成科霈

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

引言

隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施的不斷建設(shè)，公路和高速鐵路的交叉工程日益增多[1]。目前鐵路運(yùn)輸作為國(guó)家運(yùn)輸?shù)拇髣?dòng)脈，為保證鐵路運(yùn)營(yíng)的安全性和旅客的舒適性，公路工程下穿鐵路時(shí)，必須采取安全可靠的交叉方式、結(jié)構(gòu)形式以及施工方法。在公路施工過(guò)程中產(chǎn)生的土體開(kāi)挖與回填會(huì)對(duì)周邊的鐵路橋梁產(chǎn)生擾動(dòng)，使之產(chǎn)生不均勻沉降或水平變形等，危害鐵路運(yùn)營(yíng)安全。因此，在進(jìn)行涉鐵段的公路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)全面調(diào)查鐵路現(xiàn)狀，充分考慮公路建設(shè)的施工條件，對(duì)下穿設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合規(guī)性審查以及施工工況安全評(píng)估，保證鐵路的變形沉降值滿(mǎn)足規(guī)范要求[2]。

1 工程概況

1.1 公路設(shè)計(jì)概況

沿江公路現(xiàn)狀老路為二級(jí)公路，雙向兩車(chē)道，設(shè)計(jì)速度60 km/h?，F(xiàn)考慮在兩側(cè)新建側(cè)分帶，擴(kuò)建人行道與非機(jī)動(dòng)車(chē)道（簡(jiǎn)稱(chēng)人非道路），人非道路采用路基方案下穿通蘇嘉甬鐵路長(zhǎng)江大橋南引橋13～14 號(hào)橋墩。一側(cè)人非道路路基寬7.5 m，施工范圍為左側(cè)長(zhǎng)度73 m，右側(cè)長(zhǎng)度101 m。道路兩側(cè)設(shè)置了SS 級(jí)防撞護(hù)欄。

1.2 路基設(shè)計(jì)概況

改造僅在現(xiàn)狀道路外側(cè)擴(kuò)建人非道路，因此，其縱斷面設(shè)計(jì)擬合老路?？v斷面為直坡，坡度為-0.074 %。沿江公路橫斷面布置為0.5 m 土路肩+5.0 m 人非混行車(chē)道+2.0 m 側(cè)分帶+0.25 m 路緣帶+7.0 m 行車(chē)道+0.5 m 雙黃線(xiàn)+7.0 m 行車(chē)道+0.25 m路緣帶+2.0 m 側(cè)分帶+5.0 m 人非混行車(chē)道+0.5 m 土路肩=30.0 m。路面布置為雙向兩車(chē)道。地基處理：拓寬路段地表挖除耕植土30 cm，進(jìn)行原地面碾壓，然后分層填筑80 cm 石灰土（6 %）至路面結(jié)構(gòu)地面，壓實(shí)度≮92 %。人非車(chē)道采用瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)，面層為4 cm 細(xì)粒式改性瀝青混合料（Sup-13）+6 cm 中粒式改性瀝青混合料（Sup-20），基層為20 cm 水泥穩(wěn)定碎石，底基層為20 cm 低劑量水泥穩(wěn)定碎石或廠(chǎng)拌冷再生水穩(wěn)碎石，總厚度為50 cm。見(jiàn)圖2。

圖1 公路設(shè)計(jì)平面/m

圖2 橫斷面

1.3 通蘇嘉甬鐵路概況

通蘇嘉甬鐵路為雙線(xiàn)高速鐵路，設(shè)計(jì)速度為250 km/h，采用有砟軌道，擴(kuò)建人非道于通蘇嘉甬鐵路長(zhǎng)江大橋南引橋第13 孔梁下穿越，該處為（60+100+60）m 連續(xù)梁的中孔，橋墩采用圓端形墩及矩形承臺(tái)，橋墩基礎(chǔ)均采用15 根鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑2.0 m。目前鐵路下部結(jié)構(gòu)與主梁已施工完成，但還未鋪軌。

1.4 公路與鐵路相對(duì)位置關(guān)系

沿江公路與通蘇嘉甬鐵路長(zhǎng)江大橋南引橋斜交，交叉角度為52.0°。擴(kuò)建人非道路邊線(xiàn)距通蘇嘉甬鐵路13 號(hào)橋墩最小間距為8.86 m，距離相應(yīng)承臺(tái)3.8 m；距通蘇嘉甬鐵路14 號(hào)橋墩最小間距為20.41 m，距離相應(yīng)承臺(tái)14.46 m，道路凈空為46.521 m。沿江公路與通蘇嘉甬鐵路長(zhǎng)江大橋南引橋的相對(duì)位置關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 擴(kuò)建道路與通蘇嘉甬鐵路相對(duì)位置關(guān)系/cm

2 控制標(biāo)準(zhǔn)

2.1 墩頂位移限值

參照《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB 10182—2017）第3.0.3 條，受下穿工程影響的高速鐵路橋梁墩臺(tái)墩頂位移限值應(yīng)符合表1 規(guī)定[3]。公路下穿處通蘇嘉甬鐵路為有砟軌道，施工引起的墩頂位移控制值為±3 mm。

表1 墩頂位移限值/mm

3 數(shù)值模擬

3.1 有限元模型建立

運(yùn)用Midas GTS/NX 軟件，建立三維空間模型，土體、橋墩、路基結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元模擬，高鐵樁基采用樁單元模擬。為了消除邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，模型邊界均距主體工程＞30 m，有限元模型的幾何尺寸是270 m×125 m×140 m（順鐵路方向×橫向×高度），見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 三維模型

圖5 公路與高鐵橋模型

模型采用位移邊界條件，即側(cè)面約束水平位移，底部約束豎向位移。土體采用修正-摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則模擬，土體的計(jì)算參數(shù)參考地質(zhì)勘察報(bào)告和相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)[4]，見(jiàn)表2。

表2 土層參數(shù)

3.2 施工階段模擬

按照實(shí)際的施工步驟進(jìn)行模擬，新建工程采用放坡開(kāi)挖，然后現(xiàn)場(chǎng)澆筑，最后回填的施工方式，共分為6 個(gè)施工階段，見(jiàn)表3。

表3 施工階段

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 施工對(duì)通蘇嘉甬鐵路墩頂位移的影響

路基開(kāi)挖與填筑過(guò)程相當(dāng)于對(duì)通蘇嘉甬鐵路附近的地基基礎(chǔ)進(jìn)行卸載與加載，其產(chǎn)生的應(yīng)力釋放與附加壓力通過(guò)應(yīng)力擴(kuò)散作用導(dǎo)致周?chē)欢ㄓ绊憛^(qū)域的土體應(yīng)力與位移發(fā)生改變，進(jìn)而影響通蘇嘉甬鐵路橋梁結(jié)構(gòu)[5]。通過(guò)數(shù)值模擬，得到了通蘇嘉甬鐵路長(zhǎng)江大橋南引橋12～15 號(hào)橋墩墩頂受新建工程施工影響產(chǎn)生的三個(gè)方向的附加位移，見(jiàn)圖6～圖8。

圖6 墩頂附加豎向位移

圖7 墩頂附加縱向位移

圖8 墩頂附加橫向位移

從圖6～圖8 中可以看出，隨著基坑的開(kāi)挖，通蘇嘉甬鐵路長(zhǎng)江大橋南引橋13～14 號(hào)橋墩發(fā)生向上位移，隨著路基的澆筑位移逐漸向下，最后基本恢復(fù)，其中影響最大的是13 號(hào)橋墩，最大附加豎向位移為0.491 mm。基坑開(kāi)挖階段中13 號(hào)墩向小里程側(cè)偏移，而14 號(hào)墩向大里程側(cè)偏移，之后偏移逐漸減小，產(chǎn)生最大附加縱向位移的是13 號(hào)橋墩，為2.3 mm?；娱_(kāi)挖階段中13 號(hào)墩向鐵路右側(cè)偏移，14 號(hào)墩向左側(cè)偏移，產(chǎn)生最大附加橫向位移的是13號(hào)橋墩，為1.33 mm。鐵路橋梁墩高達(dá)50 m，橋墩的橫向剛度大于縱向高度，所以橫向變形小于縱向，而豎向位移最小，可見(jiàn)對(duì)于人非道路這種開(kāi)挖面積與開(kāi)挖深度較小的施工，橋墩豎向位移不控制，但對(duì)于高墩橋墩的水平位移影響較大。

理論分析可知，橋墩的墩頂水平位移由承臺(tái)平動(dòng)引起的平移位移和承臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的轉(zhuǎn)角位移組成，這兩種情況的組合會(huì)使得高鐵橋墩墩頂位移發(fā)生朝向道路方向或者遠(yuǎn)離道路方向，往往結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算分析得到[6]。對(duì)于高墩橋梁來(lái)說(shuō)，承臺(tái)轉(zhuǎn)角引起的墩頂位移變化更為突出，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免在高墩橋梁下開(kāi)挖過(guò)深。見(jiàn)圖9，在基坑開(kāi)挖后，樁基和承臺(tái)發(fā)成偏移和轉(zhuǎn)角，13、14 號(hào)墩墩頂均向遠(yuǎn)離道路方向偏移。

圖9 橋梁下部結(jié)構(gòu)水平位移云圖

3.3.2 施工對(duì)通蘇嘉甬鐵路樁身軸力的影響

新建道路施工完成后，由于應(yīng)力擴(kuò)散作用，通蘇嘉甬鐵路橋梁樁基樁身軸力會(huì)發(fā)生變化，計(jì)算了13～14 號(hào)墩承臺(tái)下樁身軸力的增加量，其中影響最大的是13 號(hào)墩的15 號(hào)樁基，見(jiàn)圖10。其樁身軸力增加最大為190.5 kN，發(fā)生在基坑開(kāi)挖階段，在最終施工完成后，樁身軸力增加最大的是13 號(hào)墩的1號(hào)樁基，增加值為138.9 kN，整個(gè)施工過(guò)程中增加后的樁身軸力均小于極限承載力。因此，在鐵路設(shè)計(jì)時(shí)期如果有明確下穿公路規(guī)劃的，可以對(duì)橋墩樁基進(jìn)行加強(qiáng)配筋或增加樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)，以提高樁基承載力，數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

圖10 分析樁位

表4 單樁承載力對(duì)照/kN

圖11、圖12 為長(zhǎng)江大橋南引橋13 號(hào)墩的1 號(hào)樁基和15 號(hào)樁基樁身軸力增量在各施工階段下隨土層深度的變化曲線(xiàn)，可見(jiàn)距離新建道路最近的1 號(hào)角樁在基坑開(kāi)挖時(shí)樁身軸力出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，與此階段橋墩豎向位移向上變化吻合。隨著路基的回填，樁身軸力出現(xiàn)正增長(zhǎng)，受應(yīng)力擴(kuò)散作用以及地質(zhì)情況大約樁基頂部以下45 m 左右軸力變化最為明顯。距離新建道路最遠(yuǎn)的15 號(hào)角樁樁身軸力與1 號(hào)樁規(guī)律大致反向，即樁身軸力先出現(xiàn)正增長(zhǎng)，后出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，樁基頂部軸力變化最明顯。基坑開(kāi)挖階段對(duì)樁身軸力的影響最為顯著。

圖11 1 號(hào)樁身軸力增量

圖12 15 號(hào)樁身附加豎向位移

3.4 路堤填土對(duì)鐵路的影響

路堤形式修建的道路，其加載對(duì)高鐵橋梁樁基影響見(jiàn)圖13。

圖13 路堤填土荷載作用下樁土相互作用

軟弱土層在填土荷載作用下會(huì)產(chǎn)生側(cè)向擠出變形和沉降，對(duì)高鐵橋梁樁基的影響主要表現(xiàn)：（1）樁周土的沉降會(huì)使高鐵橋梁樁基上部承受負(fù)摩阻力的作用；（2）高鐵橋梁樁基在兩側(cè)土壓力差的作用下發(fā)生遠(yuǎn)離道路方向的水平位移，這兩種影響往往同時(shí)存在，并相互作用[7]。

圖14、圖15 研究了橋梁墩頂和樁頂水平和豎向位移隨填土高度變化的規(guī)律，隨著填土高度的增加，墩頂和樁頂?shù)乃?、豎向位移均增大，其中墩頂豎向位移較小，墩頂水平位移較大，成為影響鐵路安全的關(guān)鍵。墩頂?shù)乃轿灰齐S填土高度的增長(zhǎng)率大于樁頂水平位移的增長(zhǎng)率，說(shuō)明了墩高對(duì)水平位移的擴(kuò)大效應(yīng)。

圖14 橋梁墩頂和樁頂水平位移隨填土高度變化

圖15 橋梁墩頂和樁頂豎向位移隨填土高度變化

當(dāng)填土高度為1 m 時(shí)，墩頂水平位移達(dá)到了1.71 mm，接近于《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）[8]中規(guī)定的墩臺(tái)位移預(yù)警值1.8 mm；當(dāng)填土高度為1.5 m 時(shí)，墩頂水平位移達(dá)到了2.41 mm 超過(guò)規(guī)范[8]規(guī)定的報(bào)警值2.4 mm，說(shuō)明高鐵橋下路堤填土高度不宜超過(guò)1 m。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）擴(kuò)建道路施工過(guò)程引起的通蘇嘉甬鐵路橋墩墩頂附加豎向位移最為明顯，最大值為2.3 mm，小于變形控制值3 mm。（2）受擴(kuò)建道路的影響，通蘇嘉甬鐵路橋梁樁基樁身軸力增加最大為190.5 kN，但增加后的樁身軸力仍小于極限承載力，可以對(duì)橋墩樁基進(jìn)行加強(qiáng)配筋或增加樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)，以提高樁基承載力。（3）對(duì)于高墩大跨鐵路橋梁來(lái)說(shuō)，墩高是影響墩頂水平位移的重要因素，墩頂水平位移隨著填土高度的增加而增大，路堤填土不宜超過(guò)1 m。（4）通過(guò)計(jì)算分析可知，擴(kuò)建道路施工對(duì)通蘇嘉甬鐵路的影響較小，均滿(mǎn)足要求，產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)在可控制區(qū)間以?xún)?nèi)，故擴(kuò)建道路下穿通蘇嘉甬鐵路長(zhǎng)江大橋南引橋方案總體可行，實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)可控。（5）從出現(xiàn)變形位移最大的施工階段可以看出，主要發(fā)生在基坑全開(kāi)挖階段，建議基坑施工盡量分區(qū)、分層、對(duì)稱(chēng)、均衡開(kāi)挖，不得超開(kāi)挖，以后保證施工的質(zhì)量安全。