新建道路下穿高速铁路桥梁对高铁桥墩和桩基影响

文/李迪雄，岳阳公路桥梁基建总公司

新建道路下穿高速铁路桥梁对高铁桥墩和桩基影响

文/李迪雄，岳阳公路桥梁基建总公司

近年来，随着居民生活水平的提高，其对出行的需求需求愈来愈高，从而促进了国家交通运输业的发展，交通运输基础工程建设也随着不断地加快。但不可避免的是问题随之而来，新建道路与高速铁路交叉穿越的情况时有发生，这对进一步发展新建道路产生了一定的影响。本文以新建道路穿越京沪高速铁路东石潭特大桥为例，分析了新建路基方案对原有高铁桥墩和桩基的影响，提出了新建混凝土桩板结构的方案。

新建道路；下穿高铁桥梁；桥墩；基桩

引言

自从我国建成京津城际高速铁路以来，这成为我国第一条高速铁路，其数量不断增多，建设步伐不断加快，由于铺设道路时建设空间有限，新建道路穿越高铁时有发生。所以在新建道路时，着重考虑其对高速铁路桥梁的影响显得十分重要，因为这样保证了已建高速铁路运营安全。从目前来看，选择道路下穿高铁方案时，主要有桥梁方案、板桩结构方案、“U”形槽方案、路基方案等。本文研究了新建道路下穿越京沪高速铁路，以东石潭特大桥为例，分析新建路基方案对高铁桥墩和桩基的影响和新建混凝土桩板结构方案，数据分别采用Foundation、Plaxis 3D软件处理。

1 工程概况

如图1所示，新建道路在本项目中，下穿京沪高铁东石潭大桥201号～202号桥墩和202号～203号桥墩中间部分。

图1 下穿京沪高铁东石潭大桥位置图

道路在京沪高速铁路东石潭特大桥32 m后简支箱梁出穿越，张法预应力混凝土双线，1 m钻孔灌注桩基础，双柱墩，地基承载力为250 kPa，高铁桩基持力层为黏土、粉质黏土。面东石潭特大桥梁底至道路路净高大于5.5m。

2 地质条件

依次如下是道路穿越处各层岩土。

1）全新统地层(Q4)：主要为细、粉砂及黏性土。

2）黏土、粉质黏土。坚硬～硬塑状态，揭示层厚大于5 m，桩侧摩阻力系

数q=65～80 kPa，地基承载力层顶埋深39～47.0 m。

黏土、粉质黏土。硬塑状态，地基承载力为240～280 kPa，桩侧摩阻力

系数q=60～75 kPa，揭示层厚为4～40 m。

3 方案设计

1)方案一：混凝土板桩结构的新建。其平面示意图如图2所示。在原地面上新建13*3m的混凝土板桩结构，将其布置成两幅，宽度为13.75 m，钻孔灌注桩，桩长为20 m，道路桩基持力层地基承载力为240 kPa，长为1 m。桩基距离高铁桥墩既有桩基的安全距离大于6 d，此为新建板桩结构设计原理。

图2 方案一的设计平面图

2)方案二：通过新建路基的方式。其平面示意图如图3所示。将路基布置分为两幅，每幅宽度为13.75 m，表层路面厚度为35cm，运行时的荷载为每平方米10.5kN，路基填筑高度为39cm。

图3 方案二的设计平面图

4 方案分析

使用Foundation、Plaxis 3D软件计算这两种不同方案分别对铁路桩基和桥墩的影响。Foundation、Plaxis 3D软件主要用于岩土工程上，3D分析土层的稳定和变形问题，处理岩土工程中建造和结构的过程，其核心分析程序得到工程界和国际上学术界长期的考核和验证。独立的实体模型可以进行自动的网格划分和分割，把Founda tion、Plaxis 3D中复杂的结构和土体定义为结构模型和土体模型这2种不同的模式。通过水位表、荷载、结构对象、激活／非激活土体族等实现真实模拟开挖过程和施工过程。检查全3D地下土--结构模型的复杂内部结构细节时，可以观察输出中的全套可视化工具。

4.1 方案一分析

包含的4种不同工况，运营荷载和路面结构层、施工板、钻孔桩施工、开挖，通过不同工况分别模拟铁路桩基和桥墩的影响。以下是分阶段的计算结果：

1) 铁路桩基和桥墩几乎不受道路钻孔桩施工的影响，忽略不计。

2) 对桥墩竖向和纵向变形影响较大的是施工混凝土板，201号的纵向位移为0.38 mm，是最大的位移；202号桥墩的竖向位移最大为-0.25 mm。其对高铁桩基的作用主要表现为造成了桩基的纵向变形，承台203号桩基最大纵向位移为0.1 mm，201号的最大纵向位移为-0.12 mm。

3) 道路运营荷载及路面结构层会造成道路路面下沉，进而导致周围土体下沉，加载引起桥墩的纵向变形，同时引起铁路高架桥桥墩和桩基的竖向位移。其中201号桥墩的纵向位移最大，达到0.17mm， 202号桥墩的沉降最大，达到-0．18 mm。桩基的最大纵向位移是202号承台，为-0.09 mm， 201号承台桩基也达到了0.08 m m。

4)桥墩会纵向水平位移，这是由于开挖施工产生的土体卸载作用。桥墩203号纵向位移0.26 mm，是最大的位移。承台203号和202号的桩基纵向变形最大，分别为-0.8 mm和0.11 mm (中负号表示与实际参照的坐标方向相反，正号表示与坐标方向相同) ，这也是由开挖引起的桩基纵向位移。

表1是桥墩顶部最终变形情况。可以看出，板桩结构运营及施工引起高铁桥墩顶部的横向位移小于0．07 mm，纵向位移小于0.50 mm，总的沉降量小于0.33 mm．

4.2 方案二分析

包含的3种不同工况，运营荷载和路面结构层、路基填筑、开挖，通过不同工况分别模拟铁路桩基和桥墩的影响。以下是分阶段的计算结果：

1)路基填筑引起高铁桥墩纵向和竖向位移，桥墩路基填筑对高铁桥墩横向位移影响很小，对纵向位移影响较大，其中202号桥墩最大纵向位移为0.24 mm，竖向位移是最大的，达到-0.21 mm。纵向变形也是路基填筑对高铁桩基产生的影响，桩基203号的最大纵向位移为0.06 mm，20l号最大纵向位移为-0.06 mm，202号堆载作用相互抵消，这是因为其两侧填筑。

2)运营荷载和路面结构层加载造成高铁桥墩纵向和竖向位移，其中201号桥墩的纵向位移最大，达到0.46mm，202号桥墩的竖向位移最大，达到-0.40mm。但是这种工况对高铁桥墩横向位移几乎没有影响，相比之下，20l号桩基纵向变形为-0.13mm，是最大的数值。

3)桥墩会纵向水平位移，这是由开挖施工产生的土体卸载作用引起的。卸载引起202号和203号桥墩的桩基纵向位移，其中202号桩基纵向位移为0.08mm，203号桩基位移-0.07mm。202号桥墩竖向位移0.11 mm，纵向位移-0.27 mm。

表2是桥墩顶部最终变形情况，可以看出，201号桥墩的纵向位移最大，达到了0.65 mm，202号桥墩的竖向和纵向位移最大，分别为-0.50 mm和 -0.1 mm。

表2 各墩顶的变形情况（mm）

5 结束语

1)通过计算分析，板桩结构（方案一）道路运营及施工后桥墩墩顶最大纵向水平位移为0.50 mm(201号桥墩)，对高铁桥墩最大附加沉降为0.33 mm(202号桥墩)； 路基结构（方案二）道路运营及施工后桥墩墩顶最大纵向水平位移为0.65 mm(201号桥墩)，对高铁桥墩最大附加沉降为0．50 mm(202号桥墩)；可以肯定的是，方案一和方案二对高铁桥梁运营安全和结构安全均不会产生影响。从工期、施工难易度和造价角度上选择路基方案（方案二）。

2)当考虑对道路沉降变形控制较为严格或地基土较软弱时，可以选取方案一。因为板桩结构可以提高整体地基的刚度，所以其对高铁桩基的影响非常小，可以忽略不计。它的特点是底板上承受所有的车辆荷载，再通过底板传递到桩间和桩基土。但桩基施工也有一定的弊端，板状结构施工工艺本身较复杂，加上其对地基土的影响较大，投资较高，完成周期长，所以应综合考虑选取合理的方案。

3) 在道路运营和施工对高铁桥梁的影响允许的情况下，当地基承载力满足要求时，可以优先考虑路基方案。在选取路基填料时，可使用轻质填料或普通路基合格土换填，采用钻孔桩或挡土墙等支挡路基边坡。可以明确的是，选用道路路基方案下穿高铁桥梁，具有施工工艺投资小、工期短、操作简单的优点。

[1]TB 10621—2009／J971—2009，高速铁路设计规范（试行）[S].

[2]刘宗振,王岩.基于Plaxis 3D 的板桩墙基坑支护数值模拟[J].当代化工,2014（8）：1580-1583.

[3]武宏斌.下沉式地道下穿高铁施丁技术研究[J].铁道建筑技术．2014(5)：2l-24.

[4]李悄，孙宗磊，张军等.软土地区新建道路下穿既有高速铁路影响分析及对策[J].高速铁路技术,2013(1)：26-30．

[5]李刚.城市道路下穿高铁方案比选分析[J].广东建材,2014(6)：34-38