市政橋梁跨越鐵路方案對(duì)比分析

盧裕杰

中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京102600

新建道路與既有鐵路交叉處通常是工程建設(shè)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，一直被建設(shè)單位和鐵路主管部門高度關(guān)注［1-5］。施工時(shí)要確保既有鐵路的安全運(yùn)營(yíng)。當(dāng)新建道路由于縱坡等限制條件需要從既有鐵路路基或隧道上方跨越時(shí)，應(yīng)結(jié)合路基、隧道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析既有鐵路路基或隧道受新建道路的影響程度，進(jìn)而確定合適的跨越位置和合理的跨越方式，這對(duì)工程項(xiàng)目的前期決策及后期實(shí)施均有重要作用。

新建陜西省安康市城區(qū)的長(zhǎng)春路需跨越襄渝鐵路，有上跨鐵路隧道和上跨鐵路路基兩種道路走向方案，本文對(duì)既有鐵路路基或隧道受上跨道路的影響進(jìn)行對(duì)比分析，為工程決策提供技術(shù)支持。

1 工程概況

新建安康市城區(qū)長(zhǎng)春路為雙向六車道城市主干道，設(shè)計(jì)車速50 km/h，全長(zhǎng)約4.35 km，是安康市長(zhǎng)嶺、月河片區(qū)開發(fā)的先導(dǎo)工程，屬于城市建設(shè)重點(diǎn)項(xiàng)目。道路總體呈東西走向，其中西段與既有襄渝鐵路上下行線交叉，從鐵路路基或鐵路隧道上方跨越（圖1）。

圖1 長(zhǎng)春路跨越襄渝鐵路位置示意

襄渝鐵路是國(guó)鐵Ⅰ級(jí)客貨共線電氣化鐵路。項(xiàng)目跨越位置處于安康—月河區(qū)間，設(shè)計(jì)速度160 km/h，線間距約15 ～40 m，采用碎石道床、60 kg/m 鋼軌。隧道為雙洞單線馬蹄形復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。下行線長(zhǎng)槍嶺隧道于1973 年5 月竣工，存在裂縫、滲漏水等病害；上行線新長(zhǎng)槍嶺隧道于2009 年1 月竣工，襯砌結(jié)構(gòu)較好。

跨越位置覆蓋層為第四系沖積層黏土及卵石土。黏土厚5 ～15 m，Ⅱ級(jí)普通土。卵石土厚5 ～55 m，Ⅳ級(jí)軟石，卵石層局部相變?yōu)橹屑?xì)砂夾卵石。下伏基巖為絹云母片巖，巖體破碎，片理發(fā)育。

2 鐵路路基受上跨道路的影響

新建道路從既有鐵路路基上方跨越時(shí)，為了降低施工過程對(duì)鐵路正常運(yùn)營(yíng)的影響，通常采用轉(zhuǎn)體橋的方式［6-8］?？缭铰坊霓D(zhuǎn)體橋主橋采用 85 m 跨度 T 構(gòu)連續(xù)梁，單箱雙室箱形截面，剛構(gòu)體系。轉(zhuǎn)體橋與襄渝鐵路上行線夾角51.3°，雙幅分離設(shè)置，單幅橋?qū)?7.5 m，凈間距5.0 m，左線主墩Z(yǔ)1與襄渝鐵路下行線凈距約15.9 m；右線主墩Y3與襄渝鐵路上行線凈距約11.3 m。轉(zhuǎn)體橋平面布置如圖2所示。

圖2 跨越路基的轉(zhuǎn)體橋平面布置（單位：m）

在跨越路基的轉(zhuǎn)體橋施工過程中，由于主墩尺寸較大，其基坑開挖會(huì)使鐵路路基產(chǎn)生變形，如橫向差異沉降、縱向不均勻沉降等，進(jìn)而引起軌道的幾何不平順。為確保鐵路行車安全，根據(jù)TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》，鋼軌的橫向差異沉降以及10 m弦長(zhǎng)的縱向不均勻沉降均應(yīng)控制在4 mm以內(nèi)。

以距離鐵路最近的主墩Y3 為例，其采用空心橋墩，承臺(tái)為八邊形?；娱_挖深度約6.3 m，采用直徑1.3 m 鉆孔灌注樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，防護(hù)樁與鐵路中心距離約9.6 m，如圖3所示。

圖3 主墩Y3基坑與鐵路豎向位置關(guān)系（單位：m）

利用MIDAS/GTS 建立數(shù)值模型，對(duì)轉(zhuǎn)體橋主墩Y3 基坑施工過程進(jìn)行仿真分析。從與鐵路垂直的基坑開挖中心延長(zhǎng)線上選取襄渝鐵路上下行線各2根鋼軌共4個(gè)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)的豎向位移曲線見圖4。橫坐標(biāo)施工階段1—4 分別代表基坑開挖、轉(zhuǎn)體橋樁基施工、承臺(tái)施工、上部結(jié)構(gòu)施工；縱坐標(biāo)正值表示隆起，負(fù)值表示沉降。

圖4 施工過程中既有鐵路各節(jié)點(diǎn)豎向位移曲線

由圖4可知：既有鐵路上各節(jié)點(diǎn)均發(fā)生了沉降，趨勢(shì)基本一致；隨著施工的進(jìn)行各節(jié)點(diǎn)的沉降均逐漸增加但增加幅度較小，這說(shuō)明沉降主要發(fā)生在基坑開挖階段；隨著與基坑距離的增加節(jié)點(diǎn)沉降明顯減小，以橋梁上部結(jié)構(gòu)施工階段為例，從遠(yuǎn)離基坑的襄渝鐵路上行線軌道1節(jié)點(diǎn)的2.03 mm 降至靠近基坑的襄渝鐵路下行線軌道2 節(jié)點(diǎn)的0.70 mm；由于同一線路兩鋼軌之間的距離小，鋼軌之間的橫向差異沉降不大，最大值僅約0.14 mm。

從襄渝鐵路上下行線各選取1 根鋼軌，其縱向位移曲線見圖5?？芍?，轉(zhuǎn)體橋主墩的基坑開挖使得既有鐵路鋼軌以基坑開挖位置為中心形成了沉降槽，線路發(fā)生縱向不均勻沉降，但總體上10 m 弦長(zhǎng)的縱向不均勻沉降均不超過4 mm，滿足鐵路安全運(yùn)營(yíng)要求。

圖5 既有鐵路鋼軌縱向豎向位移曲線

通常轉(zhuǎn)體橋的主墩應(yīng)布設(shè)在鐵路安全保護(hù)區(qū)以外。根據(jù)《鐵路安全管理?xiàng)l例》，安全保護(hù)區(qū)至少為鐵路中心線兩側(cè)8 m 范圍。因此，在該范圍以外進(jìn)行主墩的布設(shè)，當(dāng)基坑深度不超過基坑與鐵路的水平距離時(shí)，通過采取合理的基坑支護(hù)措施可控制軌道的幾何不平順在限值之內(nèi)。

3 鐵路隧道受上跨道路的影響

新建道路從鐵路隧道上方跨越主要有路基和橋梁兩種方式。考慮到襄渝鐵路為國(guó)家重要干線鐵路，且既有隧道襯砌存在裂縫病害，若采用路基直接跨越隧道的方式，長(zhǎng)期的車輛荷載反復(fù)作用對(duì)隧道影響相對(duì)較大［9-10］。因此，采用裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋?qū)崿F(xiàn)跨越。

綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)條件以及道路縱向的總體布置要求，跨越隧道的橋梁（圖6）采用40 m 跨徑，整幅布置，總寬度為40 m。橋梁梁底與既有隧道拱頂最小凈距為13.1 m，既有隧道上方最大開挖高度約為11.7 m。橋梁下部采用直徑1.8 m 的鉆孔灌注樁，樁基與既有隧道之間的最小凈距按照不小于1 倍隧道外徑考慮，約12.0 m。

圖6 跨越隧道的橋梁立面布置（單位：m）

在新建橋梁施工和運(yùn)營(yíng)過程中，既有隧道主要受到上方山體的開挖卸載作用以及橋梁樁基開挖、運(yùn)營(yíng)荷載的不利影響。當(dāng)上方開挖時(shí)隧道受到卸載作用產(chǎn)生向上的拉伸變形，隧道周邊的拱作用減弱，隧道襯砌上的荷載增大；橋梁樁基入土過程中會(huì)排擠一定體積的土體，擾動(dòng)附近土層，改變土的應(yīng)力狀態(tài)；運(yùn)營(yíng)過程中上部結(jié)構(gòu)荷載增加并通過樁基礎(chǔ)向下傳遞，可能引起周圍地層的附加變形。上述影響均有可能導(dǎo)致既有隧道產(chǎn)生襯砌變形、開裂、軌道不均勻沉降等。

建立三維有限元模型，對(duì)山體開挖卸載與樁基施工運(yùn)營(yíng)兩種工況進(jìn)行分析，評(píng)估既有隧道受新建橋梁的影響程度。

以既有長(zhǎng)槍嶺隧道為例，作其拱頂和軌面在山體開挖卸載、樁基施工運(yùn)營(yíng)兩種工況條件下的縱向變形曲線，見圖7。

圖7 長(zhǎng)槍嶺隧道拱頂和軌面豎向位移曲線

由圖7可知：上部山體開挖卸載、樁基施工運(yùn)營(yíng)荷載對(duì)既有隧道產(chǎn)生不同的影響。上部山體的卸載作用使得既有隧道襯砌上浮，在拱頂處位移最大，為3.72 mm，從拱頂至仰拱逐漸減小，在軌面處位移最大值降低至1.76 mm。樁基開挖運(yùn)營(yíng)荷載使既有隧道產(chǎn)生附加沉降，但由于橋梁樁基距離隧道位置較遠(yuǎn)，既有隧道沉降相對(duì)不大，其中拱頂處沉降最大值為0.80 mm，軌面處僅為0.49 mm。

綜上，當(dāng)橋梁樁基距離既有隧道1倍洞徑以外時(shí)，既有隧道主要受到上部挖方的影響。一般采用橋梁跨越既有隧道時(shí)橋跨的布置相對(duì)較為靈活，選擇遠(yuǎn)離隧道1倍洞徑以外布設(shè)樁基是有條件實(shí)現(xiàn)的。挖方主要取決于道路的總體縱向布置，因此成為決定橋梁上跨隧道方案的控制因素。對(duì)不同挖方條件下既有隧道所受影響進(jìn)行分析，得到既有隧道拱頂變形與挖方深度和原覆土深度之比K的關(guān)系曲線，見圖8。

圖8 不同挖方深度的既有隧道拱頂豎向位移曲線

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形超過5 mm 時(shí)可能會(huì)威脅既有結(jié)構(gòu)的安全［11］。以此作為控制值，可得當(dāng)既有隧道上部挖方超過原覆土厚度的58%時(shí)不宜采用橋梁方式跨越既有隧道。

4 兩種跨越方案的對(duì)比分析

前述研究表明，跨越路基及隧道的橋梁方案均符合現(xiàn)行規(guī)范要求，能夠確保既有鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。但是對(duì)于不同的跨越方案，鐵路路基和隧道所受到的影響不同，具體對(duì)比見表1。

表1 路基和隧道受上跨橋梁影響的對(duì)比

跨越隧道的橋梁方案雖然在工程投資上占優(yōu)勢(shì)，但其對(duì)隧道的影響時(shí)間、程度均較大，對(duì)周邊環(huán)境的改變也大。從最大限度降低新建工程對(duì)既有鐵路影響的角度出發(fā)，選擇跨越路基的轉(zhuǎn)體橋方案。

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐情況

2019 年12 月轉(zhuǎn)體橋主墩Y3 基坑施工完成，2020年9月成功轉(zhuǎn)體。施工期間，主墩Y3基坑靠近鐵路側(cè)周邊沉降最大值為3.0 mm，鐵路的正常運(yùn)營(yíng)未受到影響。實(shí)踐表明，新建道路采用跨越路基的橋梁方案，既有鐵路的安全得到了充分保障。

6 結(jié)論

1）跨越路基的橋梁對(duì)既有鐵路的影響主要發(fā)生在主墩基坑施工期間，可能導(dǎo)致軌道幾何不平順性。在鐵路安全保護(hù)區(qū)外進(jìn)行主墩施工，基坑深度不超過基坑與鐵路的水平距離時(shí)，鐵路的正常運(yùn)營(yíng)不受影響。

2）跨越隧道的橋梁，當(dāng)樁基布設(shè)于1 倍隧道洞徑以外時(shí)，既有隧道主要受到上部挖方的影響。若挖方較大，超過原覆土厚度的58%時(shí)，不宜采用跨越隧道的橋梁方案。

3）經(jīng)對(duì)比分析，跨越隧道的橋梁方案在工程投資上占優(yōu)勢(shì)，而跨越路基的橋梁方案對(duì)鐵路的影響時(shí)間、影響程度相對(duì)較小，對(duì)周邊環(huán)境的改變也小。

4）工程實(shí)踐證明，采用跨越路基的轉(zhuǎn)體橋方案，既有襄渝鐵路的安全和正常運(yùn)營(yíng)得到了保障。