市政道路工程下穿高速鐵路橋梁影響分析研究

霍建凱

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司， 北京 102600）

0 引言

隨著高速鐵路以及城市建設的飛速發展，無論是新建市政道路工程或者是高鐵車站配套市政道路工程都無可避免的需要下穿高速鐵路橋梁，那么研究新建市政道路工程對高速鐵路橋梁的影響是十分必要的，既要滿足道路建設的便捷需求，還要保證高速鐵路的安全。本文通過數值模擬的方法研究杭紹臺鐵路臺州中心站配套市政工程中的規劃橫一路的施工建設對杭紹臺鐵路的影響，并提出相應的建議，為今后類似工程項目建設提供參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

臺州中心站配套市政工程中的規劃橫一路為城市支路，設計荷載為城-B級，設計時速30km/h。規劃橫一路下穿位置處為臺州中心站特大橋，規劃橫一路從杭紹臺鐵路臺州中心站特大橋第21#～22#橋墩間穿越。交叉里程為橫一路BK0+640.5即杭紹臺鐵路DK216+148.60，交叉角度約90.6°。杭紹臺鐵路為10線橋，21#～22#橋墩間橋梁上部結構為32m簡支箱梁，橋墩為圓端形三柱框架式橋墩，基礎為Φ1.0m鉆孔灌注摩擦樁基礎，21#墩設計樁長為62m，22#墩設計樁長為77m，基礎橫向總寬度為104.65m。

樁板結構里程BK0+576.06～BK0+687.06，位于直線及半徑R＝400m的圓曲線上。道路設計線位與在建杭紹臺鐵路臺州中心站特大橋左線交叉角度為85.15°（鐵路右角），下穿處道路設計線道路里程為：BK0+640.52，對應鐵路里程為：DK216+148.60。新建橋梁結構防撞護欄外側距離杭紹臺鐵路正線21#橋墩最小距離為4.56m，距離到發線10線21#橋墩最小距離為2.53m，防撞護欄外側距離杭紹臺鐵路正線 22#橋墩最小距離為 8.03m，距離到發線10線22#橋墩最小距離為6.02m。新建樁板結構樁基中心距離杭紹臺鐵路21#橋墩樁基中心最小距離 6.13m，距離杭紹臺鐵路 22#橋墩樁基中心最小距離6.69m。橋面距杭紹臺鐵路梁底為9.66m＞5.5m，滿足道路設計凈空要求。

新建樁板結構設置為三聯，跨徑具體布置為(4×10)＋(4×10)＋(3×10)m，總長 110m。上部結構采用 C40鋼筋混凝土，梁高 0.8m；樁基采用 4-φ1m鉆孔灌注樁，樁間距4.0m，采用C30水下鋼筋混凝土。

1.2 工程水文地質條件

（1）地形、地貌

工程地貌為浙東海相沉積平原，附近為臺州中心站大橋，地勢較為平緩，地面高程一般在3.10～3.30m之間。

（2）工程地質分層

（3）地下水

橋址范圍地下水主要為第四系孔隙潛水，第四系孔隙承壓水；孔隙潛水主要賦存于第四系全新統黏性土層中，第四系孔隙承壓水主要賦存于含礫粉質黏土層。地下水主要受大氣降水和地表流水補給，水位年變化幅度不大。水位年變化幅度0～1.5m，勘察期間測得已完成鉆孔穩定水位埋深2.0m左右。

2 評價標準

本次需評價橫一路下穿杭紹臺鐵路臺州中心站特大橋施工過程中對其安全性的影響，本次項目控制內容包括：橋墩的豎向沉降、墩臺的水平變形、結構安全性等。本項目假定杭紹臺鐵路臺州中心站特大橋墩臺處于良好狀態，并且假定初始變形量為0。

3 規劃橫一路下穿鐵路橋安全評估

3.1 計算方法

在巖土力學有關領域的數值分析應用中，主要使用的方法為有限單元法（FEM）、邊界單元法（BEM）、離散單元法（DEM）、朗格朗日單元法以及塊體理論等，或者是上述幾種方法的耦合。其中，有限元法是根據變分原理求解數學物理問題的數值方法，是工程方法和數學方法相結合的產物，可以求解用解析方法無法求解的問題，特別是對邊界條件和結構形狀不規則和復雜的結構來講，更是一種有效的數值方法，因此，該法在實際工程中得到了廣泛的應用。

本評估即采用有限元分析法，利用巖土有限元軟件MIDAS，建立包括巖土、橋樁、承臺、橋墩、鋼板樁等結構的模型。根據實際施工方案，進行分步模擬分析新建橋梁施工對高鐵橋變形的影響。

3.2 模型建立及施工模擬

（1）模型建立

按照專項設計及地勘報告等資料，利用MIDAS軟件建立三維有限元數值分析模型。在三維建模中，計算區域主要根據新建橋梁與既有橋梁的位置關系，并滿足一定邊界效應的要求來確定。在本模型中，為滿足橋梁施工的邊界效應，三維數值模型整體尺寸為80m（x）×140m（y）×90m（z）。

本模型采用位移邊界條件：側面限制水平位移，底部限制垂直位移，模型上表面取為自由邊界。土體強度準則為Mohr-coulomb準則，采用實體單元模擬，土層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。

（2）施工過程模擬

整個施工過程模擬按照實際施工順序進行分步施工，總共 13個施工工況。

工況 1：初始地應力平衡，場區位移清零；

工況 2：高鐵橋梁基坑外側施工鋼板樁；

工況 3：開挖高鐵橋梁基坑；

工況 4：高鐵橋梁樁基施工；

工況 5：高鐵橋梁承臺施工；

工況 6：高鐵橋梁橋墩施工；

工況 7：高鐵橋梁承臺頂覆土回填；

工況 8：施加高鐵橋梁上部結構荷載；

工況 9：場區位移清零；

工況 10：新建市政橋梁樁基施工；

工況 11：新建市政橋梁承臺施工；

工況 12：施加新建市政橋梁施工荷載；

工況 13：施加新建市政橋梁運營荷載。

3.3 計算結果分析

（1）高鐵橋墩的變形

通過數值模擬，得到新建橋梁施工運營對杭紹臺鐵路 21#～22#橋墩及承臺的影響（工況10～工況13），主要包括橫橋向位移（模型y方向）、順橋向位移（模型x方向）以及豎向的沉降（模型z方向），取墩臺豎向沉降最大的工況13的位移圖為模型位移情況.

新建橋梁施工運營過程中引起的高鐵墩頂最大順橋向位移發生在工況13（施加新建橋梁運營荷載），位于22#墩，最大位移-1.128mm；高鐵墩頂最大橫橋向位移發生在工況 13（施加新建橋梁運營荷載），位于 22#墩，最大位移-0.304mm；高鐵墩頂最大豎向位移發生在工況13（施加新建橋梁運營荷載），位于21#墩，最大位移-1.203mm。

新建橫一路樁板結構施工過程中引起的既有高鐵墩頂最大豎向沉降為1.203mm，滿足 20mm的控制限值要求；既有高鐵橋墩的最大沉降差為1.203mm（假設遠端20#橋墩豎向沉降為0），滿足5mm的控制限值要求；高鐵橋墩的最大縱橋向位移為1.128mm，滿足28.2mm的控制限值要求；高鐵橋墩的最大橫橋向位移差為0.596mm（21#～22#橋墩變形差），滿足16mm的控制限值要求。

（2）橋樁承載力

施加新建橋梁運營荷載后，臺州中心站特大橋 21#～22#橋墩樁基單樁承載力變化情況如表 4.3-2所示（以每個承臺下承載力富余量最小的橋樁為例）。

表 4.3-2 單樁承載力對照

22#7/5線 5636 5796 6204 22#正線 5381 5547 6693 22#8/6線 5636 5792 6204 22#10線 5010 5215 8152

由表 4.3-2可知，在施加新建橋梁運營荷載后，21#、22#墩高鐵橋梁樁基單樁承載力小于單樁容許承載力；但21#墩9線下方樁基、22#墩9線下方樁基承載力富余量較少（248kN、270kN）。

4 結論與建議

4.1 結論分析

通過數值計算軟件模擬分析了規劃橫一路施工的建設對高速鐵路橋梁的影響，綜合來看，可認為規劃橫二路施工對既有高鐵影響較小，能夠保證施工期杭紹臺鐵路臺州中心站特大橋的結構安全，樁板結構下穿杭紹臺鐵路設計方案基本可行，數值分析主要結論如下：

（1）新建橫一路施工運營過程中引起的既有高鐵墩頂最大豎向沉降為1.203mm，滿足20mm的控制限值要求；高鐵橋墩的最大沉降差為1.203mm，滿足 5mm的控制限值要求；高鐵橋墩的最大縱橋向位移為 1.128mm，滿足28.2mm的控制限值要求；高鐵橋墩的最大橫橋向位移差為 0.596mm，滿足16mm的控制限值要求。

（2）新建橫一路施工后，21#、22#墩高鐵橋梁樁基單樁承載力小于單樁容許承載力；但21#墩9線下方樁基、22#墩9線下方樁基承載力富余量較少（189kN、4kN），建議采取必要措施減小新建工程施工對杭紹臺鐵路橋橋樁的影響或提高杭紹臺鐵路21#、22#墩9線承臺下方樁基單樁容許承載力，以增加杭紹臺鐵路臺州中心站特大橋21#、22#高鐵橋墩的安全性。

4.2 建議

為減小新建市政道路工程的建設對高速鐵路的影響，現提出以下建議，類似工程項目可進行對比參考。

（1）為保證鐵路橋梁結構安全，市政道路臨近高鐵橋墩兩側做好防護設計，避免后期運營時汽車沖出造成對高鐵橋墩的撞擊。

（2）為防止緊急情況的發生，市政道路下穿高鐵施工過程中須做好突發情況下的應急措施預案，根據現場情況及時啟動相關應急預案。

（3）高鐵橋下施工階段，需嚴格控制施工，避免施工機械對高鐵橋梁的碰觸及損傷。

（4）做好施工前后及道路運營前期的監測工作，動態掌握既有高鐵橋梁狀態，結合控制標準，必要時啟動應急預案，確保既有高鐵橋梁的安全。

（5）鉆孔樁應采用對稱、間隔施工。離高速鐵路橋梁樁基較近的新建樁，應適當增加鋼護筒長度，鉆進過程中應避免斜孔、塌孔和護筒周圍冒漿、失穩等現象。

（6）施工單位應按規定與鐵路部門簽訂安全協議，并根據批準的施工方案、安全措施、施工計劃進行作業；施工中派專職安全員 24小時巡查防護，隨時做好應急預案及措施，以確保既有鐵路運營安全。