某城市道路下穿既有鐵路橋梁施工安全影響分析

萬 巧 吳 彪 王 杰

(1.中南勘察設(shè)計(jì)院(湖北)有限責(zé)任公司 武漢 430074; 2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430063)

隨著鐵路網(wǎng)和公路網(wǎng)的不斷延伸，公路與鐵路交叉工程日趨增多。作為國家運(yùn)輸?shù)拇髣?dòng)脈，為保證鐵路運(yùn)營的安全性和旅客的乘車舒適度，城市道路工程與其交叉時(shí)，必須采取穩(wěn)妥可靠的交叉方式、結(jié)構(gòu)形式及施工方法[1-2]。由于現(xiàn)階段并沒有相關(guān)的規(guī)范定量地指出在城市道路施工期間，因臨近既有鐵路施工而影響鐵路力學(xué)性能的相關(guān)指標(biāo)，因此在相關(guān)城市道路工程實(shí)施時(shí)，難以準(zhǔn)確地體現(xiàn)道路施工及運(yùn)營是否對(duì)鐵路正常運(yùn)營帶來安全隱患。因此在進(jìn)行與鐵路交叉的道路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)全面調(diào)查鐵路現(xiàn)狀，充分考慮道路的施工條件、機(jī)具配置及工程規(guī)劃；同時(shí)，由于鐵路對(duì)沉降位移較為敏感，因此還應(yīng)對(duì)道路施工、運(yùn)營期間對(duì)既有鐵路的影響進(jìn)行安全性分析檢算[3-4]。

下面以某城市道路下穿既有鐵路橋梁為例，對(duì)其安全性影響進(jìn)行分析，以期對(duì)類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概述

某城市道路以框架涵的形式從既有懷邵衡鐵路某橋梁4號(hào)墩和5號(hào)墩之間下穿，交叉處道路里程為K0+533.23，鐵路里程為DK193+482.318，二者斜交角為74°；同時(shí)也從既有婁邵鐵路某橋梁4號(hào)墩和5號(hào)墩之間下穿，交叉處道路里程為K0+551.12，鐵路里程為K086+624.673，二者斜交角為72.3°，具體位置關(guān)系見圖1。

圖1 道路與鐵路平面交叉關(guān)系圖(單位：里程，m；尺寸，cm)

1.2 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)規(guī)劃及總體設(shè)計(jì)資料，該城市道路采用框架涵方案下穿鐵路橋梁，道路與懷邵衡鐵路橋梁相交處立面關(guān)系見圖2。

圖2 道路與懷邵衡鐵路立面位置關(guān)系圖(單位：高程、里程，m；尺寸，cm)

框架涵長度60 m，涵內(nèi)凈空為12.0 m×6.0 m，框架涵采用現(xiàn)澆法施工，施工前采用支護(hù)樁保護(hù)既有鐵路橋梁基礎(chǔ)。城市框架涵防護(hù)樁與鐵路樁基最小中心距3.28 m，框架涵施工基坑深7.67 m。框架涵基坑距離懷邵衡鐵路橋梁4號(hào)墩承臺(tái)底的高差較大，因此需要針對(duì)工程施工造成的影響進(jìn)行定量分析計(jì)算。

城市道路與婁邵鐵路橋梁相交處立面關(guān)系見圖3。框架涵防護(hù)樁與鐵路樁基最小中心距1.96 m，框架涵施工基坑深6.32 m?？蚣芎泳嚯x4號(hào)墩較近，且基坑開挖較深，基坑施工過程中可能導(dǎo)致4號(hào)墩樁基周圍土體有較大變形，因此需要針對(duì)工程施工造成的影響進(jìn)行定量分析計(jì)算。

圖3 道路與婁邵鐵路立面位置關(guān)系圖(單位：高程、里程，m；尺寸：cm)

1.3 地質(zhì)情況介紹

交叉范圍內(nèi)主要地層分布如下。

1) 第四系沖積洪積相沉積層(Q4al+pl)。(2)5-3粉質(zhì)黏土：黃褐色、褐黃色，可塑，土質(zhì)較均勻，層厚1.4～13.5 m，σ0=150 kPa。

2) 下伏基巖。(16)1-3灰?guī)r?；野咨?、青灰色、灰黑色，弱風(fēng)化，巖芯較完整，σ0=800 kPa。

2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

既有懷邵衡鐵路與婁邵鐵路運(yùn)營車速為200 km/h，高速行車時(shí)要求軌道具有高平順性，其橋梁對(duì)結(jié)構(gòu)受力及沉降、變形的要求較高[5]。道路框架涵實(shí)施過程中，主要對(duì)鐵路橋梁順橋向及豎向變形產(chǎn)生影響，本文參考國內(nèi)類似工程經(jīng)驗(yàn)[6-7]，結(jié)合相關(guān)工程規(guī)范，制定如下變形控制指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 鐵路構(gòu)筑物(橋梁)沉降要求

根據(jù)TB 10621-2014 《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》7.3.10條文規(guī)定：墩臺(tái)基礎(chǔ)的沉降應(yīng)按恒載計(jì)算，其工后沉降量不應(yīng)超過表1(規(guī)范表7.3.10)限值[8]。本工程涉及懷邵衡、婁邵鐵路為有砟軌道，因此控制的墩臺(tái)均勻沉降為30 mm，相鄰墩臺(tái)的沉降差為15 mm。

表1 靜定結(jié)構(gòu)墩臺(tái)基礎(chǔ)工后沉降限值

注：超靜定結(jié)構(gòu)相鄰墩臺(tái)沉降量之差除應(yīng)滿足上述規(guī)定外，尚應(yīng)根據(jù)沉降差對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力的影響確定。

2.2 軌道平順性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)鐵運(yùn)[2013]29號(hào)《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》要求的線路軌道靜態(tài)和動(dòng)態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值作為控制標(biāo)準(zhǔn)[9]，見表2。

表2 200～250 km/h線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值

注：豎向和軌向偏差為10 m及以下弦測量的最大矢度值；扭曲偏差不含曲線超高順坡造成的扭曲量。

本項(xiàng)目懷邵衡、婁邵正線為有砟軌道高速鐵路，設(shè)計(jì)車速為200 km/h，在“經(jīng)常保養(yǎng)”狀態(tài)下，線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值，軌道豎直方向(10 m弦測量的最大矢度值)為5 mm，軌向偏差為4 mm；在保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)I級(jí)狀況下的軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量容許偏差管理值，軌道高低為5 mm，軌向偏差為5 mm。

3 道路施工安全影響分析

根據(jù)前文所述，城市道路框架涵施工過程中主要對(duì)婁邵和懷邵衡鐵路4號(hào)和5號(hào)橋墩基礎(chǔ)影響較大，為保證鐵路橋梁的安全，需要在交叉范圍內(nèi)針對(duì)婁邵和懷邵衡鐵路4號(hào)和5號(hào)橋墩的基礎(chǔ)進(jìn)行定量分析。

3.1 計(jì)算模型說明

本文采用midas GTS NX有限元程序針對(duì)城市道路工程下穿婁邵和懷邵衡鐵路橋梁進(jìn)行了模擬計(jì)算，分別分析了基坑開挖、道路施工及運(yùn)營對(duì)婁邵和懷邵衡正線4號(hào)、5號(hào)橋墩的影響。由于工程主要關(guān)注道路施工對(duì)鐵路橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響，為減小模型復(fù)雜程度，只建立鐵路橋梁下部結(jié)構(gòu)模型，橋梁梁體及上部荷載的作用通過在橋墩墩頂施加荷載來代替。

建立的三維有限元計(jì)算模型中包括土層、鐵路橋梁基礎(chǔ)、道路開挖防護(hù)樁及橫撐等組成部分，幾何模型如圖4所示。模型中橋梁承臺(tái)和橋墩采用線彈性的鋼筋混凝土實(shí)體單元模擬，鐵路樁基與防護(hù)體系橫撐采用梁單元模擬，防護(hù)排樁等效為板單元模擬。土層的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系均采用修正Mohr-Coulomb彈塑性模型；混凝土、鋼材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系均采用理想線彈性模型。模型底部施加固定約束，在兩側(cè)施加豎直滑動(dòng)約束，模型表面則取為自由邊界[10]。

圖4 計(jì)算幾何模型

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

道路框架涵施工過程中，主要對(duì)鐵路橋梁的基礎(chǔ)沉降及軌道平順性產(chǎn)生影響，因此，本文主要針對(duì)道路施工對(duì)鐵路橋梁順橋向、橫橋向和豎向產(chǎn)生的位移計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

按照實(shí)際施工步驟，計(jì)算分4步進(jìn)行：①施加重力及高鐵橋梁墩頂力，地應(yīng)力平衡；②基坑支護(hù)體系施工[11-12]；③基坑開挖；④框架涵、基坑回填并施加運(yùn)營荷載。

各階段累計(jì)附加順橋向、橫橋向和豎向位移見圖5。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果并結(jié)合評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)分析如下。

1) 橋梁基礎(chǔ)沉降?！陡咚勹F路設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：對(duì)于有砟軌道，控制的墩臺(tái)均勻沉降為30 mm，相鄰墩臺(tái)的沉降差為15 mm。

計(jì)算結(jié)果顯示，懷邵衡鐵路橋梁累計(jì)附加最大豎向位移為-0.06 mm(沉降)，婁邵鐵路橋梁累計(jì)附加豎向位移最大0.19 mm(隆起)，均不超過規(guī)定墩臺(tái)均勻沉降控制值的0.6%；懷邵衡鐵路4號(hào)與5號(hào)橋墩累計(jì)附加最大豎向位移差為0.02 mm，婁邵鐵路4號(hào)與5號(hào)橋墩累計(jì)附加最大豎向位移差為0.12 mm，均不超過規(guī)定相鄰墩臺(tái)沉降差控制值的0.8%?？梢姳痉桨笇?duì)鐵路橋梁沉降影響較小。

圖5 位移變化圖

2) 軌道平順性。根據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》[13]條文說明3.0.3，橋墩位移值與軌道高低、軌向的關(guān)系曲線見圖6。本設(shè)計(jì)方案引起既有鐵路橋墩產(chǎn)生豎向位移最大為0.19 mm，橫橋向位移最大為0.27 mm，反映至軌道上高低不平順性為0.03 mm，軌向不平順性為0.04 mm。

①高低偏差。在“經(jīng)常保養(yǎng)”狀態(tài)下，線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許高低偏差管理值為5 mm；在保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)I級(jí)狀況下的軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量容許高低偏差為5 mm。

計(jì)算結(jié)果顯示，鐵路橋梁各階段累計(jì)附加軌道高低偏差最大為0.03 mm，占靜態(tài)高低偏差控制值的0.6%，可見道路施工對(duì)鐵路線路軌道高低偏差不平順性影響較小。

圖6 鐵路橋墩位移與軌道平順性指標(biāo)關(guān)系曲線

②軌向偏差。在“經(jīng)常保養(yǎng)”狀態(tài)下，線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值中，軌向偏差為4 mm；在保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)I級(jí)狀況下的軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量容許軌向偏差管理值為5 mm。

計(jì)算結(jié)果顯示，鐵路橋梁各階段累計(jì)附加軌向偏差最大為0.04 mm，占靜態(tài)軌向偏控制值的0.8%，可見道路施工對(duì)鐵路線路軌道軌向偏差不平順性影響較小。

需要指出的是，由于有限元計(jì)算與實(shí)際施工情況不可能完全一致，且實(shí)際施工中材料的力學(xué)參數(shù)也存在一定的離散性，因此，計(jì)算結(jié)果僅起定性的參考作用，在實(shí)際施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鐵路橋墩基礎(chǔ)沉降和位移的監(jiān)測。

4 結(jié)論與建議

1) 定量計(jì)算分析表明，道路框架涵各施工階段累計(jì)附加沉降最大值為0.19 mm，僅為規(guī)范規(guī)定的墩臺(tái)均勻沉降控制值的0.6%；道路框架涵各施工階段累計(jì)附加沉降差最大值0.12 mm，僅為規(guī)范規(guī)定的相鄰墩臺(tái)沉降差控制值的0.8%。道路施工對(duì)鐵路橋梁沉降影響較小。

2) 道路框架涵各施工階段鐵路軌道累計(jì)附加軌道高低偏差最大為0.03 mm，占靜態(tài)高低偏差控制值的0.6%，道路框架涵施工對(duì)鐵路軌道高低偏差不平順性影響較小。

3) 道路框架涵各施工階段鐵路軌道累計(jì)附加軌向偏差最大0.04 mm，占靜態(tài)高低偏差控制值的0.8%，道路框架涵施工對(duì)鐵路軌道軌向偏差不平順性影響較小。

4) 建議在道路施工前對(duì)鐵路橋墩編制沉降和位移監(jiān)測方案，在施工時(shí)加強(qiáng)對(duì)鐵路橋梁基礎(chǔ)及墩身的變形監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果應(yīng)及時(shí)反饋至有關(guān)單位，一旦監(jiān)測結(jié)果超過監(jiān)測方案中規(guī)定的變形控制值，應(yīng)立即停止施工，并對(duì)列車進(jìn)行限速處理，待軌道平順性恢復(fù)后方可恢復(fù)正常運(yùn)營。