基于橋墩位移影響的道路下穿運營高鐵方案比選分析

田佳成 TIAN Jia-cheng

（中鐵上海設計院集團有限公司杭州院，杭州 310000）

0 引言

隨著我國高鐵運營里程的逐步增加以及城市不斷的外擴發展，下穿高鐵橋梁的道路工程數量不斷增多。2018年4 月國家鐵路局頒布的《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》（TB10182-2017）[1]（以下簡稱《下穿規程》）對于路基結構、U 型槽結構、樁板結構、橋梁結構等不同道路下穿方案的適用條件及限制性因素都進行了詳細規定。我國高鐵設計時速達到了300~350km/h，2021 年6 月國家鐵路局頒布的《鄰近鐵路營業線施工安全監測規程》（TB10314-2021）[2]對于高鐵橋墩的位移變化范圍做出了嚴格的規定，因此各種下穿方案對橋墩的位移影響成為極其重要的比選因素。

1 工程概況

新建某道路需從既有杭深鐵路某大橋的11#和12#墩之間下穿，11#和12#墩均位于淤泥質地層上，由于淤泥質地層的特性，下穿道路可能影響杭深鐵路的安全性。此外，靠近12#墩有一地方防洪堤壩，本工程設計仍保留。考慮到施工作業時，需對既有防洪堤壩進行部分開挖，可能造成堤壩失穩，同步導致臨近高鐵橋墩發生變形，危及高鐵安全運營，現場位置示意如圖1。

圖1 現場位置示意圖

根據地勘資料，場地主要由雜填土、粉質黏土、淤泥、細圓礫土、全風化凝灰巖等組成，地下水主要為為第四系孔隙潛水。各土層力學參數見表1。

表1 地質力學參數

②-1 粉質黏土層：灰黃色，軟可塑狀，干強度中等，韌性中等，具中等壓縮性。

②淤泥：灰色，流塑，切面較光滑，高韌性，干強度高，搖振無反應，土質不均。該層物理力學性質較差，具高壓縮性。

③粉質黏土層：灰褐色，硬可塑，干強度中等，中等韌性，切面較光滑，搖振無反應，土質不均。該層物理力學性質一般，具中等壓縮性。

④細圓礫層：灰黃色，顆粒呈亞圓形、中風化該層力學性質好，但層頂埋深較深。

2 方案比選

本工程下穿鐵路段道路為直線，與鐵路中心線夾角為80°，涉鐵段總長84.0m，縱坡為0.65%，建成后鐵路橋下凈空＞5.7m。新建道路橫斷面布置為：3.0m 人行道+2.0m 非機動車道+14.0m 機動車道。

《下穿規程》中的相關規定：“下穿工程采用鉆孔樁時，其與高速鐵路橋梁基礎樁的中心距在軟黏土等不良土層時，不宜小于6 倍下穿工程樁徑”、“除橋梁外，其他下穿工程結構邊緣線投影不應侵入高速鐵路橋梁承臺”、“橋梁、樁板結構、路基護欄外側與高速鐵路橋墩的凈距不宜小于2.5m”。

結合本工程地質勘察報告，由于有不良土層（淤泥層，厚約5m），且路基填方高度較高（4.0～5.0m）（《下穿規程》規定“路基填筑高度不大于1m 且地基土承載力大于180kPa 時才可采用路基方式下穿”），道路不應采用路基結構下穿既有鐵路，因此對樁板結構和橋梁結構兩個方案進行比選。

2.1 樁板結構

樁板結構布跨采用3×8.0m+3×8.0m+3×8.0m=72.0m（不含伸縮縫），寬度20.0m（包含兩側防撞護欄），板厚0.7m，下部結構采用φ0.8m 鉆孔灌注樁[3][4]。

表2 方案比選表

樁板結構防撞護欄外邊距離鐵路11#橋墩邊緣最近距離為3.51m, 距離鐵路12#橋墩邊緣最近距離為4.96m。最外側鉆孔灌注樁中心距離既有鐵路11#橋墩樁中心最近為5.16m, 距離既有鐵路12#橋墩樁中心最近為6.48m。

2.2 橋梁結構

由于本工程堤壩放坡處橋梁支座不能埋入土中，布跨采用1-20.0m 預應力混凝土簡支梁+（15.0+25.0+15.0）m混凝土連續剛構形式。

下穿鐵路段橋梁上部結構（15.0+25.0+15.0）m 混凝土連續剛構橋中支點梁高2.2m，中支點兩側各6.0m 范圍梁高采用折線進行過度，跨中梁高1.0m，中支點寬度2.0m。下部結構采用φ1.2m 鉆孔灌注樁。

橋梁防撞護欄外邊距離鐵路11#橋墩邊緣最近距離為3.51m，距離鐵路12#橋墩邊緣最近距離為4.96m。最外側鉆孔灌注樁中心距離既有鐵路11#橋墩樁中心最近為7.58m，距離既有鐵路12#橋墩樁中心最近為7.44m。

3 數值模擬分析

經驗法只能對施工期間及結束后的高鐵橋墩位移、防洪堤壩穩定性有一個大致的判斷，不能較準確地估量出具體數值，也不能考慮三維運動狀態下的土體擾動行為對高鐵橋墩及防洪堤壩的影響，而數值模擬方法的出現使我們對土體及上部結構物的位移變形特性的模擬變得簡單。通過有限元進行分析時，主要有以下三個步驟：

①結構離散化：結構離散化就是將結構分成有限個小的單元，單元與單元、單元與邊界之間通過節點連接。結構離散化是有限元分析的第一步，關系到計算精度與計算效率，是有限元的基礎步驟，包括以下三個方面：選擇單元類型；網格劃分；節點編號。

②單元分析：通過對單元的力學分析建立單元剛度矩陣。

③整體分析：整體分析包括形成整體荷載列陣；形成整體剛度矩陣，得到總體平衡方程；引入邊界條件，求解總體平衡方程，求出節點位移。

表3 12# 橋墩頂累計位移匯總

表4 提壩累計位移匯總

本次數值模擬計算分析了在考慮下穿道路上部高速鐵路列車運營荷載作用下，防洪堤壩開挖、道路施工、道路運營等工況對既有杭深鐵路安全運營的影響，選取下穿道路施工涉鐵范圍內的巖土體和結構物建立有限元計算模型。為考慮模型邊界效應的影響，選取該計算模型的尺寸為：長（y 向）90m，寬（x 向）90m，高（z 向）50m，模型長、寬尺寸的選取原則是約11#橋墩和12#橋墩縱橋向距離的3倍，高度尺寸的選取原則約為鉆孔灌注樁入土深度的1.5倍。模型邊界條件為靜力邊界條件，具體為：模型底部施加完全固定約束，側面施加法向固定約束，不施加切向約束；模型上表面為自由邊界，無約束。該計算模型的土體采用修正的Mohr-Coulumb 本構模型模擬，高鐵橋墩及樁基、樁板結構及橋梁結構采用彈性本構模型模擬。土體計算參數結合本工程地質勘察報告、工程地質手冊及當地相關經驗進行選取，取值以偏安全為原則。

為從整體上把握兩個方案的實施對既有高鐵的影響，結合工程地質條件等，選用有限元軟件MIDAS/GTS NX 建立數值計算模型，以樁板結構下穿為例[5]，共設置了4 個工況，分別為：

①工況1：橋墩施工場地應力場平衡；

②工況2：堤壩開挖；

③工況3：樁板結構樁基施工；

④工況4：道路運營階段荷載施加。

在本次數值計算分析中，根據施工工序將計算工況主要劃分如下：首先，對施工前原場地進行初始地應力平衡計算，即初始地應力場模擬，計算得到施工前地基土體的應力與位移狀態，將位移場清零；隨后，鈍化橋墩樁基附近土體，激活樁單元、承臺單元和橋墩單元，模擬橋墩施工后的地應力場，同樣保留應力狀態，將位移場清零；隨后進行防洪堤壩開挖，鈍化需要開挖部分的單元進行模擬；然后，開展道路施工的模擬，即激活路面單元及相應樁單元；最后，激活汽車荷載模擬道路運營對橋墩及堤壩變形的影響。

堤壩開挖后有向臨空面方向的位移，但在橋墩附近土體由于橋墩的自重影響，位移趨勢不明顯；開挖較深處回彈較大，且靠近臨空面土體豎向沉降更大，受影響范圍更廣。

從上述比較可知，無論方案一、方案二引起的橋墩墩頂在水平位移和豎向沉降均在高鐵橋墩位移（3mm）的要求范圍內，但方案二橋面嵌入防洪堤壩的體積更大，即需要對堤壩的開挖量更大，引起的高鐵12#橋墩墩頂位移遠大于方案一引起的位移。

4 結論和建議

本文以某道路下穿高鐵為例，首先介紹了《下穿規程》中各種方案的要求，然后著重闡述了“樁板結構”與“橋梁結構”在設計過程中應重點考慮的內容，最后通過有限元軟件分析了兩個方案對高鐵橋梁的影響。

主要結論如下：

①在滿足《下穿規程》相關橋墩凈距、樁間距等要求的基礎上，“樁板結構”與“橋梁結構”對高鐵橋墩的位移影響均在控制范圍；②方案比選應著重根據不同項目的控制性因素，如周圍建筑物影響、造價預算等進行考慮。

圖2 整體模型圖