黃光強(qiáng)

（中鐵四院集團(tuán)南寧勘察設(shè)計(jì)院有限公司，高級(jí)工程師，廣西 南寧 530003）

0 引言

隨著各地交通建設(shè)快速發(fā)展，高速鐵路網(wǎng)、高速公路網(wǎng)正逐漸形成，高速公路與高速鐵路交叉逐漸增多，這些交叉影響著高速公路走向、平縱斷面、工程投資等多個(gè)方面。公鐵交叉下穿鐵路橋梁結(jié)構(gòu)形式，一般有橋梁下穿、樁板結(jié)構(gòu)下穿、U 形槽和框架結(jié)構(gòu)下穿、路基下穿及隧道下穿幾種形式［1］。采取不同的下穿結(jié)構(gòu)，施工及運(yùn)營對(duì)鐵路的影響、工程投資等有較大差別，一般需根據(jù)具體工程情況進(jìn)行分析對(duì)比確定。為保證高速鐵路運(yùn)營安全，下穿結(jié)構(gòu)的選擇往往又是工程方案能否通過鐵路部門審批及順利實(shí)施的關(guān)鍵因素。眾多技術(shù)人員對(duì)下穿結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，湛敏［2］等研究了高速公路采用橋梁結(jié)構(gòu)、樁板結(jié)構(gòu)及路基+半U(xiǎn) 形槽復(fù)合結(jié)構(gòu)下穿高速鐵路橋梁方案，張儉［3］研究了市政道路采用U 形槽結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)下穿高速鐵路橋梁方案，楊紅春［4］研究了樁板結(jié)構(gòu)和低填路基結(jié)構(gòu)方案對(duì)下穿高速鐵路橋梁的影響。這些研究大多數(shù)是針對(duì)工程地質(zhì)條件較差的地基進(jìn)行，對(duì)于工程地質(zhì)條件較好、填筑高度超過1.0m 的路基下穿方案研究較少，本文通過對(duì)某高速公路下穿高速鐵路橋梁方案研究，分析橋梁下穿與填筑高度超過1.0m 的路基下穿方案的優(yōu)缺點(diǎn)及其對(duì)鐵路橋梁的影響，為今后類似工程提供設(shè)計(jì)參考方案。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

某新建高速公路與柳南客專、南廣鐵路交叉，交叉點(diǎn)處柳南客專與南廣鐵路為平行布置，兩條鐵路間距為12.3m，均為一座雙線特大橋，交叉范圍內(nèi)橋梁上部結(jié)構(gòu)為跨度32m 簡(jiǎn)支箱梁，下部結(jié)構(gòu)為實(shí)體橋墩，基礎(chǔ)為明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)或鉆孔樁基礎(chǔ)。高速公路設(shè)計(jì)為雙向四車道，設(shè)計(jì)速度120km/h，整體式路基寬26.5m。柳南客專和南廣鐵路均為時(shí)速250km/h國鐵Ⅰ級(jí)雙線電氣化鐵路，有碴軌道。受下穿處鐵路橋孔寬度的限制，高速公路由整體式路基改為分離式路基，分左右兩幅，每幅寬13.25m，分別從柳南客專某橋152#～154#墩及南廣鐵路某橋153#～155#墩之間的橋孔穿越。公路平面為半徑1800m的平曲線，公路左線設(shè)計(jì)線與南廣鐵路中心線交角為67°16′26″，右線設(shè)計(jì)線與南廣鐵路中心線交角為67° 12′52″ ?？v斷面設(shè)計(jì)橋下路基填筑高度在1.5m～2.5m 之間。設(shè)計(jì)路基邊緣距離最近的橋墩（南廣鐵路153#墩）邊緣為4.08m，滿足路基護(hù)欄外側(cè)與高速鐵路橋墩的凈距不宜小于2.5m 的要求［1］。涉鐵段設(shè)計(jì)范圍為YK106+950～YK107+040 段，總長90m。平面設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 平面設(shè)計(jì)圖

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘探資料，下穿段場(chǎng)地范圍內(nèi)地層從上至下為：

（1）第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）：雜填土，松散，層厚0.5m～2.0m。

（2）第四系全新統(tǒng)殘積層（Q4el）：紅黏土，硬塑，層厚1.10m～5.90m，連續(xù)分布，承載力特征值fa0=180kPa。

（3）第四系全新統(tǒng)殘積層（Q4el）：紅黏土，軟塑，層厚1.0m～5.00m，局部分布，承載力特征值fa0=90kPa。

（4）石炭系上統(tǒng)（C3）灰?guī)r：微風(fēng)化，連續(xù)分布，末揭穿，承載力特征值fa0=4000kPa。

1.3 下穿結(jié)構(gòu)方案研究

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形、地質(zhì)情況，下穿結(jié)構(gòu)選擇橋梁下穿和路基下穿兩個(gè)方案進(jìn)行研究。

（1）橋梁下穿。根據(jù)規(guī)范［1］，非巖石地基且高速鐵路橋下凈空滿足設(shè)置橋梁條件時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用橋梁下穿；采用橋梁下穿時(shí)，結(jié)構(gòu)兩端距離鐵路橋梁水平投影外側(cè)的垂直距離不應(yīng)小于20m。本工程中，交叉處橋下凈高約為11.6m，高速公路要求通行凈高為6.0m，橋下凈空滿足橋梁下穿的條件。根據(jù)鐵路橋梁寬、公鐵交叉交角、新建公路橋梁樁基與既有鐵路橋梁樁基距離及鐵路橋梁底下不能設(shè)置橋墩等相關(guān)要求，擬定公路橋梁孔跨布置為（20+35+20）m，墩臺(tái)徑向布置。橋梁上部結(jié)構(gòu)選用小箱梁，簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，橋面連續(xù)。下部結(jié)構(gòu)墩臺(tái)均采用樁接蓋梁形式，基礎(chǔ)采用直徑為1.5m 的樁基礎(chǔ)，樁間距7.0m。設(shè)計(jì)樁基距離最近的鐵路橋墩樁基最小距離為6.9m，滿足規(guī)范［1］良好土層，不宜小于4倍下穿樁徑要求。小箱梁采用場(chǎng)地預(yù)制，架橋機(jī)架設(shè)施工，樁基采用旋挖鉆施工，避免采用沖擊鉆施工。為滿足公路橋梁日常維修保養(yǎng)工作，梁底設(shè)置不小于1.5m 高的檢修凈空，故橋面高程比路基方案需抬高2.0m 以上，橋面以上凈高不足8.0m。橋梁下穿橫斷面設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 橋梁下穿橫斷面設(shè)計(jì)圖

（2）路基下穿。下穿結(jié)構(gòu)采用填筑路基方案，鐵路橋下最大填筑高度約2.5m。路基邊坡坡率設(shè)計(jì)為1：1.5，邊坡采用方格型灌草護(hù)坡。為保證路基坡腳邊緣不侵入鐵路橋墩承臺(tái)或擴(kuò)大基礎(chǔ)邊緣，避免填土高差過大造成對(duì)橋墩的偏壓，在左線ZK106+993～ZK107+033 段左側(cè)、右線YK106+955～YK106+995 段右側(cè)設(shè)置樁板墻，樁截面尺寸為1.0×1.25m，樁間距5.0m，樁間設(shè)厚0.30m 現(xiàn)澆擋土板。樁采用人工挖孔樁，以減少施工對(duì)鐵路橋梁的影響。兩幅路中間采用填土對(duì)稱分層回填，避免偏壓。右線YK106+960～YK107+030 段局部分布軟塑狀紅黏土軟弱下臥層，為保證路基強(qiáng)度及穩(wěn)定，需對(duì)軟弱下臥層進(jìn)行加固處理?？紤]到場(chǎng)地位于鐵路橋下，受施工凈空限制，采用旋噴樁加固。雜填土層采用挖除換填方式處理。為保證路基填筑質(zhì)量，路基填料采用級(jí)配良好的碎石分層碾壓填筑。為降低路基填筑對(duì)鐵路橋梁的影響，路基及路面結(jié)構(gòu)層碾壓不得采用重型振動(dòng)碾壓設(shè)備［1］，采用靜壓施工。路基下穿橫斷面設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 路基下穿橫斷面設(shè)計(jì)圖

（3）方案比選。從對(duì)鐵路橋梁影響大小、施工難易程度及工期長短、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行方案對(duì)比分析。

①對(duì)鐵路橋梁影響大小。橋梁下穿方案由于新建橋梁樁基距離既有鐵路橋梁樁基大于4倍新建樁直徑且地質(zhì)土層良好，根據(jù)相關(guān)研究，此種情況下樁基鉆孔施工對(duì)鐵路橋梁影響很小，可以忽略不計(jì)；高速公路運(yùn)營通過樁基將公路車輛荷載以及橋梁結(jié)構(gòu)自重荷載直接作用到基巖上，幾乎對(duì)鐵路橋梁不產(chǎn)生影響。

路基下穿方案由于地基加固、路基填筑施工及公路運(yùn)營都會(huì)對(duì)鐵路橋梁產(chǎn)生一定的附加應(yīng)力，引起鐵路橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，會(huì)對(duì)鐵路橋梁產(chǎn)生一些不利的影響，經(jīng)計(jì)算分析影響大小是在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

②施工難易程度及工期長短。橋梁下穿方案由于橋梁平面位于曲線上，墩臺(tái)徑向布置，因此每一片小箱梁的預(yù)制長度都不一樣，且外側(cè)的小箱梁翼緣板寬度也不一致，造成小箱梁預(yù)制比較麻煩，難度加大；同時(shí)由于橋面以上凈高不足8.0m，常規(guī)架橋機(jī)架梁時(shí)凈高不足，無法使用，需要改造或采用特制架橋機(jī)方可滿足架梁凈空要求，增加了架梁的難度。橋梁施工技術(shù)要求高，施工難度較大。經(jīng)綜合分析，橋梁下穿方案施工工期需要約7～8個(gè)月。

路基下穿方案由于旋噴樁施工、樁板墻人工挖孔樁施工、路基路面填筑碾壓施工均為常規(guī)施工工藝，技術(shù)要求較低，施工較簡(jiǎn)單。經(jīng)綜合分析，路基下穿方案施工工期需要約3～4個(gè)月。

③經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，不但需要考慮工程費(fèi)用，還需要考慮各種涉鐵費(fèi)用如施工配合費(fèi)、監(jiān)測(cè)費(fèi)、管理費(fèi)等，橋梁下穿方案還應(yīng)考慮梁場(chǎng)建設(shè)費(fèi)、梁的運(yùn)輸費(fèi)，架橋機(jī)改造費(fèi)以及由于橋面高程抬高造成涉鐵段以外的路基填高和征地增加產(chǎn)生的費(fèi)用等。經(jīng)計(jì)算，橋梁下穿方案投資約為2800 萬元，路基下穿方案投資約為980 萬元，路基方案投資僅為橋梁方案的35%左右。

綜上分析，橋梁下穿方案較路基下穿方案對(duì)鐵路橋梁影響較小，但施工難度較大且工期較長，投資較大。經(jīng)綜合分析對(duì)比，推薦采用路基下穿方案。

2 數(shù)值模擬分析計(jì)算

由于路基下穿方案中路基填筑高度在1.5m～2.5m 之間，已經(jīng)超出規(guī)范［1］允許的填筑高度，應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)論證，采用數(shù)值模擬分析計(jì)算進(jìn)行論證，以確保鐵路運(yùn)營安全。

2.1 建模

下穿結(jié)構(gòu)計(jì)算模型建立應(yīng)能反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，工程上一般采用包含地基和結(jié)構(gòu)的三維網(wǎng)格模型作為主要分析手段。本次分析采用Midas GTS 軟件建立地層及鐵路橋、新建下穿道路有限元模型，對(duì)路基施工及公路運(yùn)營導(dǎo)致鐵路橋墩產(chǎn)生的變形進(jìn)行模擬分析計(jì)算。模擬土體本構(gòu)模型采用M-C 模型，路基樁板墻結(jié)構(gòu)、鐵路橋墩結(jié)構(gòu)采用線性彈性模型，其中樁板墻樁基、鐵路橋墩樁基采用植入梁?jiǎn)卧M，擋土板采用板單元模擬，其余的采用實(shí)體單元模擬。選取沿鐵路橋縱向長100m，橫向?qū)?0m，深60m 的地層建模，模型共87533 個(gè)節(jié)點(diǎn)，485474 個(gè)單元。模型采用位移邊界作為邊界條件，除上表面為自由邊界外，模型左右邊界限制水平方向位移，模型底面限制水平方向和垂直方向位移。

整個(gè)模擬過程共分五步驟：

①模型在初始地應(yīng)力下平衡；

②公路路基地基處理（清除松散雜填土、旋噴樁加固施工）；

③公路路基樁板墻施工；

④公路路基填筑及路面施工；

⑤公路運(yùn)營階段。

計(jì)算參數(shù)：

路面結(jié)構(gòu)恒載瀝青砼換算為路面均布荷載18.72kN/m2；公路荷載采用公路-Ⅰ級(jí)，換算成均布荷載為10.5kN/m2。地層參數(shù)按地勘資料及相關(guān)資料取值，詳見表1所示。

表1 地層參數(shù)取值表

計(jì)算模型圖如圖4所示。

圖4 計(jì)算模型圖

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析

（1）橋墩墩頂縱向最大位移結(jié)果如圖5 所示，橫向最大位移結(jié)果如圖6 所示，豎向最大位移結(jié)果如圖7所示。

圖5 墩頂縱向最大位移圖

圖6 墩頂橫向最大位移圖

圖7 墩頂縱向最大位移圖

各墩頂最終變形數(shù)據(jù)如下表2所示。

表2 各墩頂最終變形數(shù)據(jù)表 單位：mm

從上表可知，路基施工及公路運(yùn)營期間，柳南客專產(chǎn)生的最大縱向位移為0.061mm，在154#墩；最大橫向位移為0.042mm，在154#墩；最大豎向位移為0.141mm，在153#墩。南廣鐵路產(chǎn)生的最大縱向位移為0.073mm，在153# 墩；最大橫向位移為0.047mm，在153#墩；最大豎向位移為0.14mm，在154#墩。所有橋墩墩頂位移值均小于規(guī)范［1］墩頂位移控制標(biāo)準(zhǔn)值3mm 的要求，說明路基下穿結(jié)構(gòu)施工及公路運(yùn)營引起的鐵路橋墩變形是滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3 施工監(jiān)測(cè)

施工監(jiān)測(cè)按規(guī)范［1］規(guī)定進(jìn)行，在橋墩墩身各布置4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，墩頂2 個(gè)，墩底2 個(gè)。施工實(shí)施前預(yù)觀測(cè)一周，采集首期觀測(cè)值，施工期間每天觀測(cè)不少于4次，竣工1個(gè)月內(nèi)每天觀測(cè)不少于2次，竣工1個(gè)月后根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收斂情況確定是否繼續(xù)監(jiān)測(cè)。

該工程于2019 年建成通車，根據(jù)施工及運(yùn)營期間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，鐵路橋梁結(jié)構(gòu)觀測(cè)變形值與數(shù)值模擬分析計(jì)算結(jié)果基本一致，最大相差不超過15%。

4 結(jié)論

高速公路下穿高速鐵路橋梁方案選擇應(yīng)結(jié)合工程特點(diǎn)、地形、地質(zhì)條件綜合分析對(duì)比確定，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較好，地基承載力滿足要求時(shí)，采用填筑高度超過1.0m 的路基下穿方案是可行的，路基填筑施工及公路運(yùn)營引起鐵路橋墩變形是滿足相關(guān)規(guī)范要求。采用Midas GTS 軟件建立三維有限元模型，對(duì)下穿結(jié)構(gòu)施工及運(yùn)營進(jìn)行模擬分析計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，比較符合實(shí)際。