城市道路下穿高鐵高架橋的分析與研究

張志勇

中鐵四院集團(tuán)廣州設(shè)計(jì)院有限公司

1 引言

近些年來(lái)，我國(guó)的高速鐵路得到了飛速的發(fā)展，城市之間鐵路客運(yùn)越來(lái)越便捷，高速鐵路網(wǎng)覆蓋范圍越來(lái)越大。地方新建或改擴(kuò)建城市道路與既有高速鐵路交叉時(shí)，為保證高速鐵路結(jié)構(gòu)安全和高速鐵路的正常運(yùn)營(yíng)，總體規(guī)劃道路的平、縱線位與既有高速鐵路之間應(yīng)采取可靠的交叉方案，由于高速鐵路對(duì)位移非常敏感，微小的位移變化都會(huì)影響到結(jié)構(gòu)安全和軌面的平順性與穩(wěn)定性[1]，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)引起不可估量的安全事故。

2 工程案例

廣東順德清遠(yuǎn)英德經(jīng)濟(jì)合作區(qū)徳民路擴(kuò)建工程，對(duì)既有的旅游大道進(jìn)行擴(kuò)建改造。擴(kuò)建的徳民路按城市主干路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，設(shè)計(jì)速度60km/h，標(biāo)準(zhǔn)段道路紅線寬度55，雙向8車(chē)道，道路中線與鐵路夾角為62°。原旅游大道在既有京廣高鐵馬鞍山特大橋的108#和109#橋墩之間下穿，擴(kuò)建后的德民路以分離式路基在大橋的108#～110#兩孔橋墩之間下穿，下穿鐵路高架橋孔跨度為標(biāo)準(zhǔn)32m簡(jiǎn)支箱梁。下穿高鐵區(qū)域，地形較平坦，地表為雜填土，土層厚度約1m，雜填土下為殘積粉質(zhì)粘土層，土層厚度約16m。鐵路橋墩為矩形實(shí)體墩，墩高9m，斷面尺寸為6.8m×3.0m，橋墩承臺(tái)覆土厚度約2m，承臺(tái)尺寸為9.4m×5.8m×2.0m，樁基采用1.25m鉆孔樁。

3 結(jié)構(gòu)安全分析

3.1 荷載工況分析

本工程案例中，新建道路下穿既有高鐵高架橋時(shí)，高鐵橋梁結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)主要考慮的附加荷載為汽車(chē)荷載與路基填挖方。計(jì)算時(shí)考慮將汽車(chē)荷載換算成均布土層厚度，在根據(jù)庫(kù)倫土壓力理論，計(jì)算出附加荷載工況作用于高鐵承臺(tái)的主動(dòng)土壓力，然后將主動(dòng)土壓力換算成作用于鐵路的墩身外荷載。汽車(chē)荷載的換算以及主動(dòng)土壓力的詳細(xì)計(jì)算參考相關(guān)規(guī)范[2][4]。

3.2 建模計(jì)算

3.2.1 不同荷載工況下高鐵橋墩的內(nèi)力響應(yīng)

本文采用鐵路橋梁設(shè)計(jì)軟件《鐵路橋梁工程師3.0》進(jìn)行涉鐵段全橋模擬，研究不同的荷載工況對(duì)高鐵高架橋的影響，本文只提取108#和109#橋墩墩頂順橋向與橫橋向位移以及沉降值進(jìn)行對(duì)比分析，墩頂位移和沉降值以全橋模型的數(shù)據(jù)作為參考依據(jù)，其中墩頂位移包含了基礎(chǔ)產(chǎn)生的位移，表中數(shù)據(jù)前的正、負(fù)號(hào)只代表方向。

表1 3種荷載工況下108#橋墩墩頂位移及沉降值對(duì)比

表2 3種荷載工況下109#橋墩墩頂位移及沉降值對(duì)比

表3 換算土層厚度變化時(shí)108#橋墩墩頂順橋向位移及沉降對(duì)比

小結(jié)：

（1）下穿道路擴(kuò)建前的數(shù)據(jù)與建模驗(yàn)算的數(shù)據(jù)對(duì)比可知，原道路兩側(cè)的108#和109#橋墩，由于附加荷載的作用使墩頂順橋向位移和沉降值變大。

（2）下穿道路擴(kuò)建前與擴(kuò)建后的數(shù)據(jù)對(duì)比以及在計(jì)算主動(dòng)土壓力的過(guò)程中可知，原道路兩側(cè)橋墩在汽車(chē)荷載不變的情況下，對(duì)于108#橋墩，擴(kuò)建后道路填方厚度增加0.4m，計(jì)算結(jié)果顯示擴(kuò)建后墩頂順橋向位移和沉降值變大；對(duì)于109#橋墩，擴(kuò)建后道路挖方厚度增加0.1m，計(jì)算結(jié)果顯示擴(kuò)建后墩頂順橋向位移和沉降值略微變小。

（3）上述2個(gè)表格的計(jì)算數(shù)據(jù)可知，由庫(kù)倫土壓力理論簡(jiǎn)化計(jì)算的附加荷載主要作用于橋墩的順橋向和豎向，因此計(jì)算結(jié)果均顯示各個(gè)橋墩橫橋向位移基本保持不變；與此同時(shí)，在本工程實(shí)際案例中，雖然由于附加荷載的作用，導(dǎo)致了橋墩順橋向位移和沉降的變化，但是變化量很小，且最終的計(jì)算結(jié)果均小于設(shè)計(jì)允許值，所以本實(shí)際工程中，既有道路的擴(kuò)建設(shè)計(jì)在理論上不會(huì)影響京廣高鐵的正常運(yùn)行。

3.2.2 換算土層高度變化時(shí)高鐵橋墩的內(nèi)力響應(yīng)

本節(jié)以下穿道路擴(kuò)建后的全橋模型為基礎(chǔ)，以108#橋墩為研究對(duì)象，在其他荷載條件不變的情況下，僅考慮橋墩一側(cè)換算土層厚度變化時(shí)，橋墩墩頂順橋向位移及沉降對(duì)比。換算土層厚度以0.5m為倍數(shù)從0m～3m進(jìn)行變化，將計(jì)算出的主動(dòng)土壓力換算成橋墩墩身外荷載進(jìn)行加載（見(jiàn)表3）。

小結(jié)：

表3數(shù)據(jù)顯示，隨著換算土層厚度的增加，橋墩墩頂順橋向位移顯著增大，兩者之間的變化趨勢(shì)幾乎呈線性關(guān)系。這種趨勢(shì)顯示當(dāng)換算土層厚度增加到4m左右時(shí)，墩頂順橋向位移就會(huì)超過(guò)允許值，從而影響高鐵的正常運(yùn)行。實(shí)際施工過(guò)程中，應(yīng)避免不合理的施工工藝和措施，嚴(yán)禁在鐵路橋墩側(cè)堆載。

4 結(jié)論及建議

4.1 設(shè)計(jì)方案

（1）對(duì)于道路下穿既有高鐵高架橋的項(xiàng)目，涉鐵段的設(shè)計(jì)和施工均應(yīng)由具備相關(guān)鐵路資質(zhì)的單位進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工，且設(shè)計(jì)方案和施工方案均需報(bào)相關(guān)鐵路管理部門(mén)進(jìn)行評(píng)審。

（2）項(xiàng)目可研階段，設(shè)計(jì)單位應(yīng)合理規(guī)劃好道路線性，確定最優(yōu)下穿方案。平面上，盡量使道路線路正交下穿鐵路，條件受限制時(shí)，道路與鐵路的斜交角度不宜超過(guò)60°；縱斷面上，盡量保證下穿范圍道路路基淺挖淺埋，道路限界不滿足的情況下還需要在高鐵橋下道路兩側(cè)設(shè)置限高防護(hù)架；橫斷面上，可以考慮分幅布置，分別從不同的孔跨下穿，路基下穿時(shí)，下穿范圍可以考慮采用SS級(jí)防撞墻與混凝土底板組成的U型槽結(jié)構(gòu)形式[5][10]。

4.2 施工措施

（1）對(duì)于道路下穿既有高鐵高架橋的項(xiàng)目，應(yīng)采取技術(shù)可靠、工藝成熟對(duì)現(xiàn)狀地基土擾動(dòng)較小的施工工藝。基坑開(kāi)挖應(yīng)分層、對(duì)稱(chēng)實(shí)施，堆土應(yīng)棄置于鐵路影響范圍以外，嚴(yán)禁在鐵路安全保護(hù)區(qū)抽地下水。

（2）道路路基下穿高鐵橋時(shí)可考慮用整體式混凝土路面代替路基基層，嚴(yán)禁使用大型施工機(jī)械對(duì)鐵路橋下路基進(jìn)行碾壓或夯實(shí)。

（3）施工過(guò)程中可以考慮水木馬對(duì)高鐵橋墩進(jìn)行防護(hù)，并對(duì)軌道，橋墩以及施工基坑進(jìn)行全過(guò)程的全自動(dòng)監(jiān)測(cè)。對(duì)于存在危險(xiǎn)源或者影響高鐵安全運(yùn)行的重要工程節(jié)點(diǎn)，應(yīng)進(jìn)行安全評(píng)估并制定應(yīng)急預(yù)案。