車(chē)站配套市政道路下穿高速鐵路的安全性評(píng)價(jià)

李少孟

中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600

隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，沿線城市逐漸開(kāi)始依托新建高鐵車(chē)站進(jìn)行高鐵新區(qū)的規(guī)劃開(kāi)發(fā)，高鐵車(chē)站的配套市政工程建設(shè)至關(guān)重要。車(chē)站配套市政道路的建設(shè)不僅有利于提高其便捷性，也將為高鐵新區(qū)的建設(shè)格局帶來(lái)新的契機(jī)。但新建工程下穿高速鐵路施工勢(shì)必會(huì)對(duì)鐵路橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生影響，因此在新建市政道路下穿高速鐵路過(guò)程中保證橋梁的安全是一個(gè)十分重要的課題。

文章結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范分析新建市政路下穿在建橋梁設(shè)計(jì)方案的合規(guī)性，并通過(guò)三維數(shù)值模擬，分析道路施工對(duì)鐵路橋梁的影響，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，同時(shí)提出規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的建議，為今后類(lèi)似工程提供了參考。

1 工程概況及難點(diǎn)

1.1 工程概況

市政道路從杭紹臺(tái)鐵路臺(tái)州中心站特大橋34#～36#橋墩間分幅穿越，交叉角度約90°。杭紹臺(tái)鐵路為10線橋，34#～36#橋墩間上部結(jié)構(gòu)均為32m簡(jiǎn)支箱梁，橋墩為圓端形三柱框架式橋墩，墩高均為11.5m，承臺(tái)橫向總寬度分別為83.5m、74m、65m，承臺(tái)高度為2.2m，基礎(chǔ)為φ1.0m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)分別為58m、59m、59m。

東海大道為城市主干路，設(shè)計(jì)荷載為城-A級(jí)，設(shè)計(jì)時(shí)速為50km，采用樁板結(jié)構(gòu)下穿在建鐵路橋梁，橋面距杭紹臺(tái)鐵路梁底凈距為9.43m。左、右幅樁板結(jié)構(gòu)跨徑共120m，左幅樁基采用4根φ1m鉆孔灌注樁，樁間距為3.3m，右幅樁基采用5～6根φ1m鉆孔灌注樁，樁間距為3.430～ 4.186m。

落客平臺(tái)匝道采用整幅式斷面，橋梁全長(zhǎng)147m，下穿在建鐵路橋梁，橋面距杭紹臺(tái)鐵路梁底凈距為5.2m。上部結(jié)構(gòu)采用（34+60+53）m鋼箱梁，單箱單室結(jié)構(gòu)，橋?qū)?.5m，下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)處采用落地梁結(jié)構(gòu)形式，以結(jié)構(gòu)代填土，基礎(chǔ)為φ800mm鉆孔灌注樁。市政道路與杭紹臺(tái)鐵路位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 東海大道及落客匝道與杭紹臺(tái)鐵路位置關(guān)系圖（單位：cm）

1.2 地質(zhì)概況

施工范圍內(nèi)地層為第四系全新統(tǒng)沖海積地層（Q4al+m）粉質(zhì)黏土；第四系全新統(tǒng)海積地層（Q4m）淤泥；第四系全新統(tǒng)沖湖積層（Q4al+l）粉質(zhì)黏土；第四系全新統(tǒng)沖海積層（Q4al+m）黏土、粉質(zhì)黏土；第四系上更新統(tǒng)沖湖積層（Q3al+l）黏土、粉質(zhì)黏土、含礫粉質(zhì)黏土。鐵路及市政路承臺(tái)位于粉質(zhì)黏土層，鉆孔樁主要位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土層；地基土承載力僅120kPa，不宜采用路基形式下穿。

1.3 主要難點(diǎn)

綜合考慮地層條件、相對(duì)位置關(guān)系、鐵路變形控制、施工難度、風(fēng)險(xiǎn)等因素，東海大道采用樁板結(jié)構(gòu)形式下穿施工。其主要難點(diǎn)如下：（1）新建樁板結(jié)構(gòu)左幅與杭紹臺(tái)鐵路橋墩最小距離僅為2.28m，右幅與杭紹臺(tái)鐵路橋墩最小距離為2.97m，樁板施工對(duì)鐵路墩臺(tái)影響大；（2）新建樁板左幅樁基與鐵路既有樁基最小距離僅4.04m，右幅樁基與鐵路既有樁基最小距離僅4.05m，僅約等于4d（d為下穿工程樁徑），軟層地層中鐵路既有樁基受擾動(dòng)大，進(jìn)而導(dǎo)致墩臺(tái)變形；（3）市政道路與鐵路箱梁同步施工，相互干擾大，延長(zhǎng)了施工周期，增強(qiáng)了相互影響效應(yīng)。

2 設(shè)計(jì)方案合規(guī)性分析

對(duì)市政道路下穿高鐵設(shè)計(jì)要求的規(guī)定評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案如下：（1）東海大道左、右幅橋面距杭紹臺(tái)鐵路梁底凈距為9.43m，落客匝道橋面距杭紹臺(tái)鐵路梁底凈距為5.2m，大于4.5m，滿(mǎn)足城市道路限界高度要求；（2）樁板結(jié)構(gòu)防撞護(hù)欄為HA級(jí)，滿(mǎn)足護(hù)欄防撞等級(jí)采用現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的最高等級(jí)要求；（3）新建樁板結(jié)構(gòu)邊緣投影未侵入高鐵橋梁承臺(tái)范圍，滿(mǎn)足規(guī)范中規(guī)定樁板結(jié)構(gòu)邊緣其投影線與高鐵鐵路承臺(tái)邊緣線不得重疊的要求；（4）東海大道樁板結(jié)構(gòu)外側(cè)與既有高速鐵路橋墩最小距離為2.28m，規(guī)范要求凈距不宜小于2.5m，但該項(xiàng)目樁板結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)置了HA級(jí)防撞護(hù)欄，可保證運(yùn)營(yíng)期間鐵路橋梁運(yùn)行安全。

3 計(jì)算與分析

3.1 三維有限元模型

采用巖土有限元軟件MIDAS GTS NX建立包括巖土、橋樁、承臺(tái)、橋墩、樁板結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)的三維模型，并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。根據(jù)新建樁板結(jié)構(gòu)與既有橋梁的位置關(guān)系，并滿(mǎn)足一定邊界效應(yīng)，模型整體尺寸為170m×110m×75m。

模型采用位移邊界條件：側(cè)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、墩臺(tái)、承載板等采用實(shí)體單元模擬，樁基礎(chǔ)采用梁?jiǎn)卧M。有限元整體模型如圖2所示，實(shí)體墩、樁基、樁板結(jié)構(gòu)空間布置圖如圖3所示。

圖2 有限元整體模型

圖3 實(shí)體墩、樁基、樁板結(jié)構(gòu)空間布置圖

3.2 土層參數(shù)

土體強(qiáng)度準(zhǔn)則為Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，土體共劃分為6層，具體參數(shù)取自工程地質(zhì)勘察報(bào)告或參考區(qū)域其他工程，如表1所示。

表1 土層參數(shù)

3.3 施工階段模擬

模擬計(jì)算分為四個(gè)主要階段：初設(shè)應(yīng)力場(chǎng)、高鐵施工、新建樁板結(jié)構(gòu)施工、道路運(yùn)營(yíng)，具體施工步驟如表2所示。

表2 施工步驟

3.4 計(jì)算結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)計(jì)算，市政路施工、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中高鐵橋墩的最大豎向沉降為4.40mm，滿(mǎn)足20mm的規(guī)范控制限值要求；最大沉降差為2.73mm，滿(mǎn)足5mm的規(guī)范控制限值要求；最大縱橋向位移為2.73mm，滿(mǎn)足28.2mm的控制限值要求；最大橫橋向位移差為0.80mm，滿(mǎn)足16mm的控制限值要求，各工況下橋梁墩臺(tái)累計(jì)變形如表3所示。

表3 各工況下橋梁墩臺(tái)累計(jì)變形 單位：mm

新建市政道路施工后，臺(tái)州中心站特大橋34#～36#橋墩樁基單樁最大承載力仍小于容許承載力，高鐵橋樁安全，具體如表4所示。

表4 高鐵橋樁單樁承載力對(duì)照表 單位：kN

通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析，臺(tái)州中心站配套市政道路東海大道及落客匝道下穿杭紹臺(tái)鐵路施工及運(yùn)營(yíng)對(duì)鐵路墩臺(tái)的影響在安全范圍內(nèi)，市政路以樁板結(jié)構(gòu)型式近距離下穿高速鐵路方案具有可實(shí)施性。

4 結(jié)論

根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合規(guī)性分析及三維數(shù)值計(jì)算，得到新建樁板結(jié)構(gòu)施工和運(yùn)營(yíng)對(duì)高速鐵路墩臺(tái)變形的影響，主要結(jié)論如下：（1）設(shè)計(jì)方案符合相關(guān)規(guī)范強(qiáng)條，但由于東海大道結(jié)構(gòu)外側(cè)距鐵路橋墩較近，應(yīng)對(duì)臨橋墩側(cè)護(hù)欄進(jìn)行加強(qiáng)，并在東海大道左、右幅來(lái)車(chē)方向設(shè)置減速帶，以保證運(yùn)營(yíng)期鐵路橋墩安全；（2）在市政道路的施工和運(yùn)營(yíng)中，引起的高鐵橋梁墩臺(tái)的最大豎向位移、最大順橋向位移、最大橫橋向位移差均小于規(guī)范安全限值，工程設(shè)計(jì)方案具有可實(shí)施性；（3）樁板結(jié)構(gòu)實(shí)際施工時(shí)建議左、右幅樁基和承載板結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)施工，單側(cè)樁基跳樁施工；（4）實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)略小于計(jì)算數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)得出地層參數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確反映其實(shí)際情況，但仍具有一定參考價(jià)值；（5）為了減小高鐵橋梁墩臺(tái)變形，應(yīng)嚴(yán)格控制施工方法，嚴(yán)禁使用擾動(dòng)大的施工工藝；施工期間做好高鐵橋墩變形監(jiān)測(cè)，以指導(dǎo)施工。