某集装箱铁路工程下穿津秦高速铁路桥梁安全影响分析

周津斌

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处，天津 300142)

某集装箱铁路工程下穿津秦高速铁路桥梁安全影响分析

周津斌

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处，天津 300142)

下穿既有高速铁路桥梁工程，施工期间及运营阶段的桥下工程恒载及活载影响，会导致既有高速铁路周围土体发生垂直和水平运动，产生的附加应力会引起临近的既有高速铁路基础产生竖向沉降及侧向位移，数值过大甚至会影响到高速铁路运营安全。结合某在建集装箱五线铁路下穿已建成的津秦高速铁路桥梁工程，利用桩土共同作用有限元程序plaxis等有限元软件，从承载力、水平变形及沉降等方面分析土体运动对津秦高速铁路桥梁的安全影响。分析结果表明，以路基下穿津秦高速铁路方案沉降影响超出允许范围，存在安全风险，后改为桩板结构下穿。

下穿高速铁路桥梁;附加应力;桩基承载力;沉降影响;Plaxis有限元;影响评估

1 研究背景

随着我国经济的快速发展，城市与城市之间的联系越来越紧密，高速铁路可靠、快捷的特点也成为了人们出行的重要交通工具。但是高速铁路的高安全性及高密度持续运营的特点也要求轨道具备稳定的平顺性，且目前运营的大部分高速铁路采用的都是无砟轨道，这就对高速铁路桥梁变形及基础工后沉降提出了严格的要求［1］。线下工程沉降变形稳定是无砟轨道铺设的必要条件，对其进行控制和研究具有重大的工程意义。

高速铁路项目建设规模的不断扩大，导致大量的新建铁路、公路等交通工程需以下穿形式通过既有高速铁路。当新建结构距离高速铁路桥墩较近时，施工期间会不可避免地产生对土层的扰动，导致地面不同程度的沉降。而交通工程运营后，新建结构的恒载及其上活载也会导致周围土体的垂直和水平运动，从而使临近的高速铁路桥梁基础增加了附加应力和弯矩，从而产生竖向沉降、侧向位移，数值较大时甚至严重影响到高速铁路的安全运营。

所以在桥下临近结构物(譬如桥梁、路基、桩板结构等)进行施工前，如何合理的评估及分析对高速铁路的安全影响是一个重要而亟待解决的问题。

2 工程概况

某集装箱工程的既有北环左线(BHK)、新建进港三线左线、新建进港三线右线、改建北环右线(YBHK)及改建专用线(ZDK)均以路基形式依次从津秦高速铁路宁车沽永定新河特大桥32号桥墩和33号桥墩之间分幅下穿通过，夹角约69°。如图1所示。

津秦高速铁路宁车沽永定新河特大桥为双线，设计速度目标值350 km/h，32、33号桥墩采用圆端形实体桥墩，为(32+48+32)m连续梁的中墩，墩高17m，均采用12根直径1.5m的钻孔桩基础。设计参数资料见表1。

表1 宁车沽永定新河特大桥32～33号墩基础设计参数

由图1可知，最外侧改建专用线(ZDK)与津秦高速铁路32号桥墩边缘的最小距离为4.66 m，平面布置满足限界要求。

图1 集装箱工程铁路与津秦高速铁路交叉平面关系(单位:m)

3 控制因素

3.1 对高速铁路桥梁基础承载力的影响

新建工程对临近高速铁路桥墩基础设计承载力的影响，可能会导致基础的桩长增加，桩身截面配筋的增大，如果原设计的安全富余量不足，则会影响到高速铁路桥梁的安全性，对高速铁路桥梁基础承载力的主要影响如下。

(1)附加荷载对高速铁路承台的偏压影响

临近高速铁路桥墩的新建工程，当为高填路基及桥梁形式时，结构自身的恒载及运营期间的活载会产生竖向力。根据垂直荷载引起土体内应力的计算方法，这些竖向外力将会换算成当量的附加土重向下扩散，当扩散范围恰好影响到高速铁路承台一侧时，则会对承台顶面产生竖向偏压作用，从而导致高速铁路桥梁基础承载力增大。

(2)附加荷载对承台的水平力影响

随着高速铁路桥梁下新建工程的基坑不断开挖，地表发生沉降，承台侧向的土体会发生松动，承台侧的土体抗力会削减，承台另一侧则会产生不平衡土压力。

(3)附加应力引起桩基侧负摩阻力的影响

新建工程的基坑开挖时，导致临近土体发生沉降，这将引起高速铁路承台侧土体发生相对于承台向下的位移，此时承台侧摩阻力的方向将与正常情况相反，即产生负摩阻力，这将对桥墩桩基础产生竖向附加力。

新建工程竣工运营后，恒载及车辆活载也将转化为附加竖向应力，需要考虑附加应力在影响土层范围内对桩基侧面摩阻力的部分抵消作用，桩侧摩阻力应在影响范围内进行折减，对原基础设计进行检算。

(4)其他影响

当高速铁路桥梁下为钻孔桩，施工时会产生大量泥浆、废水等地表水;大量地表水的下渗会影响地下水位的变化，进而影响高速铁路桥梁桩基础的承载力。

3.2 对高速铁路桥梁的墩顶位移影响

新建工程施工及运营阶段产生的附加应力对土层的扰动，使承台侧土层侧抗力及地基比例系数m0的减小，从而影响基础的刚度，导致墩顶位移的增大。为了保证高速铁路桥梁上轨道的平顺稳定性及列车的安全舒适性，《高速铁路设计规范》(试行)对墩顶横、纵向位移均有规定，即桥墩纵向顶弹性水平位移△≤5(L为桥梁跨度)，横向水平位移引起的桥面处梁端水平折角应不大于1‰rad。

3.3 对高速铁路桥梁的基础沉降影响

沉降是由基础与地基土之间相互影响的综合结果，由基础和承台组成的群桩结构，在施工时及运营阶段时产生的竖向荷载作用下的沉降主要有:桩身的弹性压缩变形，由桩顶竖向荷载和桩侧摩阻力及桩端阻力共同作用产生;桩端土层的压缩变形，由桩端应力、桩身剪切应力和承台底反力通过桩间土传递到桩端平面后共同作用产生;桩端的刺入变形，由桩端应力引起桩端土层明显的塑性变形产生。

以上几方面的共同作用导致高速铁路桥梁基础的附加沉降，《高速铁路设计规范》(试行)规定:桥梁下部结构要求工后总沉降不超过20mm，相邻墩台不均匀沉降不超过5mm。

4 安全影响分析

4.1 基础承载力影响

由于集装箱铁路工程在津秦高速铁路桥下约2m高填土路基及其上通过5线列车荷载，且最外侧的改建专用线(ZDK)的路基边坡直接压在津秦32号墩的承台上，故桥下铁路建成后产生的附加荷载会对津秦高速铁路桥梁基础产生影响(图2)。

如图2所示应力传递与竖直线成角度向下扩散时，路基填土及活载对承台产生的竖向偏压作用于承台顶面，且扩散范围在其影响土层范围内对桩基侧面摩阻力的部分抵消作用，桩侧摩阻力应在影响范围内进行折减。33号桥墩因为预留路基较远，承台不受影响，桩基受附加应力的部分影响。

图2 32、33号墩附加应力影响(单位:高程为m，其余cm)

经计算，32号墩由于偏压承台底产生纵向弯矩为10 185.96 kN·m，承台底产生横向弯矩为6 523.59 kN·m。经检算，由于路基填土及列车活载产生的附加应力导致桩基的单桩设计承载力增大，但原设计中的地基容许承载力富余量较大，不必增加桩长及桩基配筋。

4.2 基础变形影响

基础变形包括基础水平变形及沉降两方面，采用岩土有限元程序Plaxis 8．x二维专业版进行模拟分析。

4.2.1 有限元模型

简化为二维平面应变模型，模型总宽度160m，土层总深度100m，有限元模型见图3。在考虑实际工点地质资料的条件下，首先在有限元模型中建立集装箱铁路路基和津秦桥梁桩基础及承台的模型，再将进港三线的铁路荷载转换为均布荷载加到路基上。模型的左侧为32号墩桩基，右侧为33号墩桩基。土体采用摩尔－库仑模型来模拟土的本构关系，土体左右边界采用水平约束，不发生渗流;底边界采用固定约束，允许发生渗流。对于垂直平面方向的排桩，考虑平面应变中对桩间距和桩土效应进行等效处理，考虑刚度换算，用板桩模拟。

4.2.2 土层参数

土体采用摩尔－库伦屈服条件为破坏准则的理想弹塑性模型，将墩位所在的地面线以下划分为25个土层，具体参数取自工程勘察报告，地质资料见表2。

图3 有限元模型示意

表2 土层参数

4.2.3 模拟施工阶段

共模拟计算4个施工阶段，分别为:施加土层自重和静水压力的初始阶段、津秦高速铁路桥梁现状阶段、施工集装箱铁路路基阶段及集装箱铁路运营阶段。

4.2.4 分析结果

(1)施工集装箱铁路路基后(未运营)，对津秦高速铁路桥基础的影响:

32号墩基础沉降12.26mm，水平位移23.58mm;33号墩基础沉降2.79 mm，水平位移16.13 mm。见图4～图 6。

(2)集装箱铁路运营后(多线行车时)，对津秦高速铁路桥基础的影响:

图4 施工路基后基础变形示意

图5 施工路基后基础整体竖向位移云图

图6 施工路基后基础整体水平向位移云图

图7 桥下铁路运营后基础变形示意

图8 桥下铁路运营后基础整体竖向位移云图

图9 桥下铁路运营后基础整体水平向位移云图

32号墩基础沉降47.77mm，水平位移31.77mm;33号墩基础沉降17.10mm，水平位移26.80mm。见图 7～图 9。由图4～图9及结果可以看到，基础的水平位移影响不大，但由于集装箱铁路工程路基填土距32号桥墩基础较近，且路基上为5线铁路活载影响，活载通过路基的传递对津秦桥梁的基础影响很大，津秦32、33号墩的附加沉降值分别为47.77、17.10mm，即使考虑了5线铁路活载不同步的影响，如再加上津秦桥梁原有的工后沉降，也远远超过无砟轨道均匀沉降20 mm及相邻墩沉降差5mm的限值要求。

通过以上的安全性影响分析可知，集装箱铁路工程以路基方案下穿津秦铁路桥时，不能满足铁路规范的相关规定，方案不可行，需优化为其他结构形式通过。因此在实际工程实施中，已将集装箱专用线的路基方案变更为较合理的桩板结构方案。

5 施工中的建议

本文以实际工程为例，针对新建工程下穿高速铁路桥梁的安全性，施工方面有如下建议。

(1)施工过程中，严禁施工机具或人为因素对高速铁路桥墩墩身、基础及梁部造成损伤。避免使用大型施工机械，尤其是大型振动压路机避免在桥下范围使用。高速铁路桥墩周围不得堆土、弃土、存放材料及大型设备、设施等，以免桥梁产生加载或偏压，引起桥梁下沉、倾斜等安全隐患。

(2)应避免雨季施工，基坑降水要结合地质特点、开挖深度、地下水等因素综合考虑，原则上采用止水帷幕等局部封闭措施，防止降水对高速铁路的影响。抽水过程中，要观测地下水位有无异常现象，相邻桥墩有无沉降发生等。

做好桥下交通工程施工及运营期间的排水设计，避免在高速铁路桥下出现积水，浸泡铁路桥梁基础。

(3)下穿高速铁路桥梁的新建工程，应结合地质特点、周边环境及施工工法等，原则上优先采用明挖防护施工方案，采用封闭的局部排水方案，避免由于水位变化引起桥梁下沉;采用顶进施工时，分析顶进施工对基础周围土层扰动情况，避免引起基础周围土层隆起、下沉，甚至造成桩身摩阻力损失或负摩阻力的产生。

(4)桥下新建工程的地基需要强化处理时，不宜采用CFG桩、挖孔桩、钻孔桩等置换桩方案，有条件时采取挤密桩、静压沉桩等，减少因地基置换引起土体松动造成地应力重分布，从而导致铁路桥梁变形。

(5)注意查清施工范围内的管线及其他可能产生影响的设施，并及时拆改，确保施工安全。

(6)下穿高速铁路施工时［2］，仅仅通过理论分析会存在一定误差，因此现场监控量测是工程中必不可少的手段，通过现场监控量测可以验证理论分析的结果并及时发现存在的安全隐患。所以应制定针对高速铁路桥梁变形监测方案，加强受影响桥墩的变形监测，并制定应急处理预案。

6 结语

随着我国高速铁路的快速发展，新建交通工程下穿已建成或运营高速铁路的现象越来越多，所以如何正确合理地评估其对高速铁路的安全影响是非常重要的。结合某集装箱专用线下穿津秦高速铁路宁车沽永定新河特大桥32～33号墩，从桩基承载力、墩顶位移及基础沉降等多方面的影响计算分析对高速铁路桥梁的影响，并给出施工前的一些具体建议，研究成果可为同类工程提供一定的参考。

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Safety Analysis regarding a Container-transportation Railway Project Crossing below Existing Tianjin-Qinhuangdao High-Speed Railway Bridge

ZHOU Jin-bin

(Bridge Engineering Department，The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China)

If a project crosses below an existing high-speed railway bridge，it is likely that when the project is constructed or operated after being put into use，the dead and live loads of the projectbelow the bridge will cause vertical and lateralmovements of the surrounding soil of the high-speed railway．And then the additional stresswill be produced，whichmay cause vertical settlement and lateral displacement of the foundation of the existing high-speed railway，posing a threat to the operation safety of the existing high-speed railway if the settlementor displacement is too large．This paper，in combination with a underconstruction container-transportation five-track railway project crossing below the existing Tianjin-Qinhuangdao high-speed railway bridge，employed the Plaxis finite element program of pile-soil interaction and other softwares，and analyzed the influence of the soil movement on the safety of the Tianjin-Qinhuangdao high-speed railway bridge from the aspects of bearing capacity，deformation，settlement and so on．The analysis result indicated that the influence on settlement would exceed the allowed value and therewould be safety risk if crossing below the Tianjin-Qinhuangdao high-speed railway bridge in the form of subgrade structure．Therefore，the below-crossing scheme was changed from subgrade structure to pile-sheet structure．

crossing below high-speed railway bridge;additional stress;bearing capacity of pile foundation;influence on settlement;Plaxis finite element program;influence evaluation

U238;U445

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．020

1004－2954(2014)03－0085－05

2013－12－10

周津斌(1978—)，男，高级工程师，2003年毕业于天津城建学院桥梁专业，工学学士，E-mail:23425114@qq．com。