理的下穿結構方案，從而使下穿工程在前期規劃階段能夠選定切實可行的最優方案。