某云巴橋梁涉鐵安全評(píng)估研究

楊水秀

摘 要：本文通過(guò)分析項(xiàng)目周邊環(huán)境、地質(zhì)條件、橋梁施工方案，對(duì)空港新城云巴橋梁下穿、并行穗莞深城際鐵路橋最不利工點(diǎn)建模模擬計(jì)算并進(jìn)行安全評(píng)估。結(jié)果表明云巴橋梁施工及運(yùn)營(yíng)對(duì)既有穗莞深城際鐵路影響不大，對(duì)穗莞深城際鐵路安全運(yùn)營(yíng)造成影響可控。

關(guān)鍵詞：云巴橋梁;鐵路橋梁;下穿;并行;有限元分析;安全評(píng)估

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的鐵路建設(shè)步入快速發(fā)展的時(shí)代，鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)得到進(jìn)一步完善，地方工程涉鐵的情況也在不斷增加。評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)源對(duì)鐵路的影響程度，提出合理可行的安全對(duì)策措施，是保障鐵路安全一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文旨在通過(guò)對(duì)一個(gè)云巴項(xiàng)目涉鐵安全評(píng)價(jià)的關(guān)鍵要點(diǎn)進(jìn)行介紹，為同類型安全評(píng)價(jià)提供一些參考。

1 工程概況

空港新城云巴示范線L1線工程起自寶安區(qū)大空港新國(guó)際會(huì)展中心東側(cè)的規(guī)劃海城路，線路先后沿海城路、和秀西路、松福大道、橋和路敷設(shè)，終點(diǎn)站位于既有地鐵11號(hào)線高架橋頭站的西南側(cè)。線路全長(zhǎng)約5.09 km，均采用高架敷設(shè)方式。

云巴橋從穗莞深城際鐵路和平站特大橋第15孔內(nèi)通過(guò)，下穿鐵路處鐵路樁號(hào)為DK074+687.310，對(duì)應(yīng)云巴線路里程樁號(hào)為右AK12+581.724，線路與鐵路夾角為69.4°，云巴橋主梁外邊緣距離鐵路15號(hào)橋墩邊緣最小距離為5.68 m;云巴行車限界距離鐵路第15孔30 m跨箱梁梁底最小距離為2.205 m;云巴橋穿過(guò)鐵路橋后在和平站特大橋東側(cè)與穗莞深城際鐵路并行，并行鐵路處鐵路樁號(hào)范圍為DK074+678～DK075+090，長(zhǎng)度約400 m。云巴福海西站范圍并行段云巴橋結(jié)構(gòu)邊緣與城際鐵路橋梁邊緣最小距離為5.75 m。

2 云巴橋設(shè)計(jì)

涉鐵部分云巴橋跨徑組合為：（16.7+28.5+25+28.93）+（5×26）+（29+9.96+9.63）+（25+25+16.96）+（2×8.7）+（16.82+2×21）m，共20跨，劃分為6聯(lián)，全長(zhǎng)420.9 m。上部結(jié)構(gòu)主梁采用分離式鋼箱梁（轉(zhuǎn)彎半徑<500 m段）及工字梁（直線段及轉(zhuǎn)彎半徑≥500 m段）兩種形式，預(yù)制吊裝施工，橋面標(biāo)準(zhǔn)寬4.7 m;下部結(jié)構(gòu)橋墩采用等截面鋼管混凝土柱式墩，預(yù)制拼裝施工，墩頂蓋梁橫橋向標(biāo)準(zhǔn)寬5.4 m。橋址所在區(qū)域地層由上至下分布情況：素填土、淤泥、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粘性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖。樁基采用鉆孔灌注樁，按嵌巖樁設(shè)計(jì)，嵌入中風(fēng)化花崗巖層，旋挖鉆機(jī)施工。

3 評(píng)估必要性及主要內(nèi)容

3.1 安全評(píng)估必要性

城際鐵路對(duì)鐵路軌道的平順性、列車行駛的安全性要求較高，對(duì)橋梁沉降和基礎(chǔ)承載力有著嚴(yán)格的要求和限值。

3.2 安全評(píng)估主要內(nèi)容

（1）對(duì)項(xiàng)目周邊環(huán)境、地質(zhì)資料、專項(xiàng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，確定下穿、并行施工存在的風(fēng)險(xiǎn)源。

（2）確定下穿、并行城際鐵路過(guò)程中橋梁變形的控制標(biāo)準(zhǔn)。

（3）總結(jié)既有下穿城際鐵路的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，歸納控制城際鐵路橋梁變形的合理措施。

4 變形風(fēng)險(xiǎn)控制值分析方法

變形控制標(biāo)準(zhǔn)的確定方法包括數(shù)值分析法、解析計(jì)算法、經(jīng)驗(yàn)法（工程類比法）、模型試驗(yàn)法、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法和專家經(jīng)驗(yàn)法等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)值模擬分析軟件的快速發(fā)展，數(shù)值分析法己被廣泛應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，因其不僅可使問(wèn)題得快速求解，而且可使求解問(wèn)題的方法規(guī)范化，同時(shí)也可大量的降低成本。這些優(yōu)點(diǎn)使得數(shù)值分析法有了較為廣闊的市場(chǎng)。

數(shù)值分析法在橋梁上跨、下穿、并行既有結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中已有了廣泛的應(yīng)用，對(duì)變形控制標(biāo)準(zhǔn)分析常用的有直接分析法和強(qiáng)制位移法，兩種方法區(qū)別如下：

（1）直接分析法。直接分析法的思路是將鐵路橋、地層及既有結(jié)構(gòu)物作為一個(gè)共同作用體系，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)剩余承載能力，通過(guò)數(shù)值模擬各工況來(lái)確定既有結(jié)構(gòu)物的極限變形值，以此來(lái)確定結(jié)構(gòu)物的變形控制標(biāo)準(zhǔn)值。

（2）強(qiáng)制位移法。強(qiáng)制位移法的思路是將橋梁運(yùn)營(yíng)或橋梁施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的變形通過(guò)強(qiáng)制位移直接作用到鐵路橋結(jié)構(gòu)物上，根據(jù)鐵路橋結(jié)構(gòu)位移控制值、警戒值，確定既有結(jié)構(gòu)物的極限變形控制值，不需考慮實(shí)際施工中地層的具體變形結(jié)果，計(jì)算模型簡(jiǎn)化，使整個(gè)計(jì)算過(guò)程更加快速、便捷。

本次橋梁施工、運(yùn)營(yíng)兩大風(fēng)險(xiǎn)源引起的鐵路橋變形風(fēng)險(xiǎn)控制值分析采用強(qiáng)制位移法進(jìn)行計(jì)算。

5 鐵路橋變形控制標(biāo)準(zhǔn)

在橋梁施工時(shí)，既有鐵路橋的位移控制嚴(yán)格按照《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB 10182-2017）第3.0.3條控制。其位移允許值按無(wú)砟軌道類型取用，詳見下表：

6 云巴橋與鐵路橋樁基間距

云巴橋與鐵路橋距離最近的橋墩為云巴橋3號(hào)墩與鐵路橋15號(hào)墩，最小樁間距為10.34 m，換算為6.9倍的后施工樁徑。

云巴橋與鐵路橋兩橋橋墩樁基礎(chǔ)樁中心距均大于《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》中要求的4D～6D的距離，云巴橋基礎(chǔ)施工時(shí)如采取鋼護(hù)筒跟進(jìn)等防范措施可有效減少對(duì)鐵路基礎(chǔ)的影響。另一方面，并行段鐵路橋及云巴橋基礎(chǔ)均采用嵌巖樁，后施工云巴橋樁基對(duì)鐵路橋樁基沉降影響較小，可認(rèn)為鐵路橋因鄰近的新建橋引起的附加應(yīng)力而產(chǎn)生的沉降可忽略不計(jì)，新建橋不會(huì)對(duì)既有城際鐵路橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生不利影響。

7 云巴橋下穿與并行段施工及運(yùn)營(yíng)對(duì)鐵路橋的影響分析

本次模擬計(jì)算中采用三維有限元分析軟件MIDAS GTS進(jìn)行計(jì)算，該軟件采用顯式算法，在巖土工程領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，適合進(jìn)行復(fù)雜巖土工程的數(shù)值分析和設(shè)計(jì)評(píng)估。

模型中的X方向?yàn)殍F路橋橫向方向，Y方向?yàn)榭v橋向方向，Z方向?yàn)樨Q直方向。

7.1 下穿工點(diǎn)模型概況

本次下穿工點(diǎn)模型的計(jì)算范圍為：云巴橋2#～5#墩與鐵路橋15#、16#墩;地層取值參照地勘鉆孔從上至下分別是：素填土3.3 m;淤泥質(zhì)土2.8 m;粉質(zhì)黏土0.5 m;砂質(zhì)粘性土13.0 m;全風(fēng)化混合花崗巖9.5 m;強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖（土狀）4.0 m;強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖（塊狀）9.4 m;中風(fēng)化混合花崗巖3.2 m;微風(fēng)化混合花崗巖5.5 m。該次計(jì)算中所有單元均采用實(shí)體單元模擬計(jì)算，上部結(jié)構(gòu)通過(guò)荷載的形式加載至各墩頂處。模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=60 m×80 m×65 m。

7.2 并行工點(diǎn)模型概況

本次并行工點(diǎn)模型的計(jì)算范圍為：鐵路橋26#墩橫向軸線區(qū)域;地層取值參照地勘從上至下分別是：素填土3.4 m;淤泥質(zhì)土2.7 m;粉質(zhì)黏土0.5 m;砂質(zhì)粘性土12.7 m;全風(fēng)化混合花崗巖9.8 m;強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖（土狀）4.1 m;強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖（塊狀）9.3 m;中風(fēng)化混合花崗巖3.5 m;微風(fēng)化混合花崗巖5.2 m。該次計(jì)算中所有單元均采用實(shí)體單元模擬計(jì)算，上部結(jié)構(gòu)通過(guò)荷載的形式加載至各墩頂處。模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=50 m×60 m×80 m。

7.3 下穿及并行工點(diǎn)模擬計(jì)算

云巴橋2#～5#墩與和鐵路橋15#、16#墩為本次下穿工點(diǎn)計(jì)算的主要對(duì)象;鐵路橋26#墩橫向軸線區(qū)域?yàn)楸敬尾⑿泄c(diǎn)計(jì)算的范圍。其施工步驟大致按下表所示步驟簡(jiǎn)化計(jì)算，其中樁基施工分三步開挖完畢。具體施工步驟如下所示：

7.4 下穿及并行工點(diǎn)數(shù)值分析結(jié)論

通過(guò)對(duì)云巴橋梁施工、運(yùn)營(yíng)階段進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果表明鐵路橋墩頂橫向、縱向及豎向位移均未超過(guò)墩頂位移限值。故云巴橋下穿及并行鐵路橋工點(diǎn)的施工及運(yùn)營(yíng)對(duì)穗莞深城際造成的不良影響不大，對(duì)穗莞深城際鐵路的安全運(yùn)營(yíng)造成影響可控。

（1）下穿工點(diǎn)主要計(jì)算結(jié)果如下：

（2）并行工點(diǎn)主要計(jì)算結(jié)果如下：

7.5 保障鐵路橋梁安全的合理措施

（1）應(yīng)實(shí)施動(dòng)態(tài)、信息化施工，做好預(yù)警和應(yīng)急預(yù)案，施工前應(yīng)制定詳細(xì)、周密的專項(xiàng)施工組織計(jì)劃書，并嚴(yán)格執(zhí)行。施工期間，切實(shí)做好鐵路橋變形監(jiān)測(cè)工作，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理，確保變形在控制范圍之內(nèi)。若發(fā)現(xiàn)沉降及其他不利反應(yīng)達(dá)到預(yù)警值，一旦監(jiān)測(cè)異常，應(yīng)立即停止施工，啟動(dòng)事故處理預(yù)案。

（2）施工期間應(yīng)加強(qiáng)對(duì)施工機(jī)械的監(jiān)控管理，防止施工機(jī)械故障導(dǎo)致侵限。

（3）基坑施工過(guò)程中嚴(yán)禁抽取地下水。

（4）樁基施工時(shí)加強(qiáng)鋼護(hù)筒防護(hù)措施，防止塌孔。

（5）施工前應(yīng)注意調(diào)查城際鐵路沿線鐵路管線等鐵路設(shè)施，避免施工破壞。

8 結(jié)語(yǔ)

在施工過(guò)程中，我們主要考慮的是鐵路軌道在橋梁施工過(guò)程中的位移變形，但軌道的變形在設(shè)計(jì)階段往往難以預(yù)估，所以這次評(píng)估取鐵路橋墩頂?shù)奈灰谱冃蝸?lái)判斷橋梁施工對(duì)既有鐵路橋軌道的影響性大小。根據(jù)云巴橋梁施工及運(yùn)營(yíng)計(jì)算結(jié)果可知，穗莞深城際和平站特大橋墩頂最大位移均未超過(guò)2.0 mm，且樁間距均大于規(guī)范要求的4.0至6.0倍后施工樁徑。結(jié)合已有相似工程情況與計(jì)算結(jié)果得出結(jié)論如下：云巴橋梁施工及運(yùn)營(yíng)對(duì)既有穗莞深城際影響不大，對(duì)穗莞深城際安全運(yùn)營(yíng)造成影響可控。