新建城市道路及管線下穿既有高鐵橋梁影響性分析

劉世豪

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,鄭州 450001)

0 引言

營造便捷通暢的城市道路系統(tǒng)、有效提高道路通行能力是改變城市面貌惠及民生的重要工程。以A新建道路下穿B高鐵工程為研究對(duì)象,針對(duì)城市道路工程下穿施工對(duì)高鐵橋梁的影響進(jìn)行定性與定量分析。

A新建道路規(guī)劃為城市次干路,設(shè)計(jì)速度30 km/h,道路紅線寬度24 m,單幅雙向四車道。研究范圍涉鐵段長度109.715 m,下穿高鐵防護(hù)范圍內(nèi)A新建道路單幅穿越B高鐵,道路與高鐵交叉處鐵路運(yùn)營里程為K698+885,道路中心線與B高鐵交角為87°。道路下方規(guī)劃管線有DN1500雨水管線、DN600雨水管線、DN400給水管線、18×φ110 upvc通信管道、12×φ200 MPP電力管線、DN300燃?xì)夤艿赖取M建項(xiàng)目地勢(shì)南高北低,地形基本平坦,地貌單元屬山前沖洪積傾斜平原,地勢(shì)平緩、開闊。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查資料與收集既有資料進(jìn)行對(duì)比分析,項(xiàng)目區(qū)工程地質(zhì)層自上而下分層為:(1)黏質(zhì)黃土(Q4al)、(2)細(xì)砂(Q4al)、(3)粗圓礫土(Q4al)、(4)泥巖(N)。擬建道路及管線位于:(1)黏質(zhì)黃土(Q4al)(棕黃色、黃褐色),軟塑～硬塑,層厚4～20 m,承載力fak=120 kPa?？辈炱陂g,地下水為第四系松散層孔隙潛水,主要賦存于第(3)層粗圓礫土中,地下水埋深約為3.2 m。區(qū)域內(nèi)無不良地質(zhì)和特殊地質(zhì),地震動(dòng)加速度峰值為0.10 g,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.4 s。本區(qū)抗震基本烈度為7度。

圖1 涉鐵段道路平面布置Fig.1 Layout of railway section road

1 涉鐵段道路及管線防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

機(jī)動(dòng)車道采用整體式樁板結(jié)構(gòu)的方式下穿鐵路,樁板結(jié)構(gòu)樁基距離鐵路橋樁基的最小距離為7.6 m(距離不小于6倍的下穿工程樁徑)。

樁板結(jié)構(gòu)孔跨布置為(2×8+2×8+2×8)m,全長63.04 m。樁板寬17.2 m。上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土板,跨中板厚60 cm,端部板厚100 cm。下部結(jié)構(gòu)樁基采用鉆孔灌注樁,采用單排樁,樁徑0.8 m,縱向樁間距為8 m,橫向樁間距4.2 m。樁板結(jié)構(gòu)樁長14 m。樁板和搭板采用C40鋼筋混凝土,樁基為C35水下鋼筋混凝土,鋼筋為HPB300、HRB400。

樁板與一般路基之間采用搭板進(jìn)行過渡,長度6 m,搭板厚0.35 m,搭板與樁板搭接長度0.3 m。

按照市政管網(wǎng)規(guī)劃,道路下方規(guī)劃管線有單根DN1500雨水管線、單根DN600污水管線、單根DN400給水管線、單側(cè)18×φ110 upvc通信管道、單側(cè)12×φ200 MPP電力管線、單根DN300燃?xì)夤艿赖取８鶕?jù)高速鐵路管理相關(guān)要求,在滿足鐵路安全防護(hù)的前提下對(duì)管線防護(hù)工程進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)方案文件規(guī)劃雨水管線、污水管線防護(hù)方案,采用機(jī)械頂管完成下穿,其中雨水管道采用DN1500套管防護(hù)下穿,覆土厚度為3.6 m,從B高鐵M特大橋125#-126#橋墩之間下穿,管道中心距離125#承臺(tái)12.94 m,距離126#承臺(tái)11.86 m。污水管道采用DN600套管防護(hù)下穿,覆土厚度為3.83 m,從B高鐵M特大橋123#-124#橋墩間穿越,管中心距離123#承臺(tái)12.89 m,距離124#承臺(tái)12.89 m。

規(guī)劃給水、通信、電力、燃?xì)夤艿谰灾甭穹笤O(shè)完成下穿,其中給水管線由125#-126#橋墩間穿越,管中心距離125#承臺(tái)4 m,距離126#承臺(tái)21.89 m。通信管線由125#-126#橋墩間穿越,管中心距離125#承臺(tái)7 m,距離126#承臺(tái)18.89 m。電力管線由123#-124#橋墩間穿越,管中心距離123#承臺(tái)19.91 m,距離124#承臺(tái)6 m。燃?xì)夤芫€由123#-124#橋墩間穿越,管中心距離123#承臺(tái)21.91 m,距離124#承臺(tái)4 m。

根據(jù)規(guī)劃要求及鐵路安全統(tǒng)籌安排協(xié)調(diào)工程管線之間的關(guān)系,盡量滿足各管線一次穿越條件,設(shè)計(jì)初步擬定方案為:6處穿越點(diǎn),共設(shè)置3座管線防護(hù)、1處通信管線、1處電力管線、1處燃?xì)夤芫€。

2 道路下穿施工對(duì)既有高鐵橋墩的影響

2.1 計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

采用Midas GTS NX大型巖土工程計(jì)算軟件進(jìn)行分析計(jì)算。對(duì)A新建道路工程下穿B高鐵設(shè)計(jì)方案建立三維分析模型進(jìn)行仿真模擬,分析道路在施工及運(yùn)營階段對(duì)M特大橋122#～127#橋墩的影響,數(shù)值計(jì)算中土體采用“修正莫爾—庫倫”土體彈塑性模型,鐵路橋墩樁基均采用線彈性樁單元模型。計(jì)算土層參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算土層參數(shù)

2.2 計(jì)算模型與結(jié)果分析

道路施工階段的模擬。通過有限元軟件的“激活單元、鈍化單元”,對(duì)設(shè)計(jì)方案分別進(jìn)行仿真模擬分析。

圖3 樁板結(jié)構(gòu)有限元幾何模型Fig.3 Finite element geometric model of pile-sheet structure

數(shù)值模擬分析依據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)施方案分區(qū)分段分層對(duì)稱開挖,計(jì)算可得,道路樁基施工、道路基槽開挖、路板結(jié)構(gòu)施工、東西側(cè)頂管施工、東西側(cè)明挖基坑與運(yùn)營對(duì)B高鐵M特大橋122#～127#墩豎向位移均產(chǎn)生一定的影響。道路在樁基施工階段表現(xiàn)為沉降趨勢(shì),明挖基坑及道路基槽開挖階段相鄰橋墩均表現(xiàn)為上浮趨勢(shì),隨著管線頂管及道路結(jié)構(gòu)施工、基坑回填,相鄰橋墩表現(xiàn)為沉降趨勢(shì)。

圖4 樁板結(jié)構(gòu)基槽開挖階段豎向位移云圖Fig.4 Vertical displacement nephogram of pile plate structure foundation groove during excavation stage

圖5 豎向位移趨勢(shì)Fig.5 Vertical displacement trend

根據(jù)數(shù)值模擬分析,道路下穿鄭開城際鐵路防護(hù)工程施工期間,M特大橋122#～127#橋墩最大附加豎向、順橋向、橫橋向位移最大值分別為0.630 mm、-0.473 mm、0.025 mm,均滿足《公路與市政工程下穿高鐵技術(shù)規(guī)程》(TB 10182-2017)中表3.03規(guī)定的3 mm限值要求。從數(shù)值模擬可知,道路工程施工對(duì)既有高特橋梁沉降量影響較小,對(duì)高鐵橋梁的附加位移滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)論

經(jīng)綜合分析可知,A新建道路下穿B高鐵防護(hù)工程設(shè)計(jì)方案在施工與運(yùn)營期間對(duì)B高鐵M特大橋122#～127#墩均有一定影響,在完善相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)處理措施后,建設(shè)及運(yùn)營對(duì)交叉處鐵路橋梁的影響較小,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為低度。

由于本工程涉及道路工程與多條附屬管線工程,影響高鐵橋跨較多,建議細(xì)化道路、管道施工場(chǎng)地、施工便道布置,合理安排道路工程及附屬管道的施工時(shí)序,盡量縮短下穿工程施工周期,減小對(duì)高鐵橋梁的影響。道路及管線明挖基坑開挖應(yīng)分層、分區(qū)、對(duì)稱開挖,不得超挖,減小基坑變形及大體積土方開挖對(duì)鐵路橋梁造成的影響。高鐵影響區(qū)內(nèi)場(chǎng)地平整與新建道路路基基礎(chǔ)應(yīng)避免采用大型振動(dòng)機(jī)械施工,施工產(chǎn)生的棄土應(yīng)及時(shí)清理,堆放位置需遠(yuǎn)離高鐵影響區(qū)。