公路路基下穿高速鐵路橋梁施工影響分析

成科霈

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

近年來，隨著我國交通基礎設施的不斷建設，公路和高速鐵路的交叉工程已呈現日益增多之勢。公路施工過程中產生的土體開挖與回填會對周邊的鐵路橋梁產生擾動，使之產生不均勻沉降或水平變形等，危害鐵路的運營安全。因此，在進行涉鐵段的公路設計時，應全面調查鐵路現狀，充分考慮公路的建設施工條件，對下穿設計方案進行合規性審查以及施工工況的安全評估，保證鐵路的變形沉降值滿足規范要求[1]。

1 工程概況

1.1 公路設計概況

新建公路為一級公路，設計車速為80 km/h，分幅設計，分離式路基段半幅寬16.75 m，機動車道數為雙向6車道。涉鐵段位于平曲線，左幅曲線半徑為1 420 m，修筑全長為72.6 m；右幅曲線半徑為1 100 m，修筑全長為72.6 m。左右幅兩端均位于鐵路中心線兩側30 m以外。公路中心線與安九線斜交，交叉角度為87°，采用路基形式下穿鐵路，道路兩側均設置了HA級防撞護欄。道路防撞護欄外側設置排水溝，進行集中排水。

1.2 路基設計概況

涉鐵段左、右幅豎曲線縱坡最大為1.059%，道路凈空最小為8.137 m。在新建道路涉鐵段設計起點處，左右幅道路路面標高分別低于原地面標高2.72 m、2.96 m，在高鐵橋下左右幅道路路面與原地面高差為0，在涉鐵段設計終點處，左右幅道路路面標高分別高于原地面標高3.52 m、3.75 m，即設計起點路段為挖方，設計終點路段為填方。

地基處理：先清表30 cm，然后夯實30 cm素土，再分層填筑80 cm石灰土(6%)至路面結構地面，壓實度不小于96%。

1.3 安九高鐵概況

安九高鐵設計行車速度為350 km/h，新建公路于安九高鐵潛水河特大橋第182孔梁及第183孔梁下穿越。該處橋梁為32 m簡支箱梁，橋墩采用圓端形墩及矩形承臺，橋墩均采用8根鉆孔灌注樁基礎，樁徑1.0 m。鐵路鋪軌已完成，計劃2021年12月通車。

1.4 公路與鐵路相對位置關系

公路左右兩幅與安九高鐵潛水河特大橋斜交，交叉角度為87.0°。公路左幅道路防撞護欄外側距潛水河特大橋182號橋墩的最小凈距為4.788 m、距182號墩承臺的最小凈距為3.197 m，距183號橋墩的最小凈距為8.894 m、距183號墩承臺的最小凈距為7.253 m，道路凈空為8.137 m；公路右幅道路排水溝外側距潛水河特大橋181號橋墩的最小凈距為5.952 m、距181號墩承臺的最小凈距為4.364 m，距182號橋墩的最小凈距為5.722 m、距182號墩承臺的最小凈距為4.108 m，道路凈空為8.142 m。道路基坑開挖后，基坑邊緣與橋墩最小距離約為3.6 m，基坑底為基本承載力200 kPa的全風化砂巖，且位于地下水位線以上2 m。新建公路與安九高鐵潛水河特大橋的相對位置關系如圖1所示。

圖1 新建公路與安九高鐵相對位置關系(單位：cm)

2 控制標準

公路下穿處安九高鐵為無砟軌道，參照《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》(TB 10182-2017)第3.0.3條，受下穿工程影響的高速鐵路橋梁墩臺墩頂位移限值橫向水平、縱向水平、豎向位移均為2 mm，因此施工引起的墩頂位移控制值為±2 mm。

3 數值模擬

3.1 有限元模型建立

運用Midas GTS/NX軟件，建立三維空間模型，土體、橋墩、承臺、路基結構采用實體單元模擬，高鐵樁基采用樁單元模擬[2]。為了消除邊界對計算結果的影響，模型邊界均距主體工程大于30 m，有限元模型的幾何尺寸是170 m×120 m×55 m(順鐵路方向×橫向×高度)，如圖2所示。

圖2 三維模型

模型采用位移邊界條件，即側面約束水平位移、底部約束豎向位移。主梁采用C50混凝土，彈性模量為3.55×104MPa；橋墩、承臺與樁基采用C30混凝土，彈性模量為3.20×104MPa；路基結構為水泥穩定碎石，彈性模量為9 000 MPa。土體采用修正摩爾-庫侖準則模擬，土體的計算參數參考地質勘察報告和相關的工程經驗，如表1所示。

表1 土層參數

3.2 施工階段模擬

Midas GTS/NX軟件在計算時先根據實際工程得到重力作用下的應力場，然后將得到的應力場定義為初始應力場，與重力荷載一起施加給原始模型，可以得到既滿足平衡條件又不違背屈服準則的初始應力場，可以保證各節點的初始位移近似為0。建模時應將橋梁與公路路基按結構種類劃分不同的實體塊，實體塊之間通過節點耦合，如在基坑開挖過程中，通過鈍化表層土與路基土的實體塊來實現。計算工況根據施工工序進行實體單元的移除與激活，按照實際的施工步驟進行模擬，新建工程采用放坡開挖→現場澆筑→回填的施工方式，故本次研究共分為6個施工階段，分別為：階段1，高鐵成橋；階段2，基坑開挖；階段3，地基處理；階段4，基層施工；階段5，面層施工；階段6，防撞護欄施工。

3.3 計算結果分析

3.3.1 對墩頂位移的影響

路基開挖與填筑過程相當于對安九高鐵附近的地基基礎進行卸載與加載，其產生的應力釋放與附加壓力通過應力擴散作用導致周圍一定影響區域的土體應力與位移發生改變，進而影響安九高鐵橋梁結構[3-4]。通過數值模擬，得到了安九高鐵潛水河特大橋180～184號橋墩墩頂受新建工程施工影響產生的三個方向的附加位移，如圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著基坑的開挖，基坑底部土壓力被釋放，基底在兩側主動土壓力作用下向上隆起，安九高鐵潛水河特大橋181～183號橋墩發生向上位移，而基坑兩側在主動土壓力作用下，土體向下位移，正如180號和184號墩的位移規律，其中影響最大的是182號橋墩，最大附加豎向位移為1.458 mm，隨著路基的澆筑位移逐漸向下，最后基本恢復；基坑開挖階段180～182號墩向小里程側偏移，而183～184號墩向大里程側偏移，之后偏移逐漸減小，產生最大附加縱向位移的是183號橋墩，為0.817 mm；整個施工過程中180～184號墩幾乎均向路基填方側偏移，產生最大附加橫向位移的是182號橋墩，為0.418 mm，發生在防撞護欄施工階段。橋墩的橫向剛度大于縱向剛度，并且縱向偏載作用大，所以橫向變形小于縱向，但大面積開挖與回填對橋墩豎向位移影響最大。

圖3 墩頂變形(單位：mm)

3.3.2 對樁身軸力的影響

新建道路施工完成后，由于應力擴散作用，安九高鐵橋梁樁基的樁身軸力會發生變化，計算了180～184號墩承臺下樁身軸力的增加量(如表2所示)，其中影響最大的是182號墩的8號樁基(樁位如圖4所示)，其樁身軸力增加最大為120.1 kN，但增加后的樁身軸力仍小于容許承載力，承載力安全系數由1.06減小為1.03。所以在鐵路設計時期如果有明確下穿公路規劃的，可以對此橋墩樁基進行加強配筋或增加樁長設計，以提高樁基承載力。

圖4 樁位

表2 單樁承載力 kN

3.3.3 對樁基位移的影響

以182號墩的8號樁基為例，對其樁身位移在各個施工階段下的位移進行分析，結果如圖5、圖6所示。

圖6 樁身附加水平位移(單位：mm)

由圖5可知，新建路基施工時安九高鐵樁基發生向上的豎向位移，最大為1.159 mm，發生在基坑開挖階段，隨著路基的回填樁基豎向變形逐漸恢復，當基層施工完成后，基本恢復，隨著路面結構的澆筑，高鐵樁基開始向下位移，最大為0.467 mm。

圖5 樁身附加豎向位移(單位：mm)

由圖6可知，在基坑開挖階段中樁身最大水平位移發生在距樁頂約3.5 m深度處，為0.141 mm，而樁底附近發生反方向的水平位移，即整根樁基呈現傾斜狀態。由于路基施工開挖深度較淺，樁頂部分土壓力釋放大于樁底部分，所以樁頂部分位移變化明顯[5-7]。隨著基坑的開挖與回填可以看出，樁身水平位移是一個彈性變形，最后防撞護欄施工階段樁頂與樁底水平位移差值很小為0.1 mm，說明幾乎達到了填挖平衡的狀態。

3.3.4 對安九高鐵橋面板的影響

根據《鐵路橋涵設計規范》(TB 1002-2017)的規定：設計時速200 km及以上的鐵路梁端水平折角應不大于1.0‰ rad。

由于相鄰橋墩發生橫向水平位移差，橋面板會產生傾斜，以受施工影響最大的181～183號橋墩為例，分析了鐵路梁端水平折角隨施工階段的變化，具體如圖7所示。以高鐵成橋狀態梁端水平折角為零進行計算，得到了在防撞護欄施工階段產生的累計水平折角最大為0.018‰ rad，遠小于規范規定值，說明新建工程方案可以滿足行車條件下列車的安全性和旅客的乘車舒適性。

圖7 鐵路梁端水平折角隨施工階段變化

4 結論與建議

(1)新建公路施工過程引起的安九高鐵橋墩墩頂附加豎向位移最為明顯，其最大值為1.458 mm，小于變形控制值2 mm。

(2)受新建公路的影響，安九高鐵橋梁樁基樁身軸力增加120.1 kN，但增加后的樁身軸力仍小于容許承載力，可以對橋墩樁基進行加強配筋或增加樁長設計，以提高樁基承載力。

(3)隨著基坑的開挖與回填可以看出，樁身水平位移是一個彈性變形。

(4)安九高鐵橋面板梁端水平折角受新建公路路基施工影響的程度很小，遠低于規范限值。

通過計算分析可知，新建公路施工對安九高鐵的影響較小，產生的風險等級在可控制區間以內，故新建公路下穿安九高鐵潛水河特大橋方案總體可行。從出現變形位移最大的施工階段可以看出，主要發生在基坑全開挖階段，所以建議基坑施工盡量分區、分層、對稱、均衡開挖，不得超開挖，以保證施工的質量安全。