市政道路與管線下穿影響既有高鐵橋梁的數值分析

黃君鵬

（泉州城市規劃設計集團有限公司，福建 泉州 362000）

0 引言

市政道路與管線下穿高鐵橋梁屬于重大風險源管理項目，任何微小的疏忽都可能對既有高鐵產生巨大影響。因此，需要結合建設條件，全面分析市政道路與管線在施工和運營階段，對高鐵橋梁可能產生的影響，為實施者進行科學決策提供依據，以提高工程的安全性[1-2]。本文結合泉州某市政工程設計方案，研究分析市政道路和管線下穿既有高鐵橋梁時對高鐵產生的影響。

1 市政道路與管線下穿方案簡介

1.1 工程概況

泉州某市政工程路線全長4.4km，道路等級為城市主干路，設計時速50km/h，道路紅線寬50m，采用水泥混凝土路面。所處地區抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.15g。

標準橫斷面布置為50m=4.0m（人行道）+6.0m（非機動車道）+2.0m（綠化帶）+11.0m（機動車道）+4.0m（中央分隔帶）+11.0m（機動車道）+2.0m（綠化帶）+6.0m（非機動車道）+4.0m（人行道）（見圖1所示）。

圖1 道路標準橫斷面圖

該市政工程于交叉口展寬范圍內下穿福廈高鐵泉州灣特大橋，下穿處橋梁上部結構為（40+64+40）m連續梁的中跨，下部為圓端形橋墩，鉆孔灌注樁基礎，樁徑1.5m，按柱樁設計。

福廈高鐵為客運專線，雙線高速鐵路，軌道類型為無砟軌道，設計行車速度350km/h。

1.2 道路下穿形式

該市政工程與鐵路交角為50°，分南、北幅下穿福廈高鐵橋梁（見圖2、圖3所示）。

圖2 道路下穿平面示意圖

圖3 道路下穿橫斷面示意圖

北幅道路寬度37.35m=0.6m（護欄）+11.0m（左幅機動車道）+13.5m（右幅機動車道）+9.25m（右轉專用道+非機動車道）+0.6m（護欄）+2.4m（人行道），采用樁板結構下穿福廈高鐵泉州灣特大橋第24孔。

南幅道路寬度12.6m=3.4m（人行道）+0.6m（護欄）+8m（非機動車道+右轉專用道）+0.6m（護欄），采用樁板結構下穿福廈高鐵泉州灣特大橋第25孔。

樁板結構采用鉆孔灌注樁+承載板：鉆孔灌注樁樁間距4～5m，樁徑0.8m，設計樁長13m，單樁承載力不小于1500kN；承載板厚度0.8m。

車行道樁板結構護欄外側與福廈高鐵橋23#～25#墩承臺的凈距最小為0.9m，與23#～25#墩的凈距最小為3.4m；樁板結構鉆孔灌注樁與福廈高鐵橋樁基最小中心距4.9m，最小樁間距大于6 倍下穿工程樁徑；凈空高度≥23.48m。

1.3 管線下穿形式

下穿高鐵的管線有給水、雨水、污水、10kV 電力、110kV 高壓電力、通信、照明，均布設在承載板底下，由兩樁之間穿過（見圖4、圖5所示）。

圖4 管線平面布置示意圖

圖5 管線橫斷面布置示意圖

北幅管道由南向北布設為：Ф1.5m 雨水管涵、3 孔DN175 高壓電力排管、Ф1.8m 雨水管涵、12 孔DN110 通信排管、12孔DN150電力排管、DN600給水管。南側雨水管與橋墩承臺凈距為8.3m，北側給水管與橋墩承臺凈距5.7m。

南幅管道由南向北布設為：12孔DN150電力排管、DN200 給水管、12 孔DN110 通信排管、DN500 污水管。南側電力排管與橋墩承臺凈距5.3米，北側污水管道開挖邊線與橋墩承臺凈距5.9米。

2 市政道路與管線下穿對既有高鐵的影響分析

2.1 數值模擬軟件

本次建模分析采用ABAQUS 有限元軟件，構建彈性本構模型，自動劃分實體網格，通過有限元軟件的“激活、鈍化”模擬各階段單元、荷載和邊界條件的變化對既有橋梁基礎的影響。

2.2 數值計算模型

各施工和運營階段的計算模型如表1所示。

表1 施工和運營階段計算模型匯總

2.3 數值計算結果

2.3.1 高鐵橋梁墩頂沉降分析

在市政道路與管線下穿各施工和運營階段，福廈高鐵泉州灣特大橋23#～25#橋墩墩頂沉降量的模擬分析結果如表2所示。計算相鄰橋墩沉降差，結果如表3所示。

表2 墩頂沉降模擬分析表

表3 相鄰橋墩沉降差值

2.3.2 高鐵橋梁墩頂水平位移分析

在市政道路與管線下穿各施工和運營階段，福廈高鐵泉州灣特大橋23#～25#橋墩墩頂順橋向位移的模擬分析結果如表4所示。在市政道路與管線下穿各施工和運營階段，福廈高鐵泉州灣特大橋23#～25#橋墩墩頂橫橋向位移的模擬分析結果如表5所示。

表4 墩頂順橋向位移模擬分析

表5 墩頂橫橋向位移模擬分析表

2.3.3 高鐵橋梁基礎承載力分析

在市政道路與管線下穿各施工和運營階段，福廈高鐵泉州灣特大橋23#～25#橋墩樁基軸力變化的模擬分析結果如表6所示。

表6 基樁軸力模擬分析計算

2.4 計算結果分析

根據上述建模計算分析得出，市政道路與管線的施工，對地層產生的變形較小，設計方案滿足高鐵橋梁的安全[3-4]。

（1）施工及運營過程中，高鐵橋梁墩臺頂最大豎向位移值為0.148mm，滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》（TB 10182-2017）關于無砟軌道高鐵橋梁墩臺頂豎向位移不大于2mm的要求；相鄰橋墩沉降差最大為0.144mm，滿足《高速鐵路設計規范》（TB 10621-2014）無砟軌道高鐵橋梁相鄰墩臺沉降差不大于5mm的要求。

（2）施工及運營過程中，高鐵橋梁墩臺頂最大縱向水平位移為0.376mm、最大橫向水平位移為0.258mm，滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》（TB 10182-2017）關于無砟軌道高鐵橋梁墩臺頂縱向水平位移、橫向水平位移不大于2mm的要求。

（3）施工及運營過程中，福廈高鐵泉州灣特大橋23#～25#橋墩樁基設計單樁軸力疊加最大軸力變化值后，單樁軸力均未超出容許值，且有一定富余，滿足設計要求。

3 降低市政道路與管線下穿影響的建議

（1）市政道路與管線下穿既有高鐵橋梁應綜合建設條件、設計方案、施工方案、運營管理等進行相關風險評估；

（2）市政道路與管線應在平、縱、橫設計上滿足鐵路及道路相關規范要求；

（3）下穿管線的敷設應綜合考慮管線間、管線與高鐵橋梁結構間的距離，滿足鐵路及管線相關規范要求，并按要求設置安全閥門；

（4）樁板結構基礎施工時應做好相關安全防護措施，盡可能采用小型機械，加強樁基護壁施工，確保不出現塌孔情況，盡量減小施工對鐵路橋梁基礎的影響；

（5）施工前應制定詳盡的施工組織設計，科學合理安排工期，對風險狀態進行更新，實施動態評估，施工期間嚴格做好對鐵路橋梁的監控量測和防護。

4 結束語

綜上所述，本文以泉州某市政工程設計方案為例，利用有限元計算軟件，分析了市政道路和管線下穿既有高鐵橋梁時對高鐵產生的影響。通過對高鐵橋梁墩頂沉降、墩頂水平位移、基礎承載力的分析可知，該市政工程設計方案的實施對既有高鐵橋梁的影響較小，設計方案能夠滿足高鐵橋梁的安全。為了將市政道路和管線下穿既有高鐵橋梁的影響降到最低，也給出了相應的建議，以期促進方案的順利實施。