新建市政道路下穿既有高速鐵路橋梁的影響與分析

摘要 文章以合肥市潛山路南延下穿滬蓉鐵路、合福高鐵工程為背景，分析采用路基結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)、U形槽結(jié)構(gòu)及樁板結(jié)構(gòu)下穿既有高速鐵路的方案可行性，采用Midas GTS NX軟件建立有限元計(jì)算模型，模擬并分析施工過(guò)程及建成運(yùn)營(yíng)后對(duì)既有高速鐵路橋梁墩身的附加位移變形。研究結(jié)果表明：該工程采用樁板結(jié)構(gòu)下穿方案對(duì)高鐵橋梁影響較小，滿(mǎn)足高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全要求。

關(guān)鍵詞 市政道路；樁板結(jié)構(gòu)；下穿高鐵；有限元分析

中圖分類(lèi)號(hào) U448 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）01-0022-03

0 引言

自我國(guó)第一條高速鐵路的建成投運(yùn)，中國(guó)正式成為世界上高速鐵路發(fā)展最快、系統(tǒng)技術(shù)最全、運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)、在建規(guī)模最大的國(guó)家，高鐵也已成為“中國(guó)速度”的象征和“走出去”的名片。隨著我國(guó)基建工程的飛速發(fā)展，新建道路與既有鐵路的交叉時(shí)有發(fā)生。在我國(guó)既有的高速鐵路中，橋梁所占比重較大，為充分保證高速鐵路橋梁的安全，在新建道路時(shí)必須充分考慮其施工對(duì)既有高鐵橋梁的影響[1]。在常見(jiàn)的道路下穿高鐵方案中，主要有路基形式、橋梁結(jié)構(gòu)、樁板結(jié)構(gòu)形式、U形槽形式等。該文以合肥市潛山路南延下穿滬蓉鐵路、合福高鐵工程為背景，運(yùn)用Midas GTS NX建立三維有限元模型，采用Mohr-Coulomb模型考慮土體的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，用數(shù)值模擬方法分析對(duì)采用樁板結(jié)構(gòu)形式下穿施工對(duì)高鐵橋墩的影響。

1 工程概況

潛山路南延下穿滬蓉鐵路、合福高鐵工程位于合肥南站以西約5.2 km處，分別在道路里程K0+296.718、K0+403.139處下穿滬蓉鐵路以及合福高鐵。交叉處滬蓉鐵路里程為K465+756.620，合福高鐵里程為K994+228。

1.1 道路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：城市主干路；

（2）設(shè)計(jì)時(shí)速：60 km/h（涉鐵段限速50 km/h）；

（3）路面計(jì)算荷載：BZZ-100型標(biāo)準(zhǔn)車(chē)；

（4）下穿建筑限界：鐵路橋下機(jī)動(dòng)車(chē)道凈空≥5.5 m。

1.2 高鐵主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

滬蓉鐵路：

（1）鐵路等級(jí)：高速鐵路；

（2）正線(xiàn)數(shù)目：雙線(xiàn)；

（3）設(shè)計(jì)速度：K462+051～K470+838段運(yùn)行速度250 km/h；

（4）軌道結(jié)構(gòu)：有砟軌道。

合福高鐵：

（1）鐵路等級(jí)：客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)；

（2）正線(xiàn)數(shù)目：雙線(xiàn)；

（3）設(shè)計(jì)速度：K991+100～K994+700段運(yùn)行速度120 km/h；

（4）軌道結(jié)構(gòu)：無(wú)砟軌道。

1.3 工程地質(zhì)

根據(jù)勘探報(bào)告顯示，地基土的主要參數(shù)及承載力分別見(jiàn)表1、表2所示。

該工程①層雜填土局部較厚，力學(xué)性質(zhì)不均勻，穩(wěn)定性差，工程地質(zhì)特性差。擬建場(chǎng)地地貌形態(tài)單一，不具備發(fā)育影響地基穩(wěn)定性的不良地質(zhì)作用及地質(zhì)災(zāi)害的條件，根據(jù)勘探揭示地層分布情況，各地基土層水平向成層狀分布，豎向呈規(guī)律韻律沉積，地基穩(wěn)定性較好。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 形式選擇

市政道路與高速鐵路交叉時(shí)，需要根據(jù)既有高鐵橋型布置、凈空高度、水文地質(zhì)、環(huán)境條件、施工安全等因素綜合考量并選定穿越方案，常見(jiàn)市政道路下穿高速鐵路有以下四種形式：

（1）橋梁下穿。

橋下凈空滿(mǎn)足設(shè)置橋梁及架梁施工的條件，道路設(shè)計(jì)標(biāo)高較既有地面高度較高時(shí)，可選用橋梁結(jié)構(gòu)下穿[2]。

（2）樁板結(jié)構(gòu)下穿。

既有高速鐵路橋下凈高符合通行高度要求，但不具備設(shè)置橋梁條件，且地質(zhì)條件不適宜采用路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行下穿時(shí)，可選擇樁板結(jié)構(gòu)形式下穿[3]。

（3）U形槽和框架結(jié)構(gòu)下穿。

橋下凈空不滿(mǎn)足通行高度，道路設(shè)計(jì)標(biāo)高較既有地面標(biāo)高開(kāi)挖深度大于1 m，地基土基本承載力較差時(shí)，可選用U形槽或框架結(jié)構(gòu)形式下穿。

（4）路基下穿。

既有高速鐵路橋下凈高滿(mǎn)足通行高度要求，地基土基本承載力大于180 kPa、路基填筑高度在1 m以下時(shí)，可采用路基形式下穿。

2.2 方案選定

潛山路自北向南依次下穿滬蓉鐵路、合福高鐵橋孔（如圖1所示），為滿(mǎn)足道路與鐵路橋墩承臺(tái)凈距要求，下穿鐵路段道路分四幅布置，中間兩幅機(jī)動(dòng)車(chē)道自滬蓉鐵路經(jīng)開(kāi)區(qū)特大橋112?！?14＃墩間、合福高鐵金寨路特大橋113?！?15＃墩間32 m簡(jiǎn)支箱梁橋孔穿越，單幅道路橫斷面寬約15.9～23.7 m（含兩側(cè)防撞護(hù)欄寬度），兩幅人非通道單幅寬約7 m，自機(jī)動(dòng)車(chē)道鄰孔穿越。道路設(shè)計(jì)標(biāo)高較既有自然地面開(kāi)挖深約1 m，下穿滬蓉鐵路、合福高鐵處①層雜填土厚度約3 m，若采用路基結(jié)構(gòu)下穿，需挖除約3 m的雜填土至②層黏土（地基承載力260 kPa），開(kāi)挖深度較大，開(kāi)挖時(shí)放坡線(xiàn)侵占并暴露承臺(tái)。潛山路南延下穿滬蓉鐵路處橋下凈空≥18 m，合福高鐵處橋下凈空≥6 m，可選用樁板結(jié)構(gòu)型式。

機(jī)動(dòng)車(chē)道采用（10+10+16+10+10）m+（3×10）m+（10+12 +10）m+（9+16+9）m樁板結(jié)構(gòu)，單幅橋長(zhǎng)152 m。

上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土實(shí)心現(xiàn)澆板，西幅橋面寬度16.12～17.55 m，東幅橋面寬度15.99～23.66 m；下部樁基采用Ф1.0 m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)30～40 m，摩擦樁設(shè)計(jì)，人非通道采用路基形式自鄰孔穿越。

3 建模分析

Midas GTS是一種有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有限元分析軟件，在巖土工程領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，其能夠精準(zhǔn)地模擬復(fù)雜多樣的工程地質(zhì)條件，常用于大型構(gòu)筑物、橋梁基礎(chǔ)等工程的穩(wěn)定性分析和沉降分析等[4]。

3.1 建立模型

鐵路橋墩及承臺(tái)離散為實(shí)體單元，樁基礎(chǔ)用梁?jiǎn)卧M，樁土接觸設(shè)置界面單元，建立潛山路南延下穿鐵路計(jì)算模型，如圖2所示。

3.2 計(jì)算結(jié)果

數(shù)值計(jì)算過(guò)程中土層本構(gòu)模型的選擇對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度存在影響，根據(jù)該工程巖土勘察報(bào)告及工程地質(zhì)條件，采用Mohr-Coulomb模型模擬土層特性，該模型能夠描述土體的塑性變形并反映土體的破壞行為。計(jì)算過(guò)程中土體、橋墩及承臺(tái)采用實(shí)體單元模擬，樁板上部結(jié)構(gòu)和路面采用板單元進(jìn)行模擬，對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。計(jì)算主要考慮樁板結(jié)構(gòu)樁基施工、人非通道施工、樁板上部結(jié)構(gòu)施工及交通運(yùn)營(yíng)階段引起鐵路橋墩的附加變形。

建立有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，共劃分為五個(gè)工況：工況一（初始）：高速鐵路上部結(jié)構(gòu)承載施加在墩頂，地應(yīng)力平衡；工況二：樁板結(jié)構(gòu)樁基施工；工況三：人非通道施工（路基開(kāi)挖）；工況四：樁板上部結(jié)構(gòu)施工；工況五：交通運(yùn)營(yíng)階段。滬蓉鐵路、合福高鐵的墩頂位移結(jié)果表3、表4所示。

主要工況下高鐵橋墩的位移計(jì)算結(jié)果為：

樁板結(jié)構(gòu)樁基施工階段：主要位移為順橋向和豎向位移。最大的順橋向位移為0.140，位于112#墩頂；最大豎向位移為0.117，位于113#墩頂。

人非通道施工階段：主要位移為順橋向和豎向位移。最大的順橋向位移為0.742，位于112#墩頂；最大豎向位移為0.583，位于113#墩頂。

樁板上部結(jié)構(gòu)施工階段：主要位移為順橋向和豎向位移。最大的順橋向位移為1.008，位于114#墩頂；最大豎向位移為0.902，位于113#墩頂。

交通運(yùn)營(yíng)階段：主要位移為順橋向和豎向位移。最大的順橋向位移為1.183，位于114墩頂；最大豎向位移為1.123，位于113#墩頂。

4 結(jié)論

下穿高鐵的市政道路荷載對(duì)高鐵橋梁安全造成影響，主要源于施工及運(yùn)營(yíng)期間產(chǎn)生的附加荷載改變了原有地層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力，引發(fā)土層結(jié)構(gòu)變形，沉降加劇等系列問(wèn)題，從而對(duì)高鐵橋梁運(yùn)營(yíng)安全造成影響。市政道路采用樁板結(jié)構(gòu)形式，可有效地減小公路下穿施工對(duì)高速鐵路橋墩的擾動(dòng)，三維有限元數(shù)值計(jì)算可依據(jù)實(shí)際土體性質(zhì)分階段模擬施工過(guò)程，借此獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)變形結(jié)果，在實(shí)際工程運(yùn)用中具有廣闊的應(yīng)用前景。

《鄰近鐵路營(yíng)業(yè)線(xiàn)施工安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》（TB 10314—2021）中規(guī)定高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)無(wú)砟軌道墩臺(tái)豎向位移、水平位移控制值為±2 mm。潛山路采用樁板結(jié)構(gòu)下穿施工對(duì)高鐵橋墩和樁基產(chǎn)生的影響較輕，基于滬蓉鐵路、合福高鐵計(jì)算結(jié)果，附加由于市政道路下穿引發(fā)的位移，各橋墩水平位移及工后沉降仍能符合高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全的相關(guān)要求。因計(jì)算過(guò)程難以涵蓋大型機(jī)械的振動(dòng)施工、臨時(shí)堆放棄土等全方位的施工影響，因此在樁板結(jié)構(gòu)施工期間依然需要嚴(yán)格控制，避免施工機(jī)械碰撞或損傷既有橋梁墩臺(tái)，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)鐵路橋墩變形的監(jiān)測(cè)。新建市政道路下穿高速鐵路時(shí)，可綜合考量經(jīng)濟(jì)性、可行性、施工難度等方面因素比較篩選，以此確定下穿工程最為合理的方案。

參考文獻(xiàn)

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[2]江學(xué)全.公路下穿高速鐵路橋梁的擾動(dòng)性分析[J].中國(guó)水運(yùn)（下半月）， 2019（9）：193-195.

[3]賈一全．樁板結(jié)構(gòu)下穿既有高鐵橋梁數(shù)值分析[J].價(jià)值工程， 2022（18）：49-51.

[4]鄰近鐵路營(yíng)業(yè)線(xiàn)施工安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程：TB 10314—2021[S].北京：中國(guó)鐵道出版社， 2021.

收稿日期：2024-07-12

作者簡(jiǎn)介：費(fèi)玥（1993—），女，本科，工程師，研究方向：橋梁工程。