公路匝道橋下穿高速鐵路橋梁安全影響分析

崔素花，劉玉玲，王 靜

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.中路高科交通檢測檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司,北京 100088;3.中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司徐州設(shè)計院,江蘇 徐州 221000)

0 引言

隨著我國鐵路和公路建設(shè)的快速發(fā)展,公路與鐵路橋梁立體交叉的情況越來越多,公路下穿施工會對既有鐵路造成影響,為了確保鐵路列車行駛安全和旅客乘車的舒適度,橋梁沉降限值和基礎(chǔ)承載力成為了評價高速鐵路橋梁是否能安全運(yùn)營的重要指標(biāo)。目前,國內(nèi)對穿越高鐵采用不同的施工方法(路基、樁板結(jié)構(gòu)、剛構(gòu)橋等)下穿既有鐵路,而涉及高速公路匝道橋穿越鐵路橋的工程研究較少,可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)有限,因此下穿鐵路橋的高速公路匝道施工對鐵路橋的影響評估具有很大的價值。

1 工程概況

以某高速公路稍坡復(fù)合互通A匝道下穿青鹽鐵路馬站繡針河特大橋?yàn)楸尘?分析研究公路匝道橋下穿鐵路橋梁施工,對鐵路橋梁的影響。

1.1 青鹽鐵路概況

青鹽鐵路為雙線電氣化鐵路,客貨共線,有砟軌道,設(shè)計時速200 km/h。

日照港嵐山港區(qū)疏港高速公路稍坡復(fù)合互通A匝道在嵐羅高速汾水樞紐北側(cè)與青鹽鐵路交叉馬站繡針河特大橋,交叉處公路里程為AK3+460,位于嵐山西—贛榆北區(qū)間,里程約為K185+507。交叉處青鹽鐵路馬站繡針河特大橋?yàn)?2 m簡支T梁,橋下凈高約16 m,稍坡復(fù)合互通A匝道在第120號—121號墩之間橋下穿過,交叉角度為48.8°。

1.2 下穿高速公路概況

本項(xiàng)目在嵐羅高速汾水樞紐北側(cè)與青鹽鐵路交叉,交叉處青鹽鐵路馬站繡針河特大橋?yàn)?2 m簡支T梁,稍坡復(fù)合互通從馬站繡針河特大橋第120號—121號墩之間橋下通過,交叉角度為48.8°。高速公路A匝道采用(3×35) m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支小箱梁下穿青鹽鐵路馬站繡針河特大橋,橋面總寬13 m,小箱梁采用預(yù)制架設(shè)法施工。

1)平面設(shè)計:稍坡復(fù)合互通A匝道下穿青鹽鐵路橋所在位置為緩和曲線段,與青鹽鐵路夾角為48.8°,平面布置圖見圖1。

2)縱斷面設(shè)計:最大縱坡0.5%,豎曲線半徑采用R=5 200 m。

3)橫斷面設(shè)計:稍坡復(fù)合互通A匝道下穿青鹽鐵路處橫斷面布置形式:0.6 m(HA級防撞護(hù)欄)+11.8 m(機(jī)動車道)+0.6 m(HA級防撞護(hù)欄)=13.0 m。

4)橋梁孔跨布置:為最大程度減少下穿青鹽鐵路橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)施工對既有鐵路設(shè)備的影響,基礎(chǔ)布置不得侵入鐵路建筑限界,滿足新建結(jié)構(gòu)樁基與青鹽鐵路橋梁樁基中心距不小于4倍下穿工程樁徑的要求,稍坡復(fù)合互通A匝道主跨采用35 m簡支小箱梁下穿青鹽鐵路橋,兩邊孔同樣采用跨度為35 m的小箱梁以便于架橋設(shè)備試吊。

下穿青鹽鐵路橋梁交叉樁號為AK3+460,跨鐵路部分橋長112.0 m。

橋跨布置為:(3×35)m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支小箱梁,橋面連續(xù)。

5)上部結(jié)構(gòu):小箱梁采用預(yù)制架設(shè)法施工,每孔采用4片箱梁,橋面全寬13.0 m,濕接縫寬0.833 m。35 m小箱梁梁高1.8 m,頂板厚度為22 cm,梁頂設(shè)13 cm鋼筋混凝土現(xiàn)澆層、防水層、10 cm瀝青混凝土面層。

6)下部結(jié)構(gòu):橋墩采用蓋梁柱式墩,基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ),橋墩直徑為1.6 m,基礎(chǔ)采用直徑1.8 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

1.3 地質(zhì)情況

橋梁選址區(qū)地質(zhì)層分別為粉質(zhì)黏土、含砂粉質(zhì)黏土、粗砂、全風(fēng)化片麻巖、強(qiáng)風(fēng)化片麻巖、中風(fēng)化片麻巖,均在勘探深度范圍內(nèi)。地下水補(bǔ)給來源主要接受大氣降水和支溝小溪徑流制約,主要排泄途徑為大氣蒸發(fā)和側(cè)滲方式,其主要為第四系松散巖類孔隙水及基巖裂隙水。表層素填土:黃褐色,稍密,厚度:0.80 m～5.50 m;粉質(zhì)黏土:黃褐色,可塑—硬塑,干強(qiáng)度及韌性一般,厚度:1.70 m～5.80 m;含砂粉質(zhì)黏土:黃褐色,可塑—硬塑,厚度:1.60 m～3.40 m;粗砂:黃褐色,中密,飽和,厚度:2.10 m～3.30 m;全風(fēng)化片麻巖:黃褐色,原始巖層風(fēng)化程度極為強(qiáng)烈,厚度:0.70 m～7.10 m;強(qiáng)風(fēng)化片麻巖:黃褐夾灰白色,變晶結(jié)構(gòu),片麻狀構(gòu)造,厚度:3.50 m～19.60 m;中風(fēng)化片麻巖:灰白色,變晶結(jié)構(gòu),片麻狀構(gòu)造,其巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為46.80 MPa。

2 安全影響評估概述

2.1 評估概述

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求,結(jié)合本工程特點(diǎn)而擬定的主要專項(xiàng)評估。評估主要內(nèi)容為:某高速公路稍坡復(fù)合互通A匝道施工對青鹽鐵路馬站繡針河特大橋變形的評估。

采用理論計算與有限元模型相結(jié)合的方法進(jìn)行數(shù)值模擬計算,并對照評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定量安全評價,其中有限元模擬通過大型巖土工程通用軟件Midas GTS-NX來實(shí)現(xiàn)。

2.2 安全評估標(biāo)準(zhǔn)

1)工程設(shè)計基本安全評估:某高速公路下穿青鹽鐵路馬站繡針河特大橋工程,根據(jù)規(guī)范[1]的規(guī)定進(jìn)行基本安全評估,評估結(jié)果詳見表1。

表1 本項(xiàng)目安全評估內(nèi)容匯總

2)結(jié)構(gòu)安全評估標(biāo)準(zhǔn):現(xiàn)有鐵路的安全評估一般從結(jié)構(gòu)和附屬設(shè)施的變形、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性等方面考慮,其中變形作為主要控制標(biāo)準(zhǔn)。本項(xiàng)目的變形控制標(biāo)準(zhǔn)是參考國內(nèi)同類工程經(jīng)驗(yàn),根據(jù)現(xiàn)有鐵路運(yùn)行現(xiàn)狀和周邊設(shè)施制定的,本項(xiàng)目的控制內(nèi)容包括:橋梁沉降、差異沉降、橫向水平變形和縱向水平變形等,控制指標(biāo)限值均為3 mm。

3 計算模型

公路匝道橋施工對周圍環(huán)境的影響采用Midas GTS-NX有限元程序進(jìn)行分析。模型長100 m、寬80 m、深70 m,土體采用三維實(shí)體單元模擬,本構(gòu)模型采用修正后的Mohr-Coulomb模型;橋墩和承臺采用三維單元模擬;樁基采用線彈性本構(gòu)模型。高速鐵路橋上部結(jié)構(gòu)以自重形式加載在支墩上模擬,土體水平四周邊界采用水平約束,底部邊界采用垂直約束。三維空間有限元土體模型如圖2所示。

4 三維有限元數(shù)值模擬分析

根據(jù)本項(xiàng)目設(shè)計和施工情況,按照以下幾個階段對施工過程進(jìn)行模擬,具體模擬過程見表2。

表2 模擬內(nèi)容

5 計算結(jié)果分析

本工程施工是在既有橋梁的基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬計算,第一階段為既有橋梁現(xiàn)狀,在第一階段的基礎(chǔ)上,根據(jù)工程設(shè)計圖紙中的位置進(jìn)行高速鐵路樁基、墩臺及上部結(jié)構(gòu)施工模擬計算。

5.1 青鹽鐵路橋沉降變形影響分析

根據(jù)建立的整體三維有限元模型計算分析,青鹽鐵路馬站繡針河特大橋各施工階段沉降變形影響結(jié)果云圖見圖3。

根據(jù)表3,表4的模擬運(yùn)算結(jié)果可知:各施工階段造成青鹽鐵路馬站繡針河特大橋橋墩頂部產(chǎn)生的階段附加沉降量最大值為-0.921 mm,橋墩頂部階段累計附加沉降量最大值為-2.516 m,橋墩頂部附加沉降量符合規(guī)范[2]3 mm的沉降限值要求。

表3 青鹽鐵路馬站繡針河特大橋橋墩頂施工階段附加沉降計算結(jié)果 mm

表4 青鹽鐵路馬站繡針河特大橋橋

5.2 青鹽鐵路馬站繡針河特大橋橋墩頂橫向水平變形影響分析

根據(jù)建立的整體三維有限元模型計算分析,青鹽鐵路馬站繡針河特大橋各施工階段橫向水平變形影響結(jié)果云圖見圖4。

根據(jù)表5模擬計算結(jié)果可知:青鹽鐵路馬站繡針河特大橋各施工階段橋墩頂部產(chǎn)生的階段附加橫向水平變形最大值為-1.010 mm,墩頂階段累計附加橫向水平變形最大值為-2.610 mm,墩頂附加橫向水平變形符合規(guī)范[3]中3 mm的限值要求。

表5 青鹽鐵路馬站繡針河特大橋

5.3 青鹽鐵路馬站繡針河特大橋橋墩頂縱向水平變形影響分析

根據(jù)建立的整體三維有限元模型計算分析,青鹽鐵路馬站繡針河特大橋各施工階段墩頂?shù)目v向水平變形影響結(jié)果云圖見圖5。

根據(jù)表6模擬計算結(jié)果可知:青鹽鐵路馬站繡針河特大橋各施工階段橋墩頂產(chǎn)生的階段附加縱向水平變形最大值為-0.697 mm,墩頂階段累計附加縱向水平變形最大值為-1.934 mm,墩頂附加縱向水平變形滿足規(guī)范[4-5]中3 mm的限值要求。

表6 青鹽鐵路馬站繡針河特大橋

6 結(jié)論及建議

通過以上分析,高速公路稍坡復(fù)合互通A匝道下穿青鹽鐵路馬站繡針河特大橋方案可行。

考慮各種風(fēng)險因素的客觀存在提出以下建議:

1)鐵路橋下及兩側(cè)50 m范圍內(nèi),施工過程中不得堆載,以免造成橋墩基礎(chǔ)下沉。

2)鐵路橋梁200 m范圍內(nèi)禁止開采地下水。

3)橋梁端承樁施工應(yīng)采用全套管跟進(jìn)的方式,加強(qiáng)施工控制,避免發(fā)生土體坍塌事故,減少樁基礎(chǔ)施工對既有鐵路橋的影響。

4)施工時要做好防護(hù)措施,防止施工設(shè)施(如吊車、泵車等)侵入鐵路限界。