公路下穿橋梁安全性評估研究

李花磊

（山東金衢設計咨詢集團有限公司 山東 濟南 250014）

0 引言

由于經濟發展的需要，公路與鐵路發展迅速，出現了較多鐵路與公路互相交叉穿越的情況，通常情況下，為了確保鐵路的正常使用和結構穩定性，大部分公路以下穿鐵路的形式進行修建[1]。與此同時，鐵路作為我國重要交通工程，承擔著絕大部分的貨物運輸和人們出行工作，促進了城市之間的交流和發展，所以為了保證鐵路運行通暢和穩定，對鐵路橋梁的變形有十分嚴格的要求，尤其是下穿工程對臨近鐵路的影響更是重中之重[2-3]。很多學者也對此進行深入研究。孫宗磊[4]以石家莊到濟南客運專線為研究對象，對橋梁變形自動化監測和臨近高鐵線間距的選擇進行研究，給臨近既有鐵路的建設提供指導。姜海君等通過建立有限元模型，對既有高鐵線路受到下穿工程的影響進行精確計算。

基于此，為了進一步掌握下穿現有高鐵橋梁工程施工對現有橋梁的穩定性的影響，通過數值仿真計算的方式對橋墩豎向變形值進行計算，評估了施工過程的安全風險，并根據實測數據反演調整模型，提高預測精度，同時根據配重調控法對施工過程進行動態控制，給相關工程提供借鑒。

1 項目概況

380km/h 為某高鐵橋梁設計速度，上部結構選擇了30m 的預應力混凝土簡支箱梁，設計類型為無砟軌道，高14m 的雙線圓端形實體墩為橋墩類型。樁基礎我為基礎類型，8m×12m×3m 為其128~130 號墩承臺的尺寸，12m為其埋深，各墩都使用了9 根長度為40m 的鉆孔樁；7.2m×10.2m×2.6m為125~127、131~133號墩承臺尺寸，1.9m為其埋深，各墩都使用了9 根長度為38m 的鉆孔樁。

擬在橋梁下部建造一條高速公路，與現有橋梁程62°斜交，擬選則2 孔框構分幅斜交下穿。20.4m 為單幅框構總寬，9.5m 和1m 分別為側墻高度與厚度，0.7m 為其和橋墩最小凈距。施工進程共有5 個階段，依次為開挖南側工作坑→框構主體的澆筑→附加壓重荷載→頂進框構→施工開挖北側引道，在施工時下穿工程土方開挖量為1×106m3，最大挖掘深度和最大影響范圍分別為10m 和250m。因為工程開挖量和影響范圍均較大，有可能會對現有高鐵橋梁的穩定性和安全性造成影響，所以要對其施工安全性進行評估，保障工程安全。

2 評估技術

在識別安全風險的過程中，采用專家調查法、風險交流法進行定性分析，再通過數值仿真分析法對安全風險進行定量評估。同時通過專家調查法、風險交流法得出現有高鐵橋梁受下穿工程施工過程里可能存在3 項風險，分別為頂進路徑沖突風險、框構姿態失控風險以及基坑坍塌風險，定性分析這3 項風險同時提出防治措施。

2.1 評估結構安全性的方法

為了得出現有高鐵橋梁受下穿工程的影響程度，通過數值仿真分析法對安全風險進行定量評估，樁基承載力、變位變形以及基本構造為具體評估內容。

2.2 評估結果

根據相關規范評估基本構造：橋墩和下穿公路行車道最外側的最小距離為2m，橋墩和框構最外側的凈距最小為0.7m，部分承臺被框構主體占壓，2.6m 為占壓寬最大值，構造物距離達到了當前規范標準。選擇壓重頂進法進行施工，無須搭建大型設備的臨時施工措施，達到鐵路安全要求。

根據相關規范評估橋梁結構變位與變形：通過有限元軟件構建道路下穿高鐵橋梁橋墩工程的模型，340m×340m×80m 為模型尺寸，選擇樁單元模擬樁基；選擇板單元模擬圍護樁和防護樁；選擇實體單元模擬高鐵橋梁橋墩；框構頂壓重荷載、路面荷載以及橋墩的上部荷載的加載方式均選擇均布荷載的形式進行模擬。通過計算，能夠得到橋梁橋墩豎向變形受下穿工程的影響程度，如圖1所示。

圖1 橋梁橋墩豎向變形受下穿工程的影響程度

從圖1 中能夠看出，因為土體卸載后會出現回彈現象，下穿工程施工時開挖土體會造成橋墩處發生隆起變形。在南側工作坑施工時期，隆起變形值達到0.707 mm；隆起變形在施工壓重荷載施加階段和主體框構澆筑階段有所減少，但是幅度不大；隆起變形值在施工進行框構頂進階段時，快速提高到3.186 mm，并在施工進行到北側引道開挖階段時增加到最大值，為5.484 mm，隆起變形最大處為129 號墩。-11 mm 為原設計中此處橋墩的沉降值，疊加經過下穿工程后的沉降值后為-5.518 mm，符合《高速鐵路設計規范》里要求的沉降值不超過20 mm 的要求。

表1 為疊加原設計中相鄰橋墩的沉降差異值與經過下穿工程后相鄰橋墩變形差異值后的結果。從表1 中能夠看出，因為下穿工程導致的橋梁豎向變形最大差異的部位為130-131 墩號之間，達到-2.997 mm，處在《高速鐵路設計規范》里要求的-5 mm~5 mm。通過同樣的方法對橫向與縱向變形進行評估，得出的結果都達到規范標準。

表1 評估后差異沉降值

根據相關規范評估樁基承載力：表2 為下穿施工影響橋梁樁基承載力疊加后的評估結果。從表2 中能夠看出，考慮了下穿施工所產生的影響，已有高鐵橋梁單樁承載力最大值是7773 kN，處于容許承載力以下，因此樁基承載力達到了規范標準。

表2 評估后橋梁樁基承載力

3 施工過程中變形動態控制技術

3.1 自動化變形監測系統

完成施工精細化監控的前提是具有高精度、高頻次的自動化實時監測計算系統。這次研究中通過自制監測系統對工程進行動態監測。該系統主要包括布設底層傳感器，對數據進行自動采集、儲存、傳輸和可視化，實現動態監測、監測數據的遠程查詢，同時能夠自動形成監測報告，對施工過程進行安全評估和管理，能夠監測鐵路橋涵等工程的變形。其中，選擇50 mm 量程的振弦式靜力水準儀作為傳感器，±0.05 mm 為其測試精度，測試前要調整傳感器信號并轉換其模數，通過以太網將信號輸送至中心服務器，讓使用者可以通過手機、電腦等設備進入系統來查看現場測量數據。

3.2 變形動態控制方法

在設計階段建立下穿工程與已有高鐵橋梁的分析模型，并對高鐵橋梁受到下穿工程的影響而出現的變形進行計算，確保已有高鐵橋梁在下穿工程施工時和施工完畢后所產生的變形在合理范圍內。

施工下穿工程期間，當施工到某個階段時，要評價其施工狀態和安全性。評價時主要包括2 個方面：第一個方面，對比控制值和監測值，保證監測值處于控制值范圍內；第二個方面，對比該施工階段內的理論值和檢測值，計算理論值和檢測值間的誤差，另外，從測量、施工、管理、模型等方面來分析對產生誤差的原因。

以監測數據為基礎對計算模型的參數進行反演和修正，其中可選擇工程類比法、最小二乘法和試算法來對參數進行反演。

通過修正后的模型來預測不同施工階段的變形值，當所得預測值大于控制值時，要采取相應的措施進行調整，保障施工安全和穩定。具體調整措施可選擇工序調整法、壓重平衡頂推法和堆載法等。

3.3 變形動態控制技術

以開挖南側工作坑頂進施工為例，以此來對變形動態控制技術進行介紹。97.8m×71.7m×10m 為為南側基坑長×寬×高。22.64m 和24.72m 分別為現有高鐵橋梁130 號、131 號墩承臺和該基坑的最小凈距。南側基坑開挖工程施工基本結束時，2.8mm 和0.72mm 分別為橋墩豎向變形的實測值和設計預測值，兩者間差距較大，誤差較大。對此展開分析，認為造成此誤差的主要原因是現場實際土體參數和實驗室測出的土體參數有一定差距。通過實測數據校驗計算模型并對土體參數進行修正，圖2 為修正后橋墩豎向變形實測值和計算值的比較結果。從圖2 中能夠看出，南側基坑開挖施工時期豎向變形實測最大值為2.8mm，模型計算所得豎向變形最大值為2.63mm，實測值和計算值較為接近。通過修正后的模型來預測變形值，高鐵橋墩在施工全部橋下堆載配重前后的變形值比較圖如圖3 所示。從圖3 中能夠看出，橋下堆載反壓能夠在一定程度上減少橋墩基礎的隆起值，緩解隆起狀態，其中最顯著部位位于131 號墩，處在堆載中心部位，0.96mm 為此處的隆起減小值。

圖2 橋梁130 號橋墩豎向變形受下穿工程的影響程度

圖3 橋梁131 號橋墩豎向變形受下穿工程的影響程度

在之后的頂進施工階段內，以實測數據為基礎，繼續開展參數反演、修正模型和預測工作，根據配重調控法對施工順序進行合理地調整，保障施工過程安全，保證現有高鐵橋梁的穩定性。該下穿工程建成通車使用3 個月后，2.71 mm 為相鄰橋墩差異沉降累計最大值，符合規范標準，同時軌檢車檢查合格，對無砟軌道平順性行進檢測，也已經達到使用標準。

4 結論

為了掌握下穿現有高鐵橋梁工程施工對現有橋梁的穩定性的影響，通過數值仿真計算的方式對橋墩豎向變形值進行計算，并與實測數據進行對比，主要得出以下2 個結論：1）在南側工作坑開挖階段，隆起變形值達到0.707mm；隆起變形在施工壓重荷載施加階段和主體框構澆筑階段時有所減少；隆起變形值在施工進行框構頂進階段時，快速提高到3.186mm，并在施工進行到北側引道開挖階段時增加到最大值，為5.484mm，隆起變形最大處為129 號墩。2）下穿工程導致的橋梁豎向變形最大差異的部位為130-131 墩號之間，達到-2.997mm，處在《高速鐵路設計規范》里要求的-5mm~5mm；7773kN 為現有高鐵橋梁單樁承載力最高值，未超過容許承載力，樁基承載力達到了規范標準。3）通過變形動態控制技術進行預測時，得出南側基坑開挖施工時期豎向變形實測最大值為2.8mm，模型計算所得豎向變形最大值為2.63mm，實測值和計算值較為接近；在之后的頂進施工階段內，以實測數據為基礎，繼續開展參數反演、修正模型和預測工作，根據配重調控法對施工順序進行合理調整，保障整個施工過程安全，提高現有高鐵橋梁的穩定性。