公路匝道橋下穿高速鐵路橋梁安全影響分析

崔素花，劉玉玲，王 靜

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.中路高科交通檢測(cè)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司,北京 100088;3.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司徐州設(shè)計(jì)院,江蘇 徐州 221000)

0 引言

隨著我國(guó)鐵路和公路建設(shè)的快速發(fā)展,公路與鐵路橋梁立體交叉的情況越來(lái)越多,公路下穿施工會(huì)對(duì)既有鐵路造成影響,為了確保鐵路列車(chē)行駛安全和旅客乘車(chē)的舒適度,橋梁沉降限值和基礎(chǔ)承載力成為了評(píng)價(jià)高速鐵路橋梁是否能安全運(yùn)營(yíng)的重要指標(biāo)。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)穿越高鐵采用不同的施工方法(路基、樁板結(jié)構(gòu)、剛構(gòu)橋等)下穿既有鐵路,而涉及高速公路匝道橋穿越鐵路橋的工程研究較少,可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)有限,因此下穿鐵路橋的高速公路匝道施工對(duì)鐵路橋的影響評(píng)估具有很大的價(jià)值。

1 工程概況

以某高速公路稍坡復(fù)合互通A匝道下穿青鹽鐵路馬站繡針河特大橋?yàn)楸尘?分析研究公路匝道橋下穿鐵路橋梁施工,對(duì)鐵路橋梁的影響。

1.1 青鹽鐵路概況

青鹽鐵路為雙線(xiàn)電氣化鐵路,客貨共線(xiàn),有砟軌道,設(shè)計(jì)時(shí)速200 km/h。

日照港嵐山港區(qū)疏港高速公路稍坡復(fù)合互通A匝道在嵐羅高速汾水樞紐北側(cè)與青鹽鐵路交叉馬站繡針河特大橋,交叉處公路里程為AK3+460,位于嵐山西—贛榆北區(qū)間,里程約為K185+507。交叉處青鹽鐵路馬站繡針河特大橋?yàn)?2 m簡(jiǎn)支T梁,橋下凈高約16 m,稍坡復(fù)合互通A匝道在第120號(hào)—121號(hào)墩之間橋下穿過(guò),交叉角度為48.8°。

1.2 下穿高速公路概況

本項(xiàng)目在嵐羅高速汾水樞紐北側(cè)與青鹽鐵路交叉,交叉處青鹽鐵路馬站繡針河特大橋?yàn)?2 m簡(jiǎn)支T梁,稍坡復(fù)合互通從馬站繡針河特大橋第120號(hào)—121號(hào)墩之間橋下通過(guò),交叉角度為48.8°。高速公路A匝道采用(3×35) m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支小箱梁下穿青鹽鐵路馬站繡針河特大橋,橋面總寬13 m,小箱梁采用預(yù)制架設(shè)法施工。

1)平面設(shè)計(jì):稍坡復(fù)合互通A匝道下穿青鹽鐵路橋所在位置為緩和曲線(xiàn)段,與青鹽鐵路夾角為48.8°,平面布置圖見(jiàn)圖1。

2)縱斷面設(shè)計(jì):最大縱坡0.5%,豎曲線(xiàn)半徑采用R=5 200 m。

3)橫斷面設(shè)計(jì):稍坡復(fù)合互通A匝道下穿青鹽鐵路處橫斷面布置形式:0.6 m(HA級(jí)防撞護(hù)欄)+11.8 m(機(jī)動(dòng)車(chē)道)+0.6 m(HA級(jí)防撞護(hù)欄)=13.0 m。

4)橋梁孔跨布置:為最大程度減少下穿青鹽鐵路橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)施工對(duì)既有鐵路設(shè)備的影響,基礎(chǔ)布置不得侵入鐵路建筑限界,滿(mǎn)足新建結(jié)構(gòu)樁基與青鹽鐵路橋梁樁基中心距不小于4倍下穿工程樁徑的要求,稍坡復(fù)合互通A匝道主跨采用35 m簡(jiǎn)支小箱梁下穿青鹽鐵路橋,兩邊孔同樣采用跨度為35 m的小箱梁以便于架橋設(shè)備試吊。

下穿青鹽鐵路橋梁交叉樁號(hào)為AK3+460,跨鐵路部分橋長(zhǎng)112.0 m。

橋跨布置為:(3×35)m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支小箱梁,橋面連續(xù)。

5)上部結(jié)構(gòu):小箱梁采用預(yù)制架設(shè)法施工,每孔采用4片箱梁,橋面全寬13.0 m,濕接縫寬0.833 m。35 m小箱梁梁高1.8 m,頂板厚度為22 cm,梁頂設(shè)13 cm鋼筋混凝土現(xiàn)澆層、防水層、10 cm瀝青混凝土面層。

6)下部結(jié)構(gòu):橋墩采用蓋梁柱式墩,基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ),橋墩直徑為1.6 m,基礎(chǔ)采用直徑1.8 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

1.3 地質(zhì)情況

橋梁選址區(qū)地質(zhì)層分別為粉質(zhì)黏土、含砂粉質(zhì)黏土、粗砂、全風(fēng)化片麻巖、強(qiáng)風(fēng)化片麻巖、中風(fēng)化片麻巖,均在勘探深度范圍內(nèi)。地下水補(bǔ)給來(lái)源主要接受大氣降水和支溝小溪徑流制約,主要排泄途徑為大氣蒸發(fā)和側(cè)滲方式,其主要為第四系松散巖類(lèi)孔隙水及基巖裂隙水。表層素填土:黃褐色,稍密,厚度:0.80 m～5.50 m;粉質(zhì)黏土:黃褐色,可塑—硬塑,干強(qiáng)度及韌性一般,厚度:1.70 m～5.80 m;含砂粉質(zhì)黏土:黃褐色,可塑—硬塑,厚度:1.60 m～3.40 m;粗砂:黃褐色,中密,飽和,厚度:2.10 m～3.30 m;全風(fēng)化片麻巖:黃褐色,原始巖層風(fēng)化程度極為強(qiáng)烈,厚度:0.70 m～7.10 m;強(qiáng)風(fēng)化片麻巖:黃褐夾灰白色,變晶結(jié)構(gòu),片麻狀構(gòu)造,厚度:3.50 m～19.60 m;中風(fēng)化片麻巖:灰白色,變晶結(jié)構(gòu),片麻狀構(gòu)造,其巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為46.80 MPa。

2 安全影響評(píng)估概述

2.1 評(píng)估概述

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求,結(jié)合本工程特點(diǎn)而擬定的主要專(zhuān)項(xiàng)評(píng)估。評(píng)估主要內(nèi)容為:某高速公路稍坡復(fù)合互通A匝道施工對(duì)青鹽鐵路馬站繡針河特大橋變形的評(píng)估。

采用理論計(jì)算與有限元模型相結(jié)合的方法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,并對(duì)照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定量安全評(píng)價(jià),其中有限元模擬通過(guò)大型巖土工程通用軟件Midas GTS-NX來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

1)工程設(shè)計(jì)基本安全評(píng)估:某高速公路下穿青鹽鐵路馬站繡針河特大橋工程,根據(jù)規(guī)范[1]的規(guī)定進(jìn)行基本安全評(píng)估,評(píng)估結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 本項(xiàng)目安全評(píng)估內(nèi)容匯總

2)結(jié)構(gòu)安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn):現(xiàn)有鐵路的安全評(píng)估一般從結(jié)構(gòu)和附屬設(shè)施的變形、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性等方面考慮,其中變形作為主要控制標(biāo)準(zhǔn)。本項(xiàng)目的變形控制標(biāo)準(zhǔn)是參考國(guó)內(nèi)同類(lèi)工程經(jīng)驗(yàn),根據(jù)現(xiàn)有鐵路運(yùn)行現(xiàn)狀和周邊設(shè)施制定的,本項(xiàng)目的控制內(nèi)容包括:橋梁沉降、差異沉降、橫向水平變形和縱向水平變形等,控制指標(biāo)限值均為3 mm。

3 計(jì)算模型

公路匝道橋施工對(duì)周?chē)h(huán)境的影響采用Midas GTS-NX有限元程序進(jìn)行分析。模型長(zhǎng)100 m、寬80 m、深70 m,土體采用三維實(shí)體單元模擬,本構(gòu)模型采用修正后的Mohr-Coulomb模型;橋墩和承臺(tái)采用三維單元模擬;樁基采用線(xiàn)彈性本構(gòu)模型。高速鐵路橋上部結(jié)構(gòu)以自重形式加載在支墩上模擬,土體水平四周邊界采用水平約束,底部邊界采用垂直約束。三維空間有限元土體模型如圖2所示。

4 三維有限元數(shù)值模擬分析

根據(jù)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)和施工情況,按照以下幾個(gè)階段對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬,具體模擬過(guò)程見(jiàn)表2。

表2 模擬內(nèi)容

5 計(jì)算結(jié)果分析

本工程施工是在既有橋梁的基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬計(jì)算,第一階段為既有橋梁現(xiàn)狀,在第一階段的基礎(chǔ)上,根據(jù)工程設(shè)計(jì)圖紙中的位置進(jìn)行高速鐵路樁基、墩臺(tái)及上部結(jié)構(gòu)施工模擬計(jì)算。

5.1 青鹽鐵路橋沉降變形影響分析

根據(jù)建立的整體三維有限元模型計(jì)算分析,青鹽鐵路馬站繡針河特大橋各施工階段沉降變形影響結(jié)果云圖見(jiàn)圖3。

根據(jù)表3,表4的模擬運(yùn)算結(jié)果可知:各施工階段造成青鹽鐵路馬站繡針河特大橋橋墩頂部產(chǎn)生的階段附加沉降量最大值為-0.921 mm,橋墩頂部階段累計(jì)附加沉降量最大值為-2.516 m,橋墩頂部附加沉降量符合規(guī)范[2]3 mm的沉降限值要求。

表3 青鹽鐵路馬站繡針河特大橋橋墩頂施工階段附加沉降計(jì)算結(jié)果 mm

表4 青鹽鐵路馬站繡針河特大橋橋

5.2 青鹽鐵路馬站繡針河特大橋橋墩頂橫向水平變形影響分析

根據(jù)建立的整體三維有限元模型計(jì)算分析,青鹽鐵路馬站繡針河特大橋各施工階段橫向水平變形影響結(jié)果云圖見(jiàn)圖4。

根據(jù)表5模擬計(jì)算結(jié)果可知:青鹽鐵路馬站繡針河特大橋各施工階段橋墩頂部產(chǎn)生的階段附加橫向水平變形最大值為-1.010 mm,墩頂階段累計(jì)附加橫向水平變形最大值為-2.610 mm,墩頂附加橫向水平變形符合規(guī)范[3]中3 mm的限值要求。

表5 青鹽鐵路馬站繡針河特大橋

5.3 青鹽鐵路馬站繡針河特大橋橋墩頂縱向水平變形影響分析

根據(jù)建立的整體三維有限元模型計(jì)算分析,青鹽鐵路馬站繡針河特大橋各施工階段墩頂?shù)目v向水平變形影響結(jié)果云圖見(jiàn)圖5。

根據(jù)表6模擬計(jì)算結(jié)果可知:青鹽鐵路馬站繡針河特大橋各施工階段橋墩頂產(chǎn)生的階段附加縱向水平變形最大值為-0.697 mm,墩頂階段累計(jì)附加縱向水平變形最大值為-1.934 mm,墩頂附加縱向水平變形滿(mǎn)足規(guī)范[4-5]中3 mm的限值要求。

表6 青鹽鐵路馬站繡針河特大橋

6 結(jié)論及建議

通過(guò)以上分析,高速公路稍坡復(fù)合互通A匝道下穿青鹽鐵路馬站繡針河特大橋方案可行。

考慮各種風(fēng)險(xiǎn)因素的客觀(guān)存在提出以下建議:

1)鐵路橋下及兩側(cè)50 m范圍內(nèi),施工過(guò)程中不得堆載,以免造成橋墩基礎(chǔ)下沉。

2)鐵路橋梁200 m范圍內(nèi)禁止開(kāi)采地下水。

3)橋梁端承樁施工應(yīng)采用全套管跟進(jìn)的方式,加強(qiáng)施工控制,避免發(fā)生土體坍塌事故,減少樁基礎(chǔ)施工對(duì)既有鐵路橋的影響。

4)施工時(shí)要做好防護(hù)措施,防止施工設(shè)施(如吊車(chē)、泵車(chē)等)侵入鐵路限界。