鐵路高架橋下土地綜合開發(fā)安全分析

賀小濤

（中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司，上海 200021）

中國高鐵日新月異的發(fā)展，使高鐵橋下土地成為鐵路土地資產(chǎn)的重要組成部分。為確保高鐵運(yùn)營安全，鐵路總公司文件中明確指出：高鐵橋下土地保護(hù)性利用要堅(jiān)持安全第一的原則，嚴(yán)禁各類影響鐵路設(shè)施設(shè)備安全和運(yùn)營安全、污染鐵路周邊環(huán)境、侵入鐵路建筑限界的活動(dòng)。因此，上海局高鐵橋下項(xiàng)目開發(fā)業(yè)態(tài)選擇，一般是結(jié)合項(xiàng)目周邊產(chǎn)業(yè)、人群、市場需求及開發(fā)條件，發(fā)展與周邊城市功能配套的特色商業(yè)、體育活動(dòng)、社會(huì)停車等經(jīng)營性和準(zhǔn)公益性業(yè)態(tài)。本文以某高鐵橋下駕校項(xiàng)目為例進(jìn)行分析，研究如何在確保高鐵運(yùn)營安全的前提下實(shí)現(xiàn)綜合開發(fā)創(chuàng)效。

1 項(xiàng)目概況及地質(zhì)條件

項(xiàng)目位于某市高鐵站東側(cè)高鐵橋下，可利用土地面積約 105 畝，涉及線路包括寧杭客專正線及上下行聯(lián)絡(luò)線、仙寧上下行線、京滬高鐵正線、滬蓉上下行線等。結(jié)合地理位置、市場環(huán)境及城市需求，擬按訂單式開發(fā)成為小汽車駕駛員培訓(xùn)基地，地塊東側(cè)作為考試區(qū)，西側(cè)為培訓(xùn)區(qū)，北側(cè)為停車區(qū)，項(xiàng)目總平面圖如圖 1 所示。主要建設(shè)內(nèi)容為：鋼結(jié)構(gòu)辦公用房、場地土方平整、高鐵橋墩防撞設(shè)施、混凝土鋪裝、擋土墻、水電管線鋪設(shè)及綠化等。

本場地勘察揭示的土層由人工填土、粉質(zhì)黏土、黏土、全風(fēng)化-弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖組成。根據(jù)地勘報(bào)告，場地地基土按成因類型、形成時(shí)代、力學(xué)性質(zhì)，自上而下可分為 8 個(gè)工程地質(zhì)層。各層巖土的分布、物理力學(xué)性質(zhì)如表 1 所示。場地內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造相對穩(wěn)定，地下水為第四系孔隙水和基巖裂隙水，主要賦存在（6）1-1、（6）1-2 號(hào)地層內(nèi)。

表1 各地層物理力學(xué)參數(shù)表

2 數(shù)值模擬安全分析

高鐵橋下進(jìn)行施工及運(yùn)營難免對橋梁樁基產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而導(dǎo)致高鐵橋梁變形及橋面線路幾何狀態(tài)變化，加之高鐵軌道變形控制要求嚴(yán)格（表 2），對行車安全和舒適度要求高，因此需采用數(shù)值模擬手段進(jìn)行安全評估。由于場地內(nèi)涉及的高鐵線路及橋墩數(shù)量眾多，因此數(shù)值模擬過程中根據(jù)場地填挖高度、高鐵橋梁等級(jí)、孔跨、墩高、樁基布置、地質(zhì)資料、規(guī)劃建設(shè)的建筑物及相關(guān)設(shè)施等情況，選取具有代表性的 3 處鐵路線橋墩作為研究對象。本文僅以京滬高鐵某特大橋 33#、34# 墩為例（立面圖如圖 2 所示），采用ABAQUS 有限元分析高鐵橋下施工及運(yùn)營對鐵路橋墩的影響。

2.1 分析步驟

數(shù)值計(jì)算主要運(yùn)用了 Mohr-Coulomb 彈塑性模型及general contact 樁土接觸模式，分析過程共分為以下幾個(gè)步驟：

（1）施加重力，設(shè)置零樁側(cè)摩擦系數(shù)，避免初始負(fù)摩阻力，進(jìn)行初始地應(yīng)力場平衡，位移清零；

（2）根據(jù)土層性質(zhì)，設(shè)定樁與不同土層的摩擦系數(shù)，施加橋墩上由鐵路橋產(chǎn)生的荷載，進(jìn)行地應(yīng)力場平衡，位移清零；

（3）模擬施工完成階段，施加等效的正壓力模擬構(gòu)筑物基礎(chǔ)和構(gòu)筑物產(chǎn)生的荷載，包括場地平整、場地硬化、橋墩圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、擋土墻施工、辦公等建筑物施工、后期運(yùn)營荷載。

2.2 建立模型

綜合考慮橋墩邊界效應(yīng)、土層條件和單元?jiǎng)澐值纫蛩?，?jì)算模型寬度選為順鐵路橋方向取 70 m 長，垂直鐵路橋方向取 50 m 長，土層向下深度為 50 m，模型示意如圖 3 所示。

2.3 計(jì)算結(jié)果

2.3.1 橋墩樁基和墩頂變形

高鐵橋墩受場地建設(shè)和運(yùn)營影響的墩頂變形如表 3所示。

2.3.2 樁側(cè)摩阻及軸力

橋墩受場地建設(shè)和運(yùn)營影響的墩下樁側(cè)摩阻力及樁身軸力變化分別如圖 4、圖 5 所示。

表2 250（不含）～350 km/h 線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值

圖2 高鐵橋墩立面圖（單位：mm）

圖3 計(jì)算模型及對應(yīng)樁號(hào)示意圖

表3 京滬高鐵某特大橋墩頂位移值 mm

圖4 京滬高鐵某特大橋 33#、34# 墩樁身側(cè)摩阻力變化

圖5 京滬高鐵某特大橋 33#、34# 墩樁身軸力變化

數(shù)值模擬結(jié)果表明：受場地建設(shè)和運(yùn)營影響，墩頂豎向位移最大值為 0.123 mm，樁側(cè)摩阻力變化最大值為 1.83 kPa，樁身軸力變化最大值為 49.50 kN，均對高鐵橋梁安全及線路運(yùn)營影響較小，開發(fā)業(yè)態(tài)可行。

3 變形監(jiān)測

因計(jì)算模型對實(shí)體進(jìn)行了一定的假設(shè)和簡化，材料參數(shù)選取也具有不確定性，且計(jì)算過程未考慮施工擾動(dòng)和降水的影響，這些均會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際有所出入，因此加強(qiáng)對鐵路橋墩和橋梁的變形監(jiān)測很有必要。

變形監(jiān)測周期分施工前、施工過程中、運(yùn)營后三階段進(jìn)行，監(jiān)測值穩(wěn)定一周后方可逐漸降低頻率至停止，變形異常時(shí)應(yīng)適當(dāng)加密監(jiān)測次數(shù)。監(jiān)測點(diǎn)為專用的不銹鋼標(biāo)志錨固于各橋墩上，監(jiān)測初始值以施工區(qū)域外 2 個(gè)穩(wěn)定橋墩監(jiān)測點(diǎn)作為測量起算點(diǎn)，變形的觀測精度為 ±0.1 mm，讀數(shù)取位至 0.01 mm，沉降、位移控制標(biāo)準(zhǔn)均按 2 mm 控制。沉降測量采用 Trimble DINI03電子水準(zhǔn)儀及其配套銦瓦水準(zhǔn)尺，按照《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》（GB/T 12897-2006）二等水準(zhǔn)測量精度要求進(jìn)行復(fù)測。位移測量采用 TS30 徠卡智能全站儀及配套棱鏡，按照自由測站邊角交會(huì)法測量。京滬高鐵某特大橋 33#、34# 墩變形監(jiān)測結(jié)果如圖 6 所示。

監(jiān)測結(jié)果顯示：鐵路橋墩順橋向最大位移0.7 mm，橫橋向最大位移 0.6 mm，最大沉降為 1.9 mm，與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果相比，監(jiān)測結(jié)果偏大，但未超出變形控制標(biāo)準(zhǔn)（2 mm），因此項(xiàng)目施工及運(yùn)營過程對高鐵橋梁安全及線路運(yùn)營影響較小。

圖6 京滬高速某特大橋 33#、34# 墩變形曲線

4 結(jié)論及展望

在國家政策引領(lǐng)下，通過鐵路土地綜合開發(fā)取得新增資金來源，是加快推進(jìn)鐵路建設(shè)、彌補(bǔ)鐵路運(yùn)營虧損、實(shí)現(xiàn)鐵路可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。上海局采用科學(xué)選擇開發(fā)業(yè)態(tài)、設(shè)計(jì)安全評估、全過程變形監(jiān)測的開發(fā)模式，可實(shí)現(xiàn)高鐵橋下保護(hù)性開發(fā)，提高鐵路土地資源效益。但是在高鐵橋下綜合開發(fā)實(shí)施過程中，安全評估費(fèi)用高、耗時(shí)長的問題較為突出，對項(xiàng)目的投產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)性影響很大。

鑒于高鐵橋下開發(fā)業(yè)態(tài)較為簡單，多為體育公園、小型汽車停車場或駕校等，本文以駕校業(yè)態(tài)為例，可看出某些項(xiàng)目開發(fā)對高鐵影響很小。因此，建議由鐵路總公司協(xié)調(diào)高鐵橋梁原設(shè)計(jì)單位，對較為普遍開發(fā)業(yè)態(tài)的荷載進(jìn)行總體安全計(jì)算，具體項(xiàng)目不再進(jìn)行安全評估；或者只對同區(qū)域范圍的一個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行安全評估，后續(xù)同類型項(xiàng)目不評估。這樣可顯著提高項(xiàng)目的開發(fā)效率及經(jīng)濟(jì)效益。