高速鐵路橋梁橋下新建公路工程的安全性分析

高世強(qiáng)

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處，天津　300142)

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高速鐵路橋梁橋下新建公路工程的安全性分析

高世強(qiáng)

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處，天津300142)

摘要：新建公路工程下穿既有高速鐵路橋梁工程時(shí)，公路施工和運(yùn)營(yíng)期間的恒載和活載作用會(huì)引起既有高速鐵路橋梁基礎(chǔ)的土層發(fā)生豎向和側(cè)向變形，土層變形產(chǎn)生的附加應(yīng)力引起既有高速鐵路橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生垂直沉降和水平位移，當(dāng)上述變形超過(guò)規(guī)范要求時(shí)應(yīng)重新確定下穿方案。結(jié)合某新建高速公路下穿已建成的大西高速鐵路橋梁工程，從橋梁承載力、垂直沉降和水平位移等方面分析新建下穿工程引起的土層變形對(duì)大西高速鐵路橋梁的安全影響，該新建公路工程以路堤占?jí)鸿F路橋墩承臺(tái)下穿大西高速鐵路時(shí)，鐵路橋墩樁基礎(chǔ)的承載力和沉降均超出規(guī)范要求，新建公路工程實(shí)施時(shí)改為以公路橋的形式下穿大西高速鐵路。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；鐵路橋梁；附加應(yīng)力；樁基承載力；沉降

1研究背景

高速鐵路建成后以其高運(yùn)行速度、高舒適度、高安全性和高密度連續(xù)運(yùn)營(yíng)等特點(diǎn)極大地促進(jìn)了鐵路沿線地區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展，在此基礎(chǔ)上各地區(qū)的交通、水利、市政配套等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也得到了迅猛發(fā)展，這些新建工程與高速鐵路橋梁交叉時(shí)可采用隧道、路基、橋梁等多種下穿方案。新建下穿工程施工和運(yùn)營(yíng)期間必然產(chǎn)生對(duì)高速鐵路橋梁基礎(chǔ)的附加荷載，引起高速鐵路橋梁產(chǎn)生垂直沉降和水平位移，當(dāng)變形超過(guò)規(guī)范要求時(shí)應(yīng)重新確定下穿方案，因此準(zhǔn)確合理的分析和評(píng)估新建工程下穿既有高速鐵路橋梁時(shí)在施工和運(yùn)營(yíng)階段對(duì)高速鐵路橋梁的安全影響就顯得尤為重要。

2影響因素

2.1對(duì)高速鐵路橋梁基礎(chǔ)承載力的影響

新建下穿工程可能導(dǎo)致已施工完成的橋梁樁基礎(chǔ)增加樁長(zhǎng)或樁身主要受力鋼筋，若設(shè)計(jì)安全儲(chǔ)備不足，將會(huì)影響高速鐵路的安全運(yùn)營(yíng)，具體影響內(nèi)容如下。

2.1.1對(duì)承臺(tái)的豎向影響

新建下穿工程的恒載和活載會(huì)產(chǎn)生垂直荷載，將垂直荷載換算成等量的土層重力，當(dāng)高速鐵路橋梁承臺(tái)位于該換算土層影響范圍以?xún)?nèi)時(shí)，承臺(tái)頂面將承受換算土層的豎向重力。

2.1.2對(duì)承臺(tái)的水平影響

新建下穿工程的基坑開(kāi)挖期間，承臺(tái)側(cè)向的土層會(huì)隨著基坑不斷開(kāi)挖其土層抗力逐漸降低，承臺(tái)將承受基坑開(kāi)挖側(cè)和未開(kāi)挖側(cè)的不平衡土壓力。

2.1.3對(duì)樁基土層摩阻力的影響

在新建下穿工程的恒載和活載作用下，高速鐵路橋梁基礎(chǔ)側(cè)面的土層發(fā)生相對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的向下位移，此時(shí)樁基側(cè)土層摩阻力的方向?qū)⑴c正常情況相反，因此新建下穿工程產(chǎn)生的附加應(yīng)力范圍內(nèi)土層摩阻力應(yīng)予以折減[2]。

2.2對(duì)高速鐵路橋梁墩頂位移的影響

新建工程產(chǎn)生的附加荷載導(dǎo)致高速鐵路橋梁基礎(chǔ)的土層側(cè)向抗力及地基比例系數(shù)降低，橋墩墩頂位移增大，《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(試行)規(guī)定橋墩頂縱向彈性水平位移Δ≤5L(L為橋梁跨度)，橋墩頂橫向水平位移引起的橋面處梁端水平折角應(yīng)不大于1‰rad[8]。

2.3對(duì)高速鐵路橋梁基礎(chǔ)沉降的影響

高速鐵路橋梁的橋墩承臺(tái)和樁基礎(chǔ)組成的群樁基礎(chǔ)，在新建工程的豎向荷載作用下的沉降主要包括樁身的彈性壓縮變形、樁端土層的壓縮變形、群樁基礎(chǔ)底平面以下一定深度內(nèi)地基土層的壓縮變形[10]。對(duì)于我國(guó)建成的設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值350 km/h的無(wú)砟軌道高速鐵路，《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(試行)(TB10621—2009)中規(guī)定無(wú)砟軌道橋梁墩臺(tái)工后總沉降≤20 mm，相鄰墩臺(tái)不均勻沉降差≤5 mm[8]。

3工程實(shí)例

圖1　辛莊樞紐工程與大西高速鐵路平面關(guān)系

某新建高速公路辛莊樞紐工程的道路主線、A匝道和G匝道分別在大西高速鐵路茹村特大橋33～39號(hào)橋墩之間下穿通過(guò)。高速公路道路主線按左右兩幅設(shè)計(jì)，左幅和右幅路基寬度均為12.25 m，與鐵路夾角為80.7°和82.5°；A匝道路基寬度10.5 m，與鐵路夾角79.5°；G匝道路基寬度10.5 m，與鐵路夾角69°，如圖1所示。辛莊樞紐工程的公路主線和匝道分4處下穿大西高速鐵路茹村特大橋，按照鐵路里程依序分別為A匝道、主線右線、主線左線和G匝道，公路路面至鐵路橋梁梁底高度全部大于6.5 m，公路路肩邊緣至鐵路橋墩最小距離為A匝道至33號(hào)橋墩的5.2 m，公路路面至承臺(tái)頂填土高度4.2 m。

大西高速鐵路茹村特大橋?yàn)殡p線橋，設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值350 km/h，33～39號(hào)橋墩之間均采用32 m雙線簡(jiǎn)支箱梁，橋墩采用雙線流線形圓端實(shí)體橋墩，其中33～34號(hào)橋墩墩高13.5～14.5 m， 基礎(chǔ)采用12根φ1.0 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，承臺(tái)尺寸7.6 m×10.4 m×2.2 m，樁長(zhǎng)為47～49 m；36～39號(hào)橋墩墩高8～9 m，基礎(chǔ)采用8根直徑1.0 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，承臺(tái)尺寸4.8 m×10.4 m×2.2 m，樁長(zhǎng)為52～55 m，詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

4安全分析

新建高速公路辛莊樞紐工程的道路主線、A匝道和G匝道中，以A匝道與高速鐵路橋梁的交叉條件最為不利，因此主要針對(duì)A匝道的下穿方案進(jìn)行重點(diǎn)分析。

表1　茹村特大橋橋墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)

4.1承載力影響

圖2　33、34號(hào)橋墩附加應(yīng)力影響布置(單位：高程為m，其余為cm)

辛莊樞紐工程A匝道在大西高速鐵路橋下的填土和活載采用雙車(chē)道公路Ⅰ級(jí)汽車(chē)荷載換算后，換算土層厚度為4.45 m，該換算土層產(chǎn)生的附加荷載對(duì)大西高速鐵路茹村特大橋33、34號(hào)橋墩基礎(chǔ)產(chǎn)生附加應(yīng)力影響，見(jiàn)圖2。如圖2所示，公路路堤填土和活載對(duì)33號(hào)橋墩承臺(tái)產(chǎn)生豎向偏壓和水平力作用，附加應(yīng)力影響深度為地面以下22.33 m；34 號(hào)橋墩距離公路路基較遠(yuǎn)，承臺(tái)不受影響，附加應(yīng)力的影響深度為地面13.03 m以下的9.3 m范圍內(nèi)。

4.1.1附加荷載對(duì)承臺(tái)豎向和水平影響

33號(hào)墩由于附加荷載引起豎向偏壓，承臺(tái)底產(chǎn)生縱向彎矩為2 017 kN·m，橫向彎矩為2 845 kN·m；附加荷載對(duì)33號(hào)墩承臺(tái)的縱向水平力為476 kN，承臺(tái)底縱向彎矩為1 332 kN·m。34號(hào)墩承臺(tái)未在附加應(yīng)力擴(kuò)散范圍內(nèi)，故34號(hào)墩承臺(tái)不受豎向偏壓和水平力影響。

4.1.2附加荷載對(duì)樁基承載力影響

附加荷載對(duì)承臺(tái)的豎向偏壓及水平力影響按照外荷載計(jì)入，計(jì)算時(shí)對(duì)新建下穿工程產(chǎn)生的附加應(yīng)力范圍內(nèi)土層摩阻力予以折減[2]，對(duì)原基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢算，見(jiàn)表2。

表2　茹村特大橋33～34號(hào)墩單樁承載力對(duì)照

由表2可知，修建辛莊樞紐工程后，當(dāng)采用A匝道為路堤形式下穿大西高速鐵路時(shí)，33號(hào)橋墩的單樁設(shè)計(jì)承載力及樁長(zhǎng)均有所增加，原設(shè)計(jì)49 m樁長(zhǎng)不滿(mǎn)足承載力要求。34號(hào)橋墩單樁容許承載力有所減小，但單樁設(shè)計(jì)承載力與容許承載力之間仍有一定的安全儲(chǔ)備，因此修建道路后34號(hào)橋墩樁長(zhǎng)仍維持原設(shè)計(jì)不變。

4.2沉降影響

基礎(chǔ)變形包括基礎(chǔ)水平變形和豎向沉降兩方面內(nèi)容，通過(guò)計(jì)算基礎(chǔ)水平變形不控制設(shè)計(jì)，因此以下內(nèi)容主要介紹橋墩基礎(chǔ)的沉降影響。

4.2.1土層參數(shù)

大西高速鐵路橋梁橋墩基礎(chǔ)處地層按照工程地質(zhì)勘察報(bào)告劃分為6個(gè)土層，土層參數(shù)見(jiàn)表3。

表3　茹村特大橋33～34號(hào)墩 土層參數(shù)

4.2.2施工階段

劃分3個(gè)施工階段，分別為:大西高速鐵路橋梁現(xiàn)狀階段(含土層自重)、公路施工階段和公路運(yùn)營(yíng)階段。

4.2.3分析結(jié)果

公路施工階段33號(hào)橋墩基礎(chǔ)的附加沉降值為1.05 mm，34號(hào)橋墩基礎(chǔ)的附加沉降值為0.2 mm；運(yùn)營(yíng)階段33號(hào)橋墩基礎(chǔ)的附加沉降值為0.8 mm，34號(hào)橋墩基礎(chǔ)的附加沉降值為0.4 mm。

33、34號(hào)橋墩的設(shè)計(jì)總沉降分別為15.34 mm和16.39 mm，均滿(mǎn)足規(guī)范20 mm的限值要求； 33、34號(hào)橋墩的相鄰墩臺(tái)沉降差分別為5.14 mm和5.09 mm，雖然不滿(mǎn)足規(guī)范5 mm的限值要求，但超限數(shù)值不大。見(jiàn)表4。

表4　茹村特大橋33～34號(hào)墩沉降對(duì)照　mm

5分析結(jié)論

新建辛莊樞紐公路工程的A匝道采用路基方案下穿大西高速鐵路茹村特大橋時(shí)，樁基礎(chǔ)承載力和沉降變形均超出設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定要求，應(yīng)調(diào)整下穿工程設(shè)計(jì)方案。因此設(shè)計(jì)過(guò)程中，推薦將新建辛莊樞紐工程A匝道的路基方案變更為較合理的公路橋方案下穿大西高速鐵路，通過(guò)計(jì)算公路橋下穿方案各項(xiàng)檢算內(nèi)容均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

6施工建議

結(jié)合新建辛莊樞紐公路工程下穿高速鐵路橋梁的安全性分析結(jié)論，提出如下施工建議：

(1)公路施工過(guò)程中，禁止使用大型施工機(jī)械，尤其是大型振動(dòng)壓路機(jī)械。

(2)公路施工應(yīng)做好排水設(shè)計(jì)并避開(kāi)雨季，地下水豐富地區(qū)原則上應(yīng)封閉排水。

(3)公路工程的地基加固措施，應(yīng)盡量采用施工速度快、質(zhì)量易于保證、對(duì)既有土層破壞小的工程措施。

(4)制定針對(duì)高速鐵路橋梁的專(zhuān)項(xiàng)變形監(jiān)測(cè)方案并嚴(yán)格執(zhí)行，同時(shí)引入第三方進(jìn)行獨(dú)立監(jiān)測(cè)，確保高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全。

7結(jié)語(yǔ)

以新建辛莊樞紐工程下穿大西高速鐵路茹村特大橋?yàn)槔?，從鐵路橋墩樁基承載力、沉降和墩頂位移等方面對(duì)新建公路工程下穿高速鐵路橋梁工程的影響進(jìn)行了深入分析，合理確定了公路路基改公路橋下穿方案，可作為同類(lèi)新建工程下穿高速鐵路橋梁時(shí)確定下穿方案的參考實(shí)例。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡忠華，郭藝飛，蔡建.橋下大面積堆載對(duì)樁基影響的計(jì)算分析[J].公路建設(shè)與維護(hù)新技術(shù)，2009：103-106.

[2]周津斌.某集裝箱鐵路工程下穿津秦高速鐵路橋梁安全影響分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014(3)：85-93.

[3]冷伍明，楊奇，聶如松，岳健.高速鐵路橋梁樁基工后沉降組合預(yù)測(cè)研究[J].巖土力學(xué)，2011(11)：3341-3347.

[4]朱正國(guó)，黃松，朱永全.鐵路隧道下穿公路引起的路面沉降規(guī)律和控制基準(zhǔn)研究[J].巖土力學(xué)，2012(2)：558-563.

[5]王國(guó)粹，楊敏，熊巨華，張坤.路堤堆載對(duì)鄰近橋梁樁基影響分析[J].結(jié)構(gòu)工程師，2008(8)：89-93.

[6]屠毓敏，王建江.鄰近堆載作用下排樁負(fù)摩擦力特性研究[J].巖土力學(xué)，2007(12)：2653-2656.

[7]呂世斌，李文鑫，劉利國(guó)，高海峰.淺述橋梁樁基設(shè)計(jì)中樁側(cè)土的負(fù)摩阻力問(wèn)題[J].北方交通，2008(1)：68-71.

[8]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10621—2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2010.

[9]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10002 1—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

[10]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10002 5—2005鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

Safety Analysis of New Highway Passing under High-speed Railway Viaduct

GAO Shi-qiang

(Bridge Department， the Third Railway Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Tianjin 300142，China)

Abstract：In the construction and operation stages of highway， the dead-load and live-load may cause vertical and horizontal movement of the soil around the foundations of the existing highs-peed railway viaducts， and the additional stress caused by the soil movement may result in vertical settlement and lateral displacement of adjacent railway viaduct foundations. When the settlement and the lateral displacement excess the specifications， the design shall be otherwise reconsidered. This paper takes a completed viaduct with a highway below in Daxi high-speed railway as an example to analyze the soil movement influence on railway viaduct safety in respect of bearing capacity， horizontal displacement and settlement. The results show that where a highway underpasses railway viaduct with embankment on the railway pier cap， the bearing capacity and settlement of viaduct piles can not meet the stipulated requirements. Such is the case， a highway bridge is used below the railway viaduct.

Key words：High-speed railway; Railway bridge; Additional stress; Bearing capacity of piles; Settlement

中圖分類(lèi)號(hào)：U238； U41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.017

文章編號(hào)：1004-2954(2015)04-0063-04

作者簡(jiǎn)介：高世強(qiáng)(1977—)，男，工程師，E-mail：rwe604@163.com。

收稿日期：2013-01-22