城市道路下穿既有普速鐵路橋梁影響分析

王一瑩

摘要：以某城市道路下穿普速鐵路橋梁為例，采用Midas GTS/NX軟件建立三維有限元模型，分析道路路基方案在開(kāi)挖、換填、路面施工和運(yùn)營(yíng)階段對(duì)鐵路橋墩的位移影響。分析結(jié)果表明，隨著車行道與鐵路承臺(tái)距離的增大，道路對(duì)橋墩位移的影響逐漸變小，但此道路即使機(jī)動(dòng)車道位于橋跨中間時(shí)，鐵路橋墩產(chǎn)生的豎向位移仍不滿足規(guī)范要求。進(jìn)而提出此道路在涉鐵段采用樁板結(jié)構(gòu)方案，以進(jìn)一步減小對(duì)鐵路橋梁的影響。

關(guān)鍵詞：城市道路下穿普速鐵路位移樁板結(jié)構(gòu)

Impact Analysis Of Urban Road Under Existing Ordinary Speed Railway Bridge

WANG Yiying

（Xiongan Urban Planning and Design Institute Co.， Ltd.，Rongcheng，Hebei Province，071700 China）

Abstract：Taking an ordinary speed railway bridge under an urban road as an example，establish the 3D finite element model by Midas GTS/NX software，analyze the influence of road subgrade scheme on the displacement of Railway Piers in the stages of excavation， replacement， pavement construction and operation.The analysis results show that with the increase of the distance between carriageway and railway cushion cap，the influence of road on pier displacement decreases gradually. However， even if the motorway is located in the middle of the bridge span， the vertical displacement caused by the railway pier still does not meet the specification requirements. Then it is proposed to adopt the pile plate structure scheme in the railway section of the road， so as to further reduce the impact on the railway bridge.

Key Words：Urban road;Under wear;Ordinary speed railway;Displacement;Pile slab structure

隨著我國(guó)城市建設(shè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的新建城市道路需下穿既有鐵路橋梁。針對(duì)此類工程，國(guó)內(nèi)學(xué)者和工程技術(shù)人員進(jìn)行了一些研究。鄺顯聰研究者以某公路下穿既有線鐵路橋梁為例，采用有限元軟件對(duì)施工全過(guò)程及公路運(yùn)營(yíng)階段對(duì)鐵路橋梁進(jìn)行力學(xué)狀態(tài)的分析[1]。杜威研究者依托新建道路下穿既有鐵路路基和客運(yùn)專線高架橋工程實(shí)例，通過(guò)有限元軟件深入分析了道路施工對(duì)高鐵橋梁結(jié)構(gòu)的影響。鄧稱意研究者綜合分析了城市道路下穿高速鐵路前期方案選擇的基本方法，并結(jié)合工程實(shí)際給出了推薦方案[3]。

同時(shí)，《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB 10182-2017）[4]中規(guī)定了公路和城市道路下穿高速鐵路橋梁時(shí)，下穿工程可依據(jù)地基承載力、橋下凈空等要求合理選用橋梁、樁板結(jié)構(gòu)、U型槽、框架結(jié)構(gòu)或者路基等結(jié)構(gòu)形式。但對(duì)于城市道路下穿普速鐵路橋梁，目前沒(méi)有專門規(guī)范，工程實(shí)踐中一般參照上述規(guī)范。工程實(shí)踐表明[5-6]，一般情況下，運(yùn)營(yíng)的普速鐵路對(duì)墩臺(tái)的位移限值比高速鐵路大，下穿工程采用路基形式造價(jià)更低，故在工程實(shí)踐中一般優(yōu)先考慮采用路基形式下穿是否滿足要求，這就需要結(jié)合場(chǎng)地地質(zhì)條件，計(jì)算分析路基在工程開(kāi)挖、換填、路面施工和道路運(yùn)營(yíng)階段等對(duì)普速鐵路橋墩位移的影響，進(jìn)而判斷路基形式是否滿足工程要求;若不滿足，則再考慮樁板結(jié)構(gòu)等對(duì)鐵路橋墩位移影響更小的方案[7]。

該文以上海某新建城市道路下穿普速鐵路橋梁為例，采用有限元軟件模擬工程實(shí)施各階段對(duì)鐵路橋墩的位移影響，作為判斷該工程采用路基方案能否滿足要求的依據(jù)，也為今后類似工程設(shè)計(jì)方案研究提供一定的參考。

1 工程概況

上海市某新建城市道路等級(jí)為城市干路，設(shè)計(jì)速度40 km/h，雙向六車道，標(biāo)準(zhǔn)段道路紅線寬度40 m，線路呈南北走向。

既有鐵路為普速貨運(yùn)單線鐵路，設(shè)計(jì)速度160 km/h，呈東西走向，與新建城市道路正交交叉。在交叉節(jié)點(diǎn)處，既有鐵路為高架橋梁，跨度32 m，梁底標(biāo)高10.96 m。新建城市道路正交下穿該鐵路80#～81#和81#～82#橋孔，該節(jié)點(diǎn)處地面標(biāo)高4.26 m，道路設(shè)計(jì)標(biāo)高5.06 m。下穿位置處鐵路橋墩尺寸為1.2 m（縱橋向）×3.4 m（橫橋向），承臺(tái)尺寸為7.92 m（縱橋向）×5.2 m（橫橋向），承臺(tái)頂標(biāo)高3.53 m。

2道路路基方案

城市道路下穿既有鐵路橋梁，下穿工程常用的結(jié)構(gòu)形式有橋梁、樁板結(jié)構(gòu)、U型槽、框架結(jié)構(gòu)、隧道或者路基形式。

該工程城市道路與鐵路橋梁交叉節(jié)點(diǎn)處，梁底標(biāo)高為10.96 m，路面標(biāo)高為4.26 m，高差為6.70 m，滿足道路通行凈空要求，且既有鐵路為速度160 km/h的普速鐵路，運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下對(duì)橋梁墩頂?shù)奈灰瓶刂浦狄雀咚勹F路大，從下穿工程經(jīng)濟(jì)性和施工難度方面出發(fā)，下穿工程可首先考慮路基方案，并通過(guò)有限元計(jì)算模擬分析對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的影響程度，進(jìn)而判定路基方案是否可行。

該城市道路標(biāo)準(zhǔn)段紅線寬度為40 m，從線形順直度、車行道與鐵路承臺(tái)距離兩方面考慮，下穿段給出兩種路基斷面方案，以車行道與承臺(tái)的距離為變量來(lái)分析兩種路基方案對(duì)鐵路橋梁的影響。

方案一：線形順直，道路紅線寬度40 m，中央分隔帶寬8.1 m，車行道邊緣與鐵路承臺(tái)的距離分別為0.02 m和0.16 m。方案二：道路紅線寬度由標(biāo)準(zhǔn)段的40 m漸變?yōu)橄麓┒蔚?8 m，將車行道置于鐵路橋跨中間，中央分隔帶寬16.1 m，車行道邊緣與鐵路承臺(tái)的距離分別為4.02 m和4.16 m。

3 計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型

根據(jù)新建道路與鐵路橋梁相對(duì)位置關(guān)系，采用有限元軟件Midas GTS/NX建立三維有限元模型，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。土體采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，鐵路橋墩、承臺(tái)及新建道路路基采用實(shí)體單元模擬，鐵路承臺(tái)下方的樁基礎(chǔ)采用植入式梁?jiǎn)卧M，路面施工、運(yùn)營(yíng)荷載采用面荷載模擬。

模型沿X、Y、Z這3個(gè)方向的邊界尺寸分別為158 m、80 m、55 m，其中，X為鐵路順橋向，Y為鐵路橫橋向，Z為豎向。計(jì)算模型具體見(jiàn)圖1。

各土層的計(jì)算參數(shù)采用工程地勘參數(shù)及上海地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值。模型中采用的巖土體及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置具體見(jiàn)表1。

為了準(zhǔn)確分析道路施工對(duì)既有鐵路橋墩的影響，采用動(dòng)態(tài)模擬施工過(guò)程的計(jì)算方法，模擬計(jì)算工況包括場(chǎng)地初始、橋梁結(jié)構(gòu)建成、基底換填層開(kāi)挖、施作換填層、施作路面結(jié)構(gòu)、通車運(yùn)營(yíng)6個(gè)步驟。由于鐵路橋梁基礎(chǔ)形變主要受路基結(jié)構(gòu)開(kāi)挖卸載、施工期間荷載和后期運(yùn)營(yíng)荷載等荷載綜合影響[5]，故此次計(jì)算分析分別考慮路基開(kāi)挖、地基換填、路面施工作業(yè)和道路運(yùn)營(yíng)這4個(gè)階段。

3.2計(jì)算結(jié)果

分別計(jì)算兩種道路斷面方案對(duì)既有鐵路橋墩位移的影響，分別考察橋墩縱橋向、橫橋向和豎向位移。

路基方案一下，鐵路橋墩縱橋向、橫橋向和豎向位移值如下表所示。從計(jì)算結(jié)果可看出，豎向位移值大于橫橋向和縱橋向，橋墩最大豎向位移值出現(xiàn)在道路運(yùn)營(yíng)階段。

路基方案二下，鐵路橋墩縱橋向、橫橋向和豎向位移值如下表所示。從計(jì)算結(jié)果可看出，豎向位移值同樣大于橫橋向和縱橋向，橋墩最大位移值同樣出現(xiàn)在道路運(yùn)營(yíng)階段。

對(duì)比計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)?shù)缆奋囆械谰o鄰橋梁承臺(tái)時(shí)，即方案一，路基開(kāi)挖和后期運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的位移對(duì)鐵路橋墩影響較大，橋墩最大豎向位移值為5.05 mm，大于規(guī)范規(guī)定的基礎(chǔ)沉降控制值4 mm;當(dāng)?shù)缆奋囆械牢挥趦设F路橋墩中間，即方案二，橋墩最大豎向位移值為4.02 mm，雖小于方案一，但仍大于規(guī)范規(guī)定的基礎(chǔ)沉降控制值4 mm。

上述分析表明，該工程路基施工和運(yùn)營(yíng)對(duì)既有鐵路橋墩影響較大，不能滿足鐵路的正常運(yùn)營(yíng)安全。為了確保鐵路運(yùn)營(yíng)安全，建議該新建道路下穿既有鐵路橋梁采用樁板結(jié)構(gòu)形式，并參照《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB 10182-2017）[4]進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置。

4 樁板結(jié)構(gòu)方案

該工程道路下穿既有鐵路橋梁采用樁板結(jié)構(gòu)形式，道路紅線寬度40 m，中央分隔帶寬度8.1 m，上下行機(jī)動(dòng)車道分別于鐵路橋81#橋墩兩側(cè)布置。

樁板結(jié)構(gòu)采用（10+18+10）m的跨度布置，橋頭搭板長(zhǎng)度5 m，分幅布置，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，頂板厚度1.00 m;樁基礎(chǔ)位于鐵路橋梁投影線外側(cè)，結(jié)構(gòu)投影未侵入鐵路承臺(tái)范圍，最小距離0.16 m;樁基直徑1.2 m，與鐵路樁基中心最小距離為7.87 m，大于7.2 m（6×1.2=7.2m）;樁板結(jié)構(gòu)護(hù)欄外側(cè)與鐵路橋墩的凈距為3.4 m>2.5 m，鐵路橋下道路通行凈空為5.9 m，符合規(guī)范要求。

5結(jié)語(yǔ)

（1）隨著車行道與鐵路承臺(tái)距離的增大，道路路基施工和運(yùn)營(yíng)階段對(duì)鐵路橋墩位移的影響逐漸變小。

（2）此新建道路即使機(jī)動(dòng)車道位于橋跨中間時(shí)，鐵路承臺(tái)產(chǎn)生的豎向位移仍不滿足規(guī)范要求，故建議此道路在涉鐵段采用樁板結(jié)構(gòu)方案，以進(jìn)一步減小對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的影響。

（3）新建或改擴(kuò)建城市道路下穿既有普速鐵路時(shí)，應(yīng)從經(jīng)濟(jì)性、對(duì)鐵路影響情況、施工難度等方面進(jìn)行綜合比選，確定下穿工程的最優(yōu)方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄺顯聰.某城市干線道路施工對(duì)下穿鐵路橋梁的影響研究[D].廣州：廣州大學(xué)，2017.

[2] 杜威.新建道路下穿施工對(duì)既有鐵路線運(yùn)營(yíng)影響的分析研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2020.

[3] 鄧稱意.某城市主干道下穿既有高鐵設(shè)計(jì)案例分析[J].工程設(shè)計(jì)，2019，4（14）：208-209.

[4] 同濟(jì)大學(xué)、中國(guó)鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研.公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程：TB 10182-2017[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2018.

[5] 趙海洋.軟土地區(qū)新建道路下穿鐵路設(shè)計(jì)方案分析[J].交通與運(yùn)輸，2019，35（6）：37-40.

[6] 孫健，王玉玲.城市道路下穿高速鐵路的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國(guó)市政工程，2021（5）：77-81.

[7] 楊國(guó)濤. 高寒地區(qū)高速鐵路路基基床表層凍脹機(jī)理與軌道平順性控制研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2020.