新建道路下穿運營高鐵橋孔安全評估技術分析

權緒良 中國鐵路上海局集團有限公司平改立工程指揮部

1 引言

上海局集團公司位于華東腹地，管內高鐵多位于地質復雜地區，近些年來，由于地方經濟快速發展，當地工程建設的需要與高鐵線路發生交叉，道路穿越運營高鐵橋孔對橋梁樁基產生附應力造成橋梁樁基沉降或水平位移變形，給高鐵運營安全帶來嚴重威脅。本文以徐州市夾河路下穿鄭徐高鐵徐州特大橋為例，建立有限元模型進行三維數值仿真計算，分析道路及施工荷載作用下橋梁基礎受力變形，評估道路下穿運營高鐵橋孔安全性。

2 工程概況

徐州市規劃夾河路北起興隆路，南至二環北路西延，依次下穿夾北鐵路上行線、夾北鐵路下行線、夾北鐵路疏解線三條既有普速鐵路路基以及鄭徐高鐵橋梁，是泉山經濟技術開發區內規劃的重要城市主干道。夾河路下穿夾北鐵路及鄭徐高鐵立交工程設計范圍為K1+600～K2+135，全長535 m。其中K1+923.50～K2+120.07為夾北鐵路南側U型槽U13～U22，本次先行實施下穿鄭徐高鐵橋梁段，即U13～U16。夾河路道路U槽分左右幅下穿鄭徐高鐵徐州特大橋126#～128#橋墩，單幅U型槽內寬16.88 m，車道布置形式為1.25 m人行道+6.25 m機非混行車道+0.88 m中分帶+8.5 m機動車道。下穿處道路設計里程K1+949.68，高鐵運營里程K214+573.22，道路與鐵路的夾角約為87.2°。下穿處鐵路梁體均為32.6 m簡支箱梁。夾河路從鄭徐高鐵徐州特大橋126#～128#墩之間下穿如圖2。126#～128#墩采用圓端型橋墩，承臺尺寸10.2 m×6.8 m×2.5 m，承臺底面標高分別為39.617 m、35.901 m和39.685 m。承臺下接10根直徑1 m樁基礎，樁長分別為47.5 m、47.5 m、47 m。樁底位于硬塑粉質黏土中，基本承載力為250 kPa。鄭徐高鐵徐州特大橋126#～128#墩橋型布置圖如圖1。

圖1 鄭徐高鐵徐州特大橋現狀

圖2 夾河路U型槽基坑下穿鄭徐高鐵徐州特大橋126#-128#橋橫斷面圖

本涉鐵工點的場地土層自上而下可劃分為：

粉土(Q4al)：該層于橋址區均有分布，層面標高4.54～41.99 m，層面埋深0 m～29.5 m，層厚0.4～21.8 m，平均厚度5.36 m。Es100～200＝8.33 MPa，土石等級為Ⅱ級，推薦承載力基本值δ0=120 kPa(液化前)。

粉質黏土(Q4al)：橋址區多有分布，層面標高1.15 m～41.21 m，層面埋深0 m～40.8 m，層厚0.2 m～25.3 m，平均厚度5.79 m。Es100～200＝5.70 MPa，Es300～400＝9.86 MPa，土石等級為Ⅱ級，推薦承載力基本值δ0=170 kPa。

粉質黏土(Q4al)：橋址區一般均有分布，為全新統與上更新統分界的主要標志層，層面標高0.39 m～32.16 m，層面埋深1.0 m～40.5 m，層厚0.1 m～29.0 m，平均厚度9.85 m。Es100～200＝8.37 MPa，Es300～400＝12.10 MPa，Es600～800＝19.17 MPa，土石等級為Ⅱ級，推薦承載力基本值δ0=200 kPa。

粉質黏土(Q3al)：該層主要分布于DK332+867.74～DK353+850.83，層面標高-16.26 m～17.42 m，層面埋深17.1 m～57.5 m，層厚0.7 m～31.5 m，平均厚度17.22 m。Es300～400＝13.54 MPa，Es600～800＝19.33 MPa，土石等級為Ⅱ級，推薦承載力基本值δ0=250 kPa。

灰巖(O)：該層主要分布于DK332+867.74～DK351+786.70、 DK357+607.84～DK359+121、 DK359+426.50～DK360+550.60，其余零星分布，層面標高-51.10 m～33.49 m，層面埋深1.0 m～85.7 m，地層未揭穿，最大揭露厚度34.6 m。土石等級為Ⅴ級，推薦承載力基本值δ0=1 000 kPa。

3 設計方案

夾河路道路U槽分左右幅從鄭徐高鐵徐州特大橋126#～128#橋墩之間穿過，道路與鐵路橋梁的交叉角度約為87.2°，交點處道路設計里程K1+949.68，高鐵運營里程K214+573.22。夾河路道路U槽單幅內寬16.88m，車道布置形式為1.25 m人行道+6.25 m機非混行車道+0.88 m中分帶+8.5 m機動車道，道路U槽采用明挖法施工。本次施工范圍為鄭徐高鐵徐州特大橋下道路U型槽，即U13～U16段，里程范圍K1+923.50～K2+000。U型槽基坑采用Φ1 m@1.2 m鉆孔灌注樁做圍護結構，設計樁長18 m，樁頂設置混凝土冠梁，冠梁尺寸1.2 m×1.0 m。U13~U15段基坑外側采用12 m長Ⅳ型拉森鋼板樁作為止水帷幕，鋼板樁不拔除；U16段基坑外側采用Φ0.7 m雙軸攪拌樁止水，樁長12m。高鐵橋梁下方U型槽基坑挖深6.67 m（含0.2m混凝土墊層厚度）。基坑開挖過程中設置兩道內支撐，第一道為0.6 m×0.8 m混凝土撐，支撐間距6 m，第二道為Φ609 mm臨時鋼支撐，支撐間距3 m。建議：①在道路U槽U13和U16的兩端圍護樁位置分別設置水平斜撐；②坑底采用 攪拌樁滿堂咬合加固，止水帷幕伸入到坑底以下3 m即可；③道路U槽底板（對撐到兩側鉆孔樁）成型后拆除第二道鋼支撐，第一道混凝土支撐永久保留。道路U槽U13～U16段北側為下穿夾北鐵路箱涵及其頂進工作坑，南側順接道路U槽U17～U22。下穿夾北鐵路箱涵為8 m+8.5 m+8.5 m+8 m四孔分離式箱涵，其中最北側箱涵為已施工的既有箱涵。道路U槽U17～U20段基坑采用Φ1 m@1.2 m鉆孔灌注樁做圍護結構，設計樁長15 m，樁頂設置混凝土冠梁，基坑外側采用Φ0.7 m雙軸攪拌樁止水，樁長12 m，基坑內寬約52.8 m，未設計內支撐。采取坑底加固、加長圍護樁或增設內支撐等措施，使基坑穩定性滿足安全等級一級要求。

4 安全評估主要技術指標

鐵路橋梁基礎沉降變形會導致橋梁上部線路不平順，為了保證鄰近運營高鐵施工過程中的高鐵橋梁設備的安全和列車運行的安全，根據《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》（TB10182-2017）、《中國鐵路上海局集團有限公司營業線施工工務安全監督管理辦法》[2020]345號文規定，高速鐵路無砟軌道橋梁樁基沉降或橫向位移變形不得超過2 mm。

5 模型建立

選取涉鐵范圍內的巖土及結構物，采用有限元計算軟件Plaxis 3D對方案中的施工過程進行數值模擬，模型中的各個土層中的土體均采用小應變土體硬化本構模型，結合本工程地質勘察報告和相關的工程經驗對土層的計算參數進行取值，既有高鐵樁基礎采用embedded樁單元模擬。整體的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。模型沿X、Y、Z三個方向的尺寸分別為140 m、140 m、80 m，其中X為順鐵路橋方向，Y為垂直鐵路橋方向，Z為豎向。模型見圖3。

圖3 結構模型示意圖

6 施工模擬

在Plaxis 3D有限元軟件中，按照實際施工順序分步進行模擬。首先凍結新建鉆孔樁內的土體，并施加向外面荷載來模擬樁基施工過程中的鉆孔泥漿護壁階段；隨后凍結模擬泥漿護壁的面荷載，激活孔內實體單元并替換為混凝土材料，模擬成樁過程；隨后依次激活各道支撐并凍結對應位置需要開挖的土體，模擬道路基坑分步加支撐后開挖的過程；接著激活基坑底部的面荷載來模擬道路U槽結構底板的現澆過程；隨后凍結澆筑荷載，激活U槽結構底板，凍結第二道撐。具體工況劃分如下：

工況1：鉆孔樁施工（鉆孔+成樁）；工況2：基坑施工第一道撐后開挖至第二道撐下，單步開挖3.43 m；工況3：基坑施工第二道撐后開挖至坑底設計標高，單步開挖3.24 m；工況4：道路U槽結構底板澆筑；工況5：道路U槽結構底板成型后拆除第二道撐。有限元施工過程模擬如圖4～圖8所示。

圖4 工況1

圖8 工況5

圖5 工況2

圖6 工況3

圖7 工況4

高鐵橋墩和承臺變形

夾河路施工對鄭徐高鐵徐州特大橋126#～128#橋墩和承臺的影響，主要包括順橋向位移（模型x方向）、橫橋向位移（模型y方向）以及豎向的沉降（模型z方向）（表1～表10）。

表1 工況1：高鐵橋墩墩頂階段位移

表2 工況1：高鐵橋墩承臺頂階段位移

表3 工況2：高鐵橋墩墩頂階段位移

表4 工況2：高鐵橋墩承臺頂階段位移

表5 工況3：高鐵橋墩墩頂階段位移

表6 工況3：高鐵橋墩承臺頂階段位移

表7 工況4：高鐵橋墩墩頂階段位移

表8 工況4：高鐵橋墩承臺頂階段位移

表9 工況5：高鐵橋墩墩頂階段位移

表10 工況5：高鐵橋墩承臺頂階段位移

針對前述5個施工工況的計算數據，對鄭徐高鐵徐州特大橋126#～128#橋墩和承臺累加位移進行匯總，得到表11和表12。

表11 各工況鄭徐高鐵橋墩墩頂累加位移匯總（單位：mm）

表12 各工況鄭徐高鐵橋承臺頂累加位移匯總（單位：mm）

由匯總表11得知，施工過程中引起的鄭徐高鐵橋梁墩頂最大順向橋累加位移發生在工況5，位于128#墩，最大位移-1.939 mm；鐵路橋梁墩頂最大橫橋向累加位移發生在工況五，位于127#墩，最大位移-0.654 mm；鐵路橋梁墩頂最大豎向累加位移發生在工況五，位于128#墩，最大位移-0.747 mm。

由匯總表12得知，施工過程中引起的鄭徐高鐵橋梁承臺最大順橋向累加位移發生在工況五，位于128#墩，最大位移-1.829 mm；鐵路橋梁承臺最大橫橋向累加位移發生在工況五，位于127#墩，最大位移-0.543 mm；鐵路橋梁承臺最大豎向累加位移發生在工況五，位于128#墩，最大位移-0.747 mm。各項結果均未超過2 mm。

7 結束語

7.1 安全評估

根據該工程地質條件及結構設計方案進行三維數值仿真計算結果，綜合分析評估新建道路U槽下穿鄭徐高鐵橋孔，對運營高鐵的安全影響，可以做以下安全評估:

（1）徐州市夾河路下穿鄭徐高鐵設計方案原則可行。

（2）道路U槽側墻外邊緣與高鐵橋墩的最小水平距離約為6.15 m，大于2.5 m，滿足防撞凈距要求。

（3）基坑新建鉆孔樁與高鐵橋墩樁基的最小樁間距為4.10 m，小于6倍新建樁樁徑（6 m），不滿足樁間距要求，建議采用全護筒跟進施工。

（4）夾河路機動車路面與高鐵梁底的最小凈空為17.18 m，高鐵橋下凈空大于5.50 m，滿足凈空要求。

7.2 在施工過程中建議采取以下工程措施

（1）鑒于部分基坑圍護鉆孔樁與高鐵橋樁樁間距不滿足要求，且該區域存在深厚飽和粉土層，建議不滿足6倍樁間距的圍護樁采用全護筒跟進施工。其他滿足樁間距的圍護樁，應采取加大泥漿比重等有效的防塌孔措施，避免成孔過程中發生塌孔，對鐵路產生不利影響。

（2）高鐵橋下道路U型槽基坑位于飽和粉土層，需加強止水帷幕的施工質量。坑底應采用攪拌樁滿堂咬合加固，止水帷幕伸入到坑底以下3 m即可。確保基坑開挖過程不影響坑外高鐵橋墩處的地下水位，且減小圍護結構變形。

（3）開挖時應遵循分區、分層、對稱、均衡的開挖原則，先撐后挖，嚴禁超挖。道路基坑施工過程中，禁止坑外降水。

（4）道路施工過程中挖土時應做到棄土隨挖隨運，填方應做到隨運隨填，不得在靠近高鐵橋墩處堆放棄土、填筑材料或其他施工機具。

（5）施工中要特別注意高鐵側施工機械的操作，避免施工機械碰撞到高鐵橋墩，確保橋梁的安全。

（6）施工前應先行測量鄭徐高鐵線形，獲得原始鐵路線形狀態資料，為后期檢修養護提供數據支撐。

（7）為保證鐵路運營安全，在施工過程中應加強對高鐵橋墩變形情況的監測，加強施工安全風險控制，做好應急預案。