市政道路工程下穿高速铁路桥梁影响分析研究

时间：2024-07-28

霍建凯

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

0 引言

随着高速铁路以及城市建设的飞速发展，无论是新建市政道路工程或者是高铁车站配套市政道路工程都无可避免的需要下穿高速铁路桥梁，那么研究新建市政道路工程对高速铁路桥梁的影响是十分必要的，既要满足道路建设的便捷需求，还要保证高速铁路的安全。本文通过数值模拟的方法研究杭绍台铁路台州中心站配套市政工程中的规划横一路的施工建设对杭绍台铁路的影响，并提出相应的建议，为今后类似工程项目建设提供参考。

1 工程概况

1.1 项目概况

台州中心站配套市政工程中的规划横一路为城市支路，设计荷载为城-B级，设计时速30km/h。规划横一路下穿位置处为台州中心站特大桥，规划横一路从杭绍台铁路台州中心站特大桥第21#～22#桥墩间穿越。交叉里程为横一路BK0+640.5即杭绍台铁路DK216+148.60，交叉角度约90.6°。杭绍台铁路为10线桥，21#～22#桥墩间桥梁上部结构为32m简支箱梁，桥墩为圆端形三柱框架式桥墩，基础为Φ1.0m钻孔灌注摩擦桩基础，21#墩设计桩长为62m，22#墩设计桩长为77m，基础横向总宽度为104.65m。

桩板结构里程BK0+576.06～BK0+687.06，位于直线及半径R＝400m的圆曲线上。道路设计线位与在建杭绍台铁路台州中心站特大桥左线交叉角度为85.15°（铁路右角），下穿处道路设计线道路里程为：BK0+640.52，对应铁路里程为：DK216+148.60。新建桥梁结构防撞护栏外侧距离杭绍台铁路正线21#桥墩最小距离为4.56m，距离到发线10线21#桥墩最小距离为2.53m，防撞护栏外侧距离杭绍台铁路正线 22#桥墩最小距离为 8.03m，距离到发线10线22#桥墩最小距离为6.02m。新建桩板结构桩基中心距离杭绍台铁路21#桥墩桩基中心最小距离 6.13m，距离杭绍台铁路 22#桥墩桩基中心最小距离6.69m。桥面距杭绍台铁路梁底为9.66m＞5.5m，满足道路设计净空要求。

新建桩板结构设置为三联，跨径具体布置为(4×10)＋(4×10)＋(3×10)m，总长 110m。上部结构采用 C40钢筋混凝土，梁高 0.8m；桩基采用 4-φ1m钻孔灌注桩，桩间距4.0m，采用C30水下钢筋混凝土。

1.2 工程水文地质条件

（1）地形、地貌

工程地貌为浙东海相沉积平原，附近为台州中心站大桥，地势较为平缓，地面高程一般在3.10～3.30m之间。

（2）工程地质分层

（3）地下水

桥址范围地下水主要为第四系孔隙潜水，第四系孔隙承压水；孔隙潜水主要赋存于第四系全新统黏性土层中，第四系孔隙承压水主要赋存于含砾粉质黏土层。地下水主要受大气降水和地表流水补给，水位年变化幅度不大。水位年变化幅度0～1.5m，勘察期间测得已完成钻孔稳定水位埋深2.0m左右。

2 评价标准

本次需评价横一路下穿杭绍台铁路台州中心站特大桥施工过程中对其安全性的影响，本次项目控制内容包括：桥墩的竖向沉降、墩台的水平变形、结构安全性等。本项目假定杭绍台铁路台州中心站特大桥墩台处于良好状态，并且假定初始变形量为0。

3 规划横一路下穿铁路桥安全评估

3.1 计算方法

在岩土力学有关领域的数值分析应用中，主要使用的方法为有限单元法（FEM）、边界单元法（BEM）、离散单元法（DEM）、朗格朗日单元法以及块体理论等，或者是上述几种方法的耦合。其中，有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的数值方法，是工程方法和数学方法相结合的产物，可以求解用解析方法无法求解的问题，特别是对边界条件和结构形状不规则和复杂的结构来讲，更是一种有效的数值方法，因此，该法在实际工程中得到了广泛的应用。

本评估即采用有限元分析法，利用岩土有限元软件MIDAS，建立包括岩土、桥桩、承台、桥墩、钢板桩等结构的模型。根据实际施工方案，进行分步模拟分析新建桥梁施工对高铁桥变形的影响。

3.2 模型建立及施工模拟

（1）模型建立

按照专项设计及地勘报告等资料，利用MIDAS软件建立三维有限元数值分析模型。在三维建模中，计算区域主要根据新建桥梁与既有桥梁的位置关系，并满足一定边界效应的要求来确定。在本模型中，为满足桥梁施工的边界效应，三维数值模型整体尺寸为80m（x）×140m（y）×90m（z）。

本模型采用位移边界条件：侧面限制水平位移，底部限制垂直位移，模型上表面取为自由边界。土体强度准则为Mohr-coulomb准则，采用实体单元模拟，土层计算参数结合本工程地质勘察报告和相关的工程经验进行取值。

（2）施工过程模拟

整个施工过程模拟按照实际施工顺序进行分步施工，总共 13个施工工况。

工况 1：初始地应力平衡，场区位移清零；

工况 2：高铁桥梁基坑外侧施工钢板桩；

工况 3：开挖高铁桥梁基坑；

工况 4：高铁桥梁桩基施工；

工况 5：高铁桥梁承台施工；

工况 6：高铁桥梁桥墩施工；

工况 7：高铁桥梁承台顶覆土回填；

工况 8：施加高铁桥梁上部结构荷载；

工况 9：场区位移清零；

工况 10：新建市政桥梁桩基施工；

工况 11：新建市政桥梁承台施工；

工况 12：施加新建市政桥梁施工荷载；

工况 13：施加新建市政桥梁运营荷载。

3.3 计算结果分析

（1）高铁桥墩的变形

通过数值模拟，得到新建桥梁施工运营对杭绍台铁路 21#～22#桥墩及承台的影响（工况10～工况13），主要包括横桥向位移（模型y方向）、顺桥向位移（模型x方向）以及竖向的沉降（模型z方向），取墩台竖向沉降最大的工况13的位移图为模型位移情况.

新建桥梁施工运营过程中引起的高铁墩顶最大顺桥向位移发生在工况13（施加新建桥梁运营荷载），位于22#墩，最大位移-1.128mm；高铁墩顶最大横桥向位移发生在工况 13（施加新建桥梁运营荷载），位于 22#墩，最大位移-0.304mm；高铁墩顶最大竖向位移发生在工况13（施加新建桥梁运营荷载），位于21#墩，最大位移-1.203mm。

新建横一路桩板结构施工过程中引起的既有高铁墩顶最大竖向沉降为1.203mm，满足 20mm的控制限值要求；既有高铁桥墩的最大沉降差为1.203mm（假设远端20#桥墩竖向沉降为0），满足5mm的控制限值要求；高铁桥墩的最大纵桥向位移为1.128mm，满足28.2mm的控制限值要求；高铁桥墩的最大横桥向位移差为0.596mm（21#～22#桥墩变形差），满足16mm的控制限值要求。

（2）桥桩承载力

施加新建桥梁运营荷载后，台州中心站特大桥 21#～22#桥墩桩基单桩承载力变化情况如表 4.3-2所示（以每个承台下承载力富余量最小的桥桩为例）。

表 4.3-2 单桩承载力对照

22#7/5线 5636 5796 6204 22#正线 5381 5547 6693 22#8/6线 5636 5792 6204 22#10线 5010 5215 8152

由表 4.3-2可知，在施加新建桥梁运营荷载后，21#、22#墩高铁桥梁桩基单桩承载力小于单桩容许承载力；但21#墩9线下方桩基、22#墩9线下方桩基承载力富余量较少（248kN、270kN）。

4 结论与建议

4.1 结论分析

通过数值计算软件模拟分析了规划横一路施工的建设对高速铁路桥梁的影响，综合来看，可认为规划横二路施工对既有高铁影响较小，能够保证施工期杭绍台铁路台州中心站特大桥的结构安全，桩板结构下穿杭绍台铁路设计方案基本可行，数值分析主要结论如下：

（1）新建横一路施工运营过程中引起的既有高铁墩顶最大竖向沉降为1.203mm，满足20mm的控制限值要求；高铁桥墩的最大沉降差为1.203mm，满足 5mm的控制限值要求；高铁桥墩的最大纵桥向位移为 1.128mm，满足28.2mm的控制限值要求；高铁桥墩的最大横桥向位移差为 0.596mm，满足16mm的控制限值要求。

（2）新建横一路施工后，21#、22#墩高铁桥梁桩基单桩承载力小于单桩容许承载力；但21#墩9线下方桩基、22#墩9线下方桩基承载力富余量较少（189kN、4kN），建议采取必要措施减小新建工程施工对杭绍台铁路桥桥桩的影响或提高杭绍台铁路21#、22#墩9线承台下方桩基单桩容许承载力，以增加杭绍台铁路台州中心站特大桥21#、22#高铁桥墩的安全性。