某新建鐵路下穿京津城際鐵路的連續(xù)板橋設(shè)計(jì)及安全分析

閆阿利

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津市 300142）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，截至2016年底，我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程已達(dá)12.4萬(wàn)km，其中高速鐵路達(dá)2.2萬(wàn)km，已經(jīng)建成世界上最現(xiàn)代化、最發(fā)達(dá)的高速鐵路網(wǎng)。高速鐵路的大規(guī)模建成通車(chē)，既方便了乘客快捷出行，也同步提出了既有高速鐵路與新建工程的交叉問(wèn)題。按照高速鐵路的規(guī)定要求，新建工程與高速鐵路的交叉一般采用下穿方案，對(duì)于下穿凈高受限的既有高速鐵路的橋梁工程是否滿足高鐵運(yùn)營(yíng)安全的要求就成了一個(gè)必需解決的問(wèn)題。

1 工程概況

某新建單線電氣化鐵路在京津城際鐵路永定新河特大橋463～464#墩之間下穿通過(guò)，與京津城際交叉角度為65°35′（見(jiàn)圖1），交叉處京津城際橋梁梁底至地面高度為9.6 m，下穿的鐵路凈高要求6.55 m。京津城際鐵路永定新河特大橋?yàn)樵O(shè)計(jì)速度目標(biāo)值350 km/h的雙線橋，463～464#墩之間為32 m簡(jiǎn)支箱梁，橋墩采用雙線流線形圓端實(shí)體橋墩，基礎(chǔ)采用10根1.0 m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)45～46 m，承臺(tái)尺寸7.1 m×10.4 m×3.0 m。詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 新建鐵路與京津城鐵路平面關(guān)系圖

表1 京津城際永定新河特大橋462～465#墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)表

對(duì)于下穿京津城際鐵路的工程措施，設(shè)計(jì)通過(guò)路基、橋梁的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，排除了對(duì)京津城際鐵路沉降影響過(guò)大的路基方案，采用設(shè)置18.5 m+14 m+18.5 m三跨連續(xù)板的橋跨結(jié)構(gòu)下穿京津城際。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和建筑材料

2.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）鐵路等級(jí)：國(guó)鐵Ⅰ級(jí)單線；

（2）軌道類(lèi)型：有砟軌道；

（3）速度目標(biāo)值：120 km/h；

（4）設(shè)計(jì)荷載：中-活載；

（5）設(shè)計(jì)使用年限：100 a

（6）地震動(dòng)峰值加速度：0.15 g；

（7）環(huán)境類(lèi)別及作用等級(jí)：氯鹽侵蝕環(huán)境，作用等級(jí)L2。

2.2 主要建筑材料

（1）混凝土：連續(xù)板、橋臺(tái)、承臺(tái)、樁基均采用C45混凝土；

（2）鋼筋：HRB400和HPB300鋼筋。

3 連續(xù)板結(jié)構(gòu)構(gòu)造和設(shè)計(jì)

下穿京津城際的鐵路橋梁采用18.5 m+14 m+18.5 m三跨連續(xù)板結(jié)構(gòu)，邊跨跨中板高1.0 m，中跨跨中板高1.5 m，支點(diǎn)處局部加高至2.0 m，板頂寬7 m，板底寬5 m，梁部采用支架現(xiàn)澆施工，基礎(chǔ)采用4根1.0 m鉆孔灌注樁，橋臺(tái)與橋墩的樁長(zhǎng)分別為38 m、47 m，兩邊孔梁底距離京津城際承臺(tái)頂面0.5 m左右，連續(xù)板承臺(tái)與京津城際承臺(tái)最小距離2.72 m。圖2為橋梁立面布置圖，圖3為連續(xù)板橋面布置圖。

圖2 橋梁立面布置圖(單位：cm)

圖3 連續(xù)板橋面布置圖(單位：cm)

3.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)[1-4]

（1）恒載

結(jié)構(gòu)自重：按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB 10002.1—2005）第 4.2.1 條取值，采用 25 kN/m3。

二期恒載：包括線路設(shè)備、道碴、擋碴墻、電纜槽、防水層和保護(hù)層等重量，按104 kN/m計(jì)算。

混凝土收縮徐變：按不同施工階段考慮混凝土的徐變效應(yīng)，按降溫15℃考慮混凝土的收縮效應(yīng)。

基礎(chǔ)不均勻沉降：10 mm。

（2）活載

列車(chē)活載：中-活載；動(dòng)力系數(shù)采用1.19。

橫向搖擺力：取100 kN的集中荷載作用在最不利位置，以水平方向垂直線路中心線作用于鋼軌頂面。

離心力:按照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB 10002.1—2005）第4.3.6條計(jì)算，離心力水平向外作用于軌頂以上2.0 m處。

人行道荷載：按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB 10002.1—2005）第 4.5 條取值，采用 4.0 kPa。

（3）附加力

制動(dòng)力或牽引力：按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB 10002.1—2005）4.3.7條計(jì)算。

風(fēng)力：風(fēng)壓強(qiáng)度W按所在地區(qū)取1.1 kPa。

溫度作用：按整體升溫15℃，整體降溫15℃計(jì)；非線性溫度變化，按《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10002.3—2005）附錄B考慮。

（4）特殊荷載

地震力：按照《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50111—2009）規(guī)定計(jì)算。

脫軌荷載：按照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB 10002.1—2005）第4.3.11條計(jì)算。

荷載組合按照主力、主力+附加力和主力+特殊荷載進(jìn)行組合，取最不利組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2 結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)分析采用有限元軟件Midas Civil2015建立鋼筋混凝土連續(xù)板的空間有限元模型，分析連續(xù)板在列車(chē)活載作用下的受力和變形狀態(tài)。連續(xù)板為在一個(gè)主平面內(nèi)的純彎構(gòu)件，板端釋放豎向線自由度，連續(xù)板中間支承處及連續(xù)板的另一端釋放豎向線自由度和縱向線自由度，用于模擬連續(xù)板與基礎(chǔ)的連接。

建立如圖4所示梁?jiǎn)卧M的三維實(shí)體連續(xù)板模型,模型共劃分58個(gè)單元，施工階段分為澆筑混凝土、二期恒載施加、徐變階段初期和遠(yuǎn)期等4個(gè)階段進(jìn)行加載計(jì)算。

3.3 計(jì)算結(jié)果

連續(xù)板梁主梁計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

對(duì)于動(dòng)力計(jì)算，按照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB 10002.1—2005）第 5.1.3條的要求，梁體的橫向剛度應(yīng)按梁體的橫向自振頻率進(jìn)行控制[2]，則該橋的自振頻率容許值f=55/L0.8=2.37 Hz（L為計(jì)算跨度）。連續(xù)板的計(jì)算自振頻率見(jiàn)表3。

圖4 連續(xù)板結(jié)構(gòu)模型圖

表2 連續(xù)板主梁計(jì)算結(jié)果

表3 連續(xù)板橫向自振頻率表

4 安全評(píng)估和監(jiān)控測(cè)量[5-11]

4.1 安全評(píng)估

京津城際是我國(guó)最早建成、最早投入運(yùn)營(yíng)的高速鐵路。該橋下穿的永定新河特大橋?yàn)樵O(shè)計(jì)速度目標(biāo)值350 km/h的雙線無(wú)砟軌道簡(jiǎn)支箱梁。高速鐵路運(yùn)營(yíng)期間對(duì)橋梁工程的水平位移和豎向工后沉降應(yīng)按照《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（T B 10621—2014）嚴(yán)格執(zhí)行。從該橋的鉆孔樁基礎(chǔ)、基坑開(kāi)挖、結(jié)構(gòu)主體、基坑回填等4個(gè)施工階段對(duì)高鐵的影響進(jìn)行安全評(píng)估。通過(guò)采取合理措施，有效控制工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，保證了京津城際鐵路的安全運(yùn)營(yíng)。

安全評(píng)估采用巖土有限元分析軟件Plaxis 2D模擬該橋與既有京津城際鐵路橋梁的相互影響。模型寬度為192.5 m，深度100 m。土體采用土體硬化模型來(lái)模擬土的本構(gòu)關(guān)系；橋梁承臺(tái)、樁基采用梁?jiǎn)卧M；結(jié)構(gòu)主體以均布荷載形式加載來(lái)模擬；土體水平邊界采用水平約束，底邊界采用固定約束。該橋建設(shè)期間對(duì)京津城際橋墩沉降變形的影響見(jiàn)表4。

表4 各施工階段對(duì)京津城際橋墩計(jì)算沉降匯總表

通過(guò)表4可知，該橋基坑采用鋼板樁防護(hù)后，鉆孔樁和基坑開(kāi)挖引起的沉降經(jīng)實(shí)測(cè)后可以忽略不計(jì)，沉降變形主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)主體施工階段。該橋建成后對(duì)京津城際橋梁基礎(chǔ)的計(jì)算總沉降、沉降差均滿足《高速無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》中容許偏差的限值要求，但相鄰橋墩沉降差的數(shù)值已非常接近規(guī)范容許值。由于該橋施工引起的京津城際水平位移不是控制工況，所以該處不再贅述。

4.2 監(jiān)控測(cè)量

施工期間應(yīng)按設(shè)計(jì)要求對(duì)京津城際橋墩的水平位移和沉降變形進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控測(cè)量，通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合計(jì)算，得出京津城際橋墩的變形差異和變形趨勢(shì)。該變形應(yīng)滿足京津城際安全運(yùn)營(yíng)的強(qiáng)制性技術(shù)要求，同時(shí)依據(jù)觀測(cè)和計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)該橋施工，確保該橋按期建成，因此監(jiān)測(cè)重點(diǎn)為京津城際永定新河特大橋橋墩的水平位移和沉降變形，監(jiān)測(cè)范圍是460～467#墩。

該橋自2015年1月30日基礎(chǔ)施工至2016年12月17日完成鋪軌，京津城際460～467#墩累計(jì)最大沉降量為2.24 mm，相鄰橋墩沉降差最大為2.03mm。京津城際橋墩縱橋向變形最大為0.91mm，橫橋向變形最大為1.25 mm。通過(guò)以上觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，該橋整個(gè)施工過(guò)程對(duì)既有橋墩及基礎(chǔ)所產(chǎn)生的附加影響是可控的，能滿足規(guī)范和高速鐵路實(shí)際運(yùn)營(yíng)的要求，并且與理論計(jì)算值基本吻合。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)該橋下穿京津城際鐵路橋梁的連續(xù)板設(shè)計(jì)、安全評(píng)估和變形監(jiān)測(cè)，可以得到如下結(jié)論和建議：

（1）通過(guò)安全評(píng)估和監(jiān)控測(cè)量，該橋施工期間以及建成后對(duì)京津城際鐵路橋梁的影響是可控的，能夠有效保證既有高鐵的安全。

（2）該橋梁底直接支承在承臺(tái)上，簡(jiǎn)化了下部結(jié)構(gòu)的連接方式，施工便捷，耐久性好。

（3）下穿凈高受限的高速鐵路橋梁，連續(xù)板結(jié)構(gòu)可有效降低結(jié)構(gòu)高度，可作為同類(lèi)工點(diǎn)確定下穿方案時(shí)的參考實(shí)例。

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