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道路下穿高铁桥梁安全控制技术研究张齐芳

发表时间：2020/1/13 来源：《防护工程》2019年18期作者：张齐芳

[导读] 随着中国高速铁路网的不断延伸，以及方兴未艾的城市规划建设，铁路网和市政道路网势必将不断的交织影响。

中铁上海设计院集团有限公司上海 200070
　　摘要：该文基于某挖方路基道路下穿既有高铁桥梁工程为背景，通过理论研究、数值模拟及现场实测等方法，分析道路施工及运营过程对桥梁的影响，优化设计施工方案，确保对高铁桥梁的影响控制在安全范围之内。
　　关键词道路；高铁桥梁；下穿；数值模拟；安全控制
　　
　　
　　0 引言
　　随着中国高速铁路网的不断延伸，以及方兴未艾的城市规划建设，铁路网和市政道路网势必将不断的交织影响。道路下穿高铁桥梁的工程案例层出不穷，国内学者和工程师们基于理论分析、数值模拟等方法[1-4]，优化设计施工方案，确保道路下穿高铁桥梁的影响安全可控。
　　某新建道路下穿高铁桥梁，距离高铁桥梁承台最近约2.7m，道路采用挖方路基设计方案，道路开挖过程中必然对既有高铁桥梁产生影响。为控制道路施工对高铁桥梁的影响，将从以下几方面进行研究：从理论上分析道路工程施工过程对既有高铁桥梁的影响；建立有限元模型，模拟道路施工对高铁桥梁墩台的位移影响及道路运营对既有高铁桥梁墩台的影响；根据分析结果，优化设计施工方案。
　　1 工程概况
　　新建道路及附属物工程全长约1559.00米。下穿高铁桥梁段，道路实施宽度按86米进行控制。路面结构为沥青混凝土结构形式，道路要求净高为5米。道路下穿高铁781#，782#，783#，784#，785#桥墩。桥墩桩基直径1m，桩长50.5m~51.5m，桥下净空约6.3m。道路主路、辅路均为挖方路基，开挖边坡1:1，主路开挖深度约1.0~2.0m，辅路开挖深度约1.0~1.5m。道路两侧设置DN1000给水管，埋深约1.3m，采用DN1000mm钢筋混凝土防护套管开槽施工，开槽边坡率1:1，边坡开挖深度约3m。地层结构为第四系全新统人工堆积层，包含：杂填土、素填土、粉土、粉质粘土、粘土等。工程相对位置关系如下图1-1所示。
　　2道路施工对桩基的影响机理及高铁变形控制标准
　　道路上层土开挖卸载，导致下层土回弹隆起，边坡土体产生侧向变形，其对高速铁路桥梁桩基的影响包括两个方面：1.桩周土的隆起会使桥梁桩基随着土体向上位移；2.高速铁路桥梁桩基在两侧土压力差的作用下会产生靠近道路方向的水平位移，上述两种影响往往同时发生，并相互影响。挖方路基形式修建的道路，其卸载对桩基的影响如图2-1示意。
　　
　　图1-1 刘琦路下穿商杭高铁位置关系图图2-1 挖方路基桩土相互作用示意图
　　铁路桥781号墩~785号墩采用圆端型实体墩，桥墩基础均采用钻孔灌注桩基础。根据铁路下穿桥梁相关规范，可知道路下穿高铁桥梁安全控制主要指标及限值按下表2-1进行控制。
　　

3 道路下穿桥梁控制措施
　　为了确保道路下穿高铁桥梁的安全，通过从设计和施工方面提出相应的安全控制技术措施。具体安全控制措施如下：
　　（1）道路设计安全控制
　　1）考虑道路长期运营安全，下穿高铁位置采用桩板结构设计方案。
　　2）高铁影响区域内（20m）不应使用高压旋喷桩进行地基处理；
　　3）挖方路基不应超挖，路基坡脚不允许侵入高铁桥墩，且净距大于3米，不满足部分建议在影响范围内调整道路路幅设计宽度；
　　4）市政管线下穿高铁桥梁影响区可采用外加保护套管的方式通过，套管与管线之间应充砂注浆填实，通信和电力电缆采用钢筋混凝土封包保护直埋通过；
　　（2）道路施工安全控制
　　1）高铁影响区域内（20m），路基及路面结构层碾压不得采用重型振动碾压设备；
　　2）施工材料及设备不应集中堆放在高速铁路影响区内；
　　3）道路施工应设置临时排水措施，排水集中区应设置在高铁安全保护区外；
　　4）施工前必须通过相关施工安全评估。在施工过程中，必须要加强监控措施，做好风险管理，做好施工组织及安全预案以使风险损失达到最小。
　　4 数值模拟分析
　　利用有限元分析软件建立高速铁路桥梁三维模型，分析在路基段施工及运营对高铁桥梁的影响。
　　4.1模拟工况及模型的建立
　　依据道路施工组织方案，计算模拟施工工况为：
　　工况1：左右幅主车道工程对称施工；工况2：左右幅主车道工程铺设；工况3：左右幅辅车道工程对称施工；工况4：左右幅辅车道工程铺设；工况5：左右幅人行道及管道开挖施工；工况6：左右幅人行道及管道铺设；工况7：道路运营阶段。
　　计算土体采用修正摩尔—库伦模型，模型宽度为高铁桥梁墩台两侧各25m，长为165m，高为70m。土层与桥墩采取实体单元，桥梁桩基采用植入式梁单元，模型共40911个单元，有限元模型如下图4-1所示。
　　
　　
　　图4-2墩顶横向水平位移、纵向水平位移、竖向位移云图
　　由上位移云图可以得出，左右幅车道工程对称施工完后，既有桥墩墩顶最大横向水平位移发生在782#墩，位移为0.585mm；最大纵向水平位移也发生在782#墩，位移为0.074mm；最大竖向沉降发生在783#墩，位移为1.383mm。
　　工况2：左右幅主车道工程铺设。道路下穿高铁桥梁施工桥桩位移云图如下图4-3所示。
　　
　　

图4-8墩顶横向水平位移、纵向水平位移、竖向位移云图
　　由上位移云图可以得出，运营期间，高速铁路桥梁墩顶横向水平位移最大为0.107mm；墩顶纵向水平位移最大为0.237mm；墩顶竖向位移最大为-0.404mm。
　　由以上工况计算可知，道路下穿既有高铁桥梁施工完成后，不同施工阶段对各桥墩影响不一，需要对各个桥墩进行沉降累计计算，并与《高速铁路设计规范》沉降量进行对比分析，复核工后既有桥梁沉降是否满足设计、施工、运营阶段的沉降量要求，并满足施工安全，防止事故发生。
　　5 结论及建议
　　（1）变形影响
　　道路施工对铁路桥累计最大附加隆起值为1.383mm（783#墩），叠加设计值后的累计沉降量最大值为-12.56mm（784#墩），满足《高速铁路设计规范》规定的工后沉降量20mm的限值要求；铁路桥累计最大横向水平变形量为-0.208mm（784#墩），叠加设计值后的累计横向水平变形量最大值为-5.260mm（784#墩），满足《高速铁路设计规范》规定的工后最大横向水平变形极限值要求；铁路桥累计最大纵向水平变形量为-1.692mm（784#墩），叠加设计值后的累计纵向水平变形量最大值为-6.770mm（784#墩），满足《高速铁路设计规范》规定的工后最大纵向水平变形极限值要求。
　　（2）承载力影响
　　经检算，桩基配筋面积均满足要求，桩基单桩承载力略有增加，最大增加13.76kN（783#墩），小于单桩容许承载力，因此铁路桥梁桩基强度满足要求，不会影响铁路后期运营安全。如下表5-1所示：
　

　　（3）为了确保道路下穿高铁桥梁的安全，必须从设计和施工方面严格执行相应的安全控制技术措施。
　　参考文献：
　　[1] 杨红春.新建道路下穿高速铁路桥梁对高铁桥墩和桩基影响的分析[J].中国市政工程,2016(02):7-9+110-111
　　[2] 刘宝龙.基于三维有限元的公路桥梁下穿高铁桥梁影响性分析[J].电子测试,2015(04):134-136
　　[3] 李刚.城市道路下穿高铁方案比选分析[J].广东建材,2014,30(06):34-38
　　[4] 张俭.新建道路下穿运营高速铁路桥梁的设计方案[J].中外公路,2014,34(02):185-188