吴远志1张国权2
1.中佑勘察设计有限公司510000
2.中交远洲交通科技集团有限公司华南设计院 510000
摘要：既有铁路对于轨道的位移等要求非常严格，道路下穿既有铁路桥孔，需要考虑施工过程及营运过程中，对于既有铁路桥影响。项目组提出路基方案和桩板桥方案进行了比选，并通过计算分析，最终选定了桩板桥方案下穿既有铁路桥孔，为推进该工程施工奠定了良好的基础。文中首先提出方案比选，以及施工期间影响的计算分析、施工方案，再结合案例分析情况，提出了新建道路下穿铁路的控制措施及应用探讨等。
关键词：下穿既有铁路；桩板桥；计算分析；施工方案；控制措施；应用探讨
引言
广州某新建道路工程，需穿越既有穗莞深城际铁路，不具备避开的可能，仅能下穿既有穗莞深铁路桥梁孔的方案，穿越穗莞深城际铁路处，铁路桥梁为25m一跨组合的多跨桥梁结构形式，新建道路为双向八车道主干路，则需穿越两孔铁路桥梁，但穗莞深城际铁路为正在运营中的铁路，根据铁路部门相关的管理规定，需进行专项方案设计和影响评价分析，通过项目组提出路基方案和桩板桥方案进行了比选，并通过计算分析，最终选定了桩板桥方案下穿既有铁路桥孔，保证施工及运营期间对既有铁路产生影响的最小。
一、某新建道路下穿既有铁路桥孔工程基本概述
根据规划路网，广州某新建道路工程需穿越既有穗莞深城际铁路，不具备避开的可能，仅能下穿既有穗莞深铁路桥梁孔的方案，穗莞深城际铁路为设计时速 180km/h的在运营城际铁路，下穿越穗莞深城际铁路处，铁路桥梁为25m一跨组合的多跨桥梁结构形式，基础为端承桩形式，新建道路标准路段为双向八车道，规划红线宽度为 50m，设计车速为 60km/h，定位为城市主干道，下穿穗莞深城际铁路左线桥梁，两幅路分别从左线桥梁1号墩~2号墩和2号墩~3号墩中间穿过，交角为 82.4°，桥墩承台位于中央绿化带及人行道上，承台边距离桩板梁边最小距离分别为3.6m、1.1m、0.2m、4.3m；下穿穗莞深城际铁路右线桥梁，两幅路分别从右线桥梁3号墩~4号墩和4号墩~5号墩中间穿过，交角为 87.7°，桥墩承台位于中央绿化带及人行道上，承台边距离桩板梁边最小距离分别为1.1m、0.9m、1.0m、1.0m，根据本工程综合考虑，下穿穗莞深城际铁路随路敷设的地下管线有：DN300 给水管（双侧布置）、3×4 根通信管道（尺寸57cm×70cm，单侧布置）、4×7根电力管道（尺寸 85cm×155cm，单侧布置）、D500污水管、D800~D1000 雨水管。
穗莞深城际铁路为正在运营中的铁路，新建道路距离铁路桥较近，根据铁路部门相关的管理规定，需进行专项设计方案和影响评价分析，通过项目组提出路基方案和桩板桥方案进行了比选，并通过计算分析，最终选定了桩板桥方案下穿既有铁路桥孔，保证施工及运营期间对既有铁路产生影响的最小。
二、道路下穿既有铁路桥孔的设计方案比选
1、地质情况概述
根据地质详勘报告，在本次勘探深度范围内，项目区范围主要由新生界第四系（Q）地层和白垩系（K）地 层组成。其中土层主要为第四系全新统（Q4），缺失中更新统和下更新统，由人工填土层（Q4ml），淤泥质土、黏性土层及砂土层（Q4al+pl）组成，下伏基岩为燕山期侵入岩（γ）。不存在泥石流、水库坍塌等不良地质条件，地下未发现采空区，未发现地面塌陷、岩溶等不良地质。
2、下穿方案比选
方案一，路基方案
靠近穗莞深城际铁路承台基坑外围采用φ80cm 隔离桩作为防护桩，桩长8m，中心距1m。隔离桩内侧开挖污水管、给水管、雨水管、电力、通信基坑，采用30cm 厚 C25 防水混凝土进行不降水封底，然后施工防护桩冠梁及桩间注浆防水；施工工序：防护桩施工→防水混凝土不降水封底→管道基坑施工→管线敷设→管线沟槽回填→上路床处理回填→路面结构底基层、基层施工→防撞护栏施工→道路面层施工。
方案二：桩板桥方案
下穿道路采用桩板桥结构，将管线位置布设在桥墩中间，尽量远离桥墩，采用直接开挖给水、雨水、电力、通信基坑，30cm 厚 C25 防水混凝土进行不降水封底，最后施工桩板结构。将D500 污水管改移位置，并行铁路施工时，在铁路侧采用直径0.8m，中心距1.0m，桩长7.0m的隔离桩对穗莞深城际铁路进行防护，隔离桩中心距污水管中心的距离为2.0m。施工顺序：管道基坑放坡开挖→采用 30cm厚C25 防水混凝土进行不降水封底（给水管、雨水管、电力管、通信范围）→开挖电力隧道基坑开挖→基坑回填→桩板结构施工→防撞护栏施工→道路基层、面层施工。
三、下穿道路施工及运营对铁路桥梁结构的影响计算分析
1、影响评估标准
根据高速铁路构筑物（桥梁）沉降评估标准，需要对竖向位移变形量、横向水平变形量、纵向水平变形量、沉降量、差异沉降量、桩基承载力等进行计算评估。
.png)
2、计算模型概述
本次计算采用大型通用有限元分析软件建立整体三维有限元模型进行计算分析，为消除计算边界效应的影响，考虑到施工过程中的空间效应，计算模型取 其有效影响范围，评估中取长 170m，宽 86m，自地表起 60m 厚土体作为计算范围。计算模型中，土体均采用摩尔库伦本构来模拟；桥梁桩基础采用 1D 梁单元 模拟、桥墩以及承台采用 3D 实体单元模拟，且均采用弹性本构模型。模型顶面取为自由边界，底面采用三向约束，其它面均采用法向约束。
3、路基方案影响分析
①综合各种因素，最终选定的计算模型图如图所示，单元共计 151029 个，节点共计 29804 个。具体工况如下。工况一：隔离桩施工并开挖道路基坑；工况二：开挖左线西侧并行的 d500 污水管和 d1200 雨水管道基坑；工况三：横穿铁路左线（3 号墩和 4 号墩间）和右线（5 号墩和 6 号墩间）的 d500污水管基坑开挖；工况四：开挖位于左线 2 号和 3 号桥墩及右线 4 号和 5 号桥墩之间的 DN200 给水管道、D12 通信管道、d300 雨水管道基坑；工况五：开挖位于左线 1 号和 2 号桥墩及右线 3 号和 4 号桥墩之间的 DN200 给水管道、DL10kV L28 电力管道、d300 雨水管道基坑；工况六：管道敷设施工、基坑回填至路面结构底部标高；工况七：路面结构施工，同时施加路面及运营荷载。
.png)
截选第二工况城际铁路左线桥梁纵向变形云图（所有工况最大变形）
②计算结果分析
据本工程设计方案相关内容，经过有限元模拟分析，得出本阶段主要评估结论如下：道路下穿穗莞深城际铁路施工和运营过程中会对铁路桥梁基础产生一定的附加影响，各个工况下对桥梁的变形影响模拟结果如下表：
穗莞深城际铁路左线铁路桥梁累计阶段附加变形绝对值（单位：mm）
.png)
综上所述，本新建道路以路基方式下穿穗莞深城际工程的设计和施工方案均可行，但工况二，对穗莞深城际铁路横向变形较大，接近临界值，考虑到各类不可控风险的客观存在，建议增加方案比选，确保铁路的安全、平稳运营。
4、桩板桥方案影响分析
①、综合各种因素，最终选定的计算模型图如图所示，单元共计 159496 个，节点共计 31944 个。具体工况如下。工况一：桩板结构桩基施工，并 将道路基坑开挖至设计标高；工况二：施工城际铁路线两侧并行段 d500 污水管 基坑防护桩，并将污水管基坑开挖至设计标高；工况三：开挖左线 2、3 号桥墩 及右线 4、5 号桥墩间的给水、雨水和通信管道基坑；工况四：开挖左线 1、2 号桥墩及右线 3、4 号桥墩间的给水、雨水和电力管道基坑。工况五：管道敷设 施工及基坑回填；工况六：路面结构施工及运营。
.png)
截选第二工况城际铁路右线桥梁纵向变形云图（所有工况最大变形）
②计算结果分析
据本工程设计方案相关内容，经过有限元模拟分析，得出本阶段主要评估结论如下：道路下穿穗莞深城际铁路施工和运营过程中会对铁路桥梁基础产生一定的附加影响，各个工况下对桥梁的变形影响模拟结果如下表：
穗莞深城际铁路左线铁路桥梁累计阶段附加变形绝对值（单位：mm）
.png)
通过上表可知，本新建道路以桩板桥方式下穿穗莞深城际工程的设计和施工方案均可行，满足相关法律法规及国家或行业、规范及准则，对穗莞深城际的影响在有关规范限值之内。考虑到各类不可控风险的客观存在，建议在后续建设施工中应制订相关专项应急预案和现场处置方案，保障项目的安全进行，确保铁路的安全、平稳运营。
四、施工方案及施工组织
1、施工方案
施工顺序：管道基坑放坡开挖→采用 30cm厚C25 防水混凝土进行不降水封底（给水管、雨水管、电力管、通信范围）→开挖电力隧道基坑开挖→基坑回填→桩板结构施工→防撞护栏施工→道路基层、面层施工。
①、桩基础采用旋挖成孔灌注桩。桥墩采用钢模搭支架分段施工。铁路影响区范围内桥梁桩基严禁使用冲击钻成孔，避免或减少对铁路安全的不利影响。
②、现浇箱梁采用梁式支架法整体连续浇注，一次落架的施工方法。
2、施工组织
项目周边为密集的商铺及居民区。项目在实施过程中，施工组织遵循以下原则：
①、保持现状交通的原则
确保现有道路在改造期间仍能维持与现状相当的交通运行条件，始终维持好现有交通，保证车辆畅通，不随意封路，不随意占用行车道。
②、自然分流与管制分流相结合的原则
通过广告宣传和交通管制，做到科学合理的分流车辆，施工路段前后有关交叉路，要设置明显的交通指示牌，引导车辆行驶??调节各线路交通量，施工路段禁止随意停车，以保证车辆顺畅行驶。
③、交通大于施工的原则
工程开工前，积极主动与各施工单位联系,相互支持,积极配合,制定切实可行的总体交通组织方案,通过有关门批准后，先试行一段时间，经检验切实可行后再正式实施，以确保交通安全顺畅。
五、控制措施
1、在下穿建设范围内，须在施工期间为铁路设施进行保护及监测。根据原铁道部及广铁集团《广铁集团铁路营业线施工安全管理实施细则》广铁运发【2018】105号精神，遵循以下原则：
(1)、在正式施工前，要对铁路通信、铁通光缆等既有管线敷设的径路进行补充定测，并与设备管理单位共同调查确认地下管线位置，如设备管理单位无法提出其准确位置，应采取仪器探测，人工探测等方法进行调查，在确保其径路及铁路既有设施安全的前提下，进行桥梁施工。
(2)、对所有外露的铁路通信、铁通光缆等既有管线在施工及过渡期间派人巡视看守，并进行必要的防护，严格按有关规范、规定和细则等要求施工，以确保铁路运营及施工安全。
(3)、对桥梁施工可能引起的铁路地界内各类接触网、贯通线、自闭线、通讯线的电杆进行迁改、保护，对基础进行加深加大处理，必要时采用过渡方案。在施工及过渡期间对沉降、倾斜等位移进行24小时连续观测，研究制定可能发生的风险源以及应急预案。
2、行车安全条件：在施工期间，施工防护员、驻站联络员24小时值班，各相关铁路设备管理部门根据安全协议进行24小时值班。桥梁施工需对铁路桥梁进行监测，一旦发现桥墩、承台位移及沉降超过规定值，立即停止施工，启动应急预案。
3、施工安全方案：在施工前，对暗埋的铁路通信、铁通光缆等既有管线探明后，对施工可能造成影响的管线小心挖出，用硅塑管、彩条包封后加扣电缆槽进行临时防护，在施工及过渡期间派人24小时看守，施工完毕后，放入预制电缆槽内并用水泥封堵。对施工可能造成影响的各类铁塔、支柱及接触网杆的基础进行加深加大处理，必要时采用过渡方案。
4、应急预案
在工程实施前，应考虑事故发生的可能性，并预计事故发生的种类和时机，除在施工中努力杜绝事故发生外，尚应在制度、人员、组织、物资、设备等方面作好突发事故的准备。具体包括：
①依据工程情况和工程环境，编制严密的《工程应急预案》。
②建立困难条件下领导组织、物资、运输、技术条件的总体协调保证措施，成立施工抢险小组，明确项目负责人。
③建立地下工程监测信息反馈系统。
④明确抢险物资的来源、运输、储备、种类及使用过程。
⑤应储备用于基坑等结构加强支撑的材料、堵漏材料。
⑥应储备用于加固的钢材、水泥、沙、编织袋等。
⑦基坑外地面下陷、建筑物严重倾斜、管线断裂时，应立即停止基坑开挖，支撑加固建筑物、构筑物，并采用有效措施补充地层损失。
⑧相邻铁路路基、铁路挡墙变形严重时，应立即停止施工，采用边墙外堆沙袋，控制路基和挡墙变形，防止路基失稳，线下补充道碴，保证轨道线型。
5、施工监测
现场监控量测是施工的监控手段，应贯穿整个施工过程中，以便随时反馈施工过程中的力学动态及地层变化情况，及时调整顶进参数，合理安排施工工期。
现场监控量测内容主要包括地表下沉、附近构筑物的沉降、位移、变形、土层压力、钢筋应力等。所有监测项目必须在尽早的时间测得稳定的初始值。
在实际施工中，应根据实际情况，会同铁路有关管养部门对警戒值、注意值进行分析、使用、修正（放宽或从严）。
六、应用探讨
根据建设条件，拟建道路下穿高铁主要有桥梁结构（桩板桥）、支护+路基以及路基+半U 形槽复合结构三种方案，通过本案例的计算分析，并结合《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》（TB 10182-2017），可得出，当道路行车道边线距离铁路桥墩较近时，在下穿铁路位置，桥梁方案（桩板桥）对高铁影响程度较小、施工工序较为简单、在运营期影响程度最小，因此，采用桥梁结构（桩板桥）方式下穿铁路桥孔可作为同类建设条件下的首选方案。
七、结语
目前，本工程已经铁路部门批复，进入了实施阶段，本文根据本工程的特点，对工程方案分析比选，实施方案及控制措施等方面进行了阐述，同类建设条件下，新建道路下穿铁路桥孔采用桩板桥方案具有可操作性，可实施性，可为同类工程提供设计经验。
[1]原铁道部及广铁集团《广铁集团铁路营业线施工安全管理实施细则》广铁运发【2018】105号。
[2]《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》（TB 10182-2017）。
[3]湛敏、陶涛、刘金国. 新建公路下穿高速铁路建设方案对比研究[J]. 铁道标准设计, 2020。
[4]林春阳. 浅析道路下穿既有铁路工程施工关键技术[J]. 建材与装饰, 2018.
[5]刘刚. 高速公路下穿既有运营铁路施工关键技术及安全控制研究[J]. 建筑工程技术与设计, 2016。
[6]来巨峰. 道路下穿既有铁路工程设计中的关键技术研究. 石家庄铁道大学.
[7]徐珂. 高速公路下穿既有运营铁路施工关键技术及安全控制研究[D]. 西安建筑科技大学, 2013.
[8]沈兴付. 城市道路下穿既有运营铁路施工关键技术及安全控制研究[J]. 低碳世界, 2016。
[9]滕居根, 刘义丰. 高速公路下穿既有运营铁路施工关键技术及安全控制[J]. 交通世界, 2017(8).
[10]陆莎莎. 高速公路下穿既有铁路工程安全风险评估及控制研究[D]. 西安建筑科技大学, 2013.