市政道路下穿運營高速鐵路橋梁影響分析及風險評估

李仁強

中鐵九局集團第六工程有限公司，沈陽 110000

1 工程概況

浙江省衢州市衢化西路屬于市政規劃道路，該道路在K1+135—K1+285 區段從杭長（杭州—長沙）高速鐵路江山港特大橋8#墩和9#墩之間穿過，與杭長高速鐵路交角為70°55′，道路寬40 m。綜合考慮衢化西路寬度、8#墩與9#墩的間距，將衢化西路機動車道設置為U 型槽，人行道及非機動車道設置在U 型槽外側，見圖1。

圖1 衢州西路U型槽設計方案（單位：m）

2 有限元分析

采用有限元軟件建立模型，計算分析道路施工期間、運營期間對杭長高速鐵路江山港特大橋樁基和墩臺的影響。

2.1 模型的建立和參數的確定

先開挖基坑，在坑底鉆孔注漿加固，然后施作U 型槽底板，支模施作U 型槽側墻。衢州西路基坑長150.0 m，寬25.0 m，深5.1 m。基坑支護采用鋼筋混凝土鉆孔樁和素混凝土鉆孔樁，直徑1.25 m，樁間距1.00 m，相互咬合0.25 m，樁長18.00 m，樁頂設置鋼筋混凝土冠梁。承臺采用平面單元模擬，橋梁樁基和基坑支護鉆孔樁采用梁單元模擬［1］。巖土材料計算參數見表1，基坑支護鉆孔樁及橋梁樁基、承臺計算參數參考文獻［2-3］取值，見表2。

表1 巖土材料計算參數

表2 基坑支護鉆孔樁、橋梁樁基和承臺計算參數

2.2 計算結果與分析

2.2.1 道路施工階段

道路施工階段基坑支護鉆孔樁及兩側土體、橋梁樁基及承臺的位移見表3。其中：水平位移為正表示向基坑側位移，豎向位移為正表示沉降。

表3 道路施工階段各結構位移 mm

1）支護結構及土體位移

GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》規定：基坑支護結構最大側向位移不大于0.18%H（H為基坑開挖深度），坑外地表最大沉降不大于0.15%H。本基坑深度為5.10 m，故支護結構最大側向位移容許值為9.18 mm，坑外地表最大沉降容許值為7.65 mm。由表3 可知：基坑支護鉆孔樁最大水平位移2.43 mm，基坑兩側土體最大沉降0.72 mm，均滿足規范要求。

2）橋墩樁基和承臺的位移

TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》規定：橋梁墩臺沉降限值為20 mm，相鄰墩臺沉降差限值為5 mm。由表3 可知：道路施工階段受基坑開挖土體卸荷影響，高速鐵路橋梁樁基及承臺產生了向基坑側的水平位移，土體沉降帶動了樁基及承臺沉降。橋梁樁基、承臺最大豎向位移為0.28 mm，位移差值0.28-0.22 = 0.06 mm，均滿足規范要求。雖然規范中未對水平位移作明確要求，橋梁樁基、承臺最大水平位移1.00 mm 對結構安全幾乎無影響。高速鐵路橋梁樁基、承臺均處于安全穩定狀態。

2.2.2 道路運營階段

衢州西路機動車道荷載按公路I 級荷載取值，將機動車道荷載、行人及非機動車道荷載換算成等效均布荷載，其值為35 kPa［4-5］。道路施工完成通車后，U 型槽及其兩側土體、橋梁樁基及承臺的位移見表4。其中：水平位移為正表示向U 型槽側位移，豎向位移為正表示沉降。

表4 道路運營階段各結構位移 mm

U型槽深度為3.9 m，根據GB 50007—2011計算出U 型槽最大水平位移容許值為7.02 mm，U 型槽兩側土體最大沉降容許值為5.85 mm。由表4可見：①U型槽最大水平位移為0.34 mm；U 型槽兩側土體最大豎向位移為0.16 mm，各項位移均滿足規范要求。②橋梁樁基、承臺最大水平位移0.04 mm，最大豎向位移0.14 mm。水平位移對結構安全無影響，豎向位移滿足規范要求，高速鐵路樁基、承臺處于安全穩定狀態。

3 施工風險評估

風險分為風險決策和風險監控兩部分。風險決策是根據風險評估結果，從風險對策集合中選定合適的對策處置風險。風險監控是指對潛在風險進行監測，并適時采取控制措施的過程。安全風險評估流程［6］見圖2。

圖2 安全風險評估流程

3.1 風險分析與管理

工程安全風險的分析與管理貫穿于設計、施工、運營全過程。衢州西路下穿既有運營高速鐵路橋梁，安全風險涉及面廣、影響因素復雜且具有動態可變性。

3.1.1 地質勘察階段

工程地質勘察為設計提供基礎資料。地質勘察引起安全風險事故的概率等級為3（偶然），事故后果等級為2（較大），安全風險等級為中度，屬于可接受的風險。

3.1.2 設計階段

本項目設計過程中的重大安全風險源為如何對既有鐵路橋梁進行防護。對設計文件中的總體方案、平縱斷面設計、建筑限界及基坑開挖防護進行了專項分析，辨別潛在風險。

1）總體方案。衢化西路下穿杭長高速鐵路橋梁段道路僅機動車道設置U 型槽，減少了新建道路對既有高速鐵路橋梁的影響。

2）平縱斷面設計。下穿段道路機動車道設計凈空大于5.5 m，機動車道最大坡度3.5%，非機動車道最大坡度4.5%，滿足作為城市主干道的要求。

3）建筑限界。從平面來看，基坑防護樁與既有高速鐵路橋梁樁基（9#墩）最小凈距4.66 m；非機動車道邊線距高速鐵路橋梁9#墩最小凈距4.64 m。建議此處對高速鐵路橋墩設置隔離防護措施。從立面來看，衢化西路最小凈空約7.6 m，滿足道路最小凈空5.5 m要求；非機動車道最小凈空約4.7 m，滿足道路最小凈空3.5 m要求。

4）基坑開挖防護。根據設計文件，下穿段基坑采用咬合鉆孔灌注樁支護兼作止水帷幕，基底采用注漿加固，基底最大沉降6.3 mm，幾乎沒有沉降，設計方案合理?；臃雷o樁與既有高速鐵路橋梁樁基（9#墩）最小凈距4.66 m，注漿壓力大對鐵路影響較大，且對于粗圓礫土層采用注漿加固的方式很難達到設計要求［7］，建議采取其他方案封底止水。

根據以上風險辨識與分析，通過設計方案的修改完善，設計引起的風險可以規避。設計值未核查、封底止水方案不適合該工程等因素引起安全風險事故的概率等級為2（不可能），事故后果等級為3（嚴重），安全風險等級為中度，屬于可接受的風險。

3.1.3 施工階段

下穿段道路施工過程中可能危及既有高速鐵路橋墩的重要風險源為施工挖土、堆土、注漿對既有高速鐵路橋梁造成影響，施工機具觸碰鐵路橋梁等。施工過程中應根據條件的變化進行動態識別與防范，加強施工管理與風險監測，遵守相關法令與高速鐵路營業線施工規定，落實風險防范應急預案。

施工階段發生安全風險事故的概率等級為3（偶然），事故后果等級為3（嚴重），安全風險等級為中度，屬于可接受的風險，但是事故一旦發生后果嚴重，因此須采取控制措施降低風險并加強監測。

控制措施：①為減少道路施工對既有鐵路的影響，應按不同施工階段及關鍵工序編制專項施工方案，并報鐵路相關部門審批通過后方可實施；②施工前設備管理人員到現場確認各鐵路設備的位置，并采取有效防護及臨時過渡措施后方可開始施工，操作人員嚴格持證上崗，嚴格執行“一機一人”防護工作；③新建道路施工期間橋墩附近嚴禁堆載；④各種施工機械使用過程中時刻保持安全距離，不得觸碰鐵路橋墩及附屬設施，增加橋墩臨時隔離防護措施；⑤施工期間嚴禁在杭長高速鐵路附近抽排地下水，做好新建道路、既有鐵路及施工區域的排水工作；⑥施工期間應做好橋墩變形監測，避免因鐵路橋墩變形超限發生重大風險事故。

3.1.4 運營階段

運營階段對既有橋梁的影響主要在于運行車輛失控沖出道路撞擊鐵路橋墩以及超高、超載、超速車輛對鐵路橋梁梁體造成損害［8-10］。衢化西路非機動車道距離既有高速鐵路9#墩較近，建議在非機動車道靠近橋墩側設置防護設施及車輛通過限高、限載、限速標志。

運營階段安全風險有偶發性且管理難度大，該階段風險的規避應在建設期完善防護設施、提高施工質量，后期加強監管，嚴禁超限車輛通行。運營階段發生安全風險事故的概率等級為3（偶然），事故后果等級為2（較大），安全風險等級為中度，屬于可接受的風險。

3.2 風險綜合評定

對各階段安全風險進行評估分析，并采取相應的完善措施后，工程設計、施工及運營階段風險均較低。

4 現場監測

衢化西路在道路施工階段及運營階段，利用激光傳感器監測基坑支護鉆孔樁、土體、高速鐵路橋梁承臺的水平位移和豎向位移，測量精度0.1 mm。

道路施工階段位移實測值與數值模擬值對比見表5?？梢姡旱缆肥┕るA段基坑支護鉆孔樁最大水平位移實測值與數值模擬值相差不大；基坑兩側土體最大豎向位移實測值稍大于模擬值；8#墩、9#墩承臺最大水平位移實測值稍小于模擬值；8#墩、9#墩承臺最大豎向位移實測值與模擬值也相差不大。

表5 道路施工階段位移數據對比 mm

道路運營階段U 型槽及其兩側土體、8#墩和9#墩承臺位移實測值與數值模擬值對比見表6。可見：與道路施工階段一樣，道路運營階段各項位移實測值與模擬值雖有一定差異，但相差不大。

表6 道路運營階段位移數據對比 mm

5 結語

通過建立有限元模型分析了道路施工及運營對既有高速鐵路橋梁樁基和承臺的影響，為設計方案提供理論依據。

對地質勘查、設計、施工、運營各階段的風險源進行了辨識與分析，并提出相應的控制措施，使施工步驟和施工組織更合理、施工過程中防護措施更得當，將各種潛在風險降至最低。

該工程已竣工并運營。經現場實測，道路在施工階段及運營階段高速鐵路橋梁結構變形可控，設計及施工方案切實可行。