某城市道路下穿既有铁路桥梁施工安全影响分析

万 巧 吴 彪 王 杰

(1.中南勘察设计院(湖北)有限责任公司 武汉 430074; 2.中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063)

随着铁路网和公路网的不断延伸，公路与铁路交叉工程日趋增多。作为国家运输的大动脉，为保证铁路运营的安全性和旅客的乘车舒适度，城市道路工程与其交叉时，必须采取稳妥可靠的交叉方式、结构形式及施工方法[1-2]。由于现阶段并没有相关的规范定量地指出在城市道路施工期间，因临近既有铁路施工而影响铁路力学性能的相关指标，因此在相关城市道路工程实施时，难以准确地体现道路施工及运营是否对铁路正常运营带来安全隐患。因此在进行与铁路交叉的道路设计时，应全面调查铁路现状，充分考虑道路的施工条件、机具配置及工程规划；同时，由于铁路对沉降位移较为敏感，因此还应对道路施工、运营期间对既有铁路的影响进行安全性分析检算[3-4]。

下面以某城市道路下穿既有铁路桥梁为例，对其安全性影响进行分析，以期对类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 项目概述

某城市道路以框架涵的形式从既有怀邵衡铁路某桥梁4号墩和5号墩之间下穿，交叉处道路里程为K0+533.23，铁路里程为DK193+482.318，二者斜交角为74°；同时也从既有娄邵铁路某桥梁4号墩和5号墩之间下穿，交叉处道路里程为K0+551.12，铁路里程为K086+624.673，二者斜交角为72.3°，具体位置关系见图1。

图1 道路与铁路平面交叉关系图(单位：里程，m；尺寸，cm)

1.2 设计方案

根据规划及总体设计资料，该城市道路采用框架涵方案下穿铁路桥梁，道路与怀邵衡铁路桥梁相交处立面关系见图2。

图2 道路与怀邵衡铁路立面位置关系图(单位：高程、里程，m；尺寸，cm)

框架涵长度60 m，涵内净空为12.0 m×6.0 m，框架涵采用现浇法施工，施工前采用支护桩保护既有铁路桥梁基础。城市框架涵防护桩与铁路桩基最小中心距3.28 m，框架涵施工基坑深7.67 m。框架涵基坑距离怀邵衡铁路桥梁4号墩承台底的高差较大，因此需要针对工程施工造成的影响进行定量分析计算。

城市道路与娄邵铁路桥梁相交处立面关系见图3。框架涵防护桩与铁路桩基最小中心距1.96 m，框架涵施工基坑深6.32 m。框架涵基坑距离4号墩较近，且基坑开挖较深，基坑施工过程中可能导致4号墩桩基周围土体有较大变形，因此需要针对工程施工造成的影响进行定量分析计算。

图3 道路与娄邵铁路立面位置关系图(单位：高程、里程，m；尺寸：cm)

1.3 地质情况介绍

交叉范围内主要地层分布如下。

1) 第四系冲积洪积相沉积层(Q4al+pl)。(2)5-3粉质黏土：黄褐色、褐黄色，可塑，土质较均匀，层厚1.4～13.5 m，σ0=150 kPa。

2) 下伏基岩。(16)1-3灰岩。灰白色、青灰色、灰黑色，弱风化，岩芯较完整，σ0=800 kPa。

2 评价标准

既有怀邵衡铁路与娄邵铁路运营车速为200 km/h，高速行车时要求轨道具有高平顺性，其桥梁对结构受力及沉降、变形的要求较高[5]。道路框架涵实施过程中，主要对铁路桥梁顺桥向及竖向变形产生影响，本文参考国内类似工程经验[6-7]，结合相关工程规范，制定如下变形控制指标及标准。

2.1 铁路构筑物(桥梁)沉降要求

根据TB 10621-2014 《高速铁路设计规范》7.3.10条文规定：墩台基础的沉降应按恒载计算，其工后沉降量不应超过表1(规范表7.3.10)限值[8]。本工程涉及怀邵衡、娄邵铁路为有砟轨道，因此控制的墩台均匀沉降为30 mm，相邻墩台的沉降差为15 mm。

表1 静定结构墩台基础工后沉降限值

注：超静定结构相邻墩台沉降量之差除应满足上述规定外，尚应根据沉降差对结构产生的附加应力的影响确定。

2.2 轨道平顺性评估标准

根据铁运[2013]29号《高速铁路有砟轨道线路维修规则(试行)》要求的线路轨道静态和动态几何尺寸容许偏差管理值作为控制标准[9]，见表2。

表2 200～250 km/h线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值

注：竖向和轨向偏差为10 m及以下弦测量的最大矢度值；扭曲偏差不含曲线超高顺坡造成的扭曲量。

本项目怀邵衡、娄邵正线为有砟轨道高速铁路，设计车速为200 km/h，在“经常保养”状态下，线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值，轨道竖直方向(10 m弦测量的最大矢度值)为5 mm，轨向偏差为4 mm；在保养标准I级状况下的轨道动态质量容许偏差管理值，轨道高低为5 mm，轨向偏差为5 mm。

3 道路施工安全影响分析

根据前文所述，城市道路框架涵施工过程中主要对娄邵和怀邵衡铁路4号和5号桥墩基础影响较大，为保证铁路桥梁的安全，需要在交叉范围内针对娄邵和怀邵衡铁路4号和5号桥墩的基础进行定量分析。

3.1 计算模型说明

本文采用midas GTS NX有限元程序针对城市道路工程下穿娄邵和怀邵衡铁路桥梁进行了模拟计算，分别分析了基坑开挖、道路施工及运营对娄邵和怀邵衡正线4号、5号桥墩的影响。由于工程主要关注道路施工对铁路桥梁下部结构的影响，为减小模型复杂程度，只建立铁路桥梁下部结构模型，桥梁梁体及上部荷载的作用通过在桥墩墩顶施加荷载来代替。

建立的三维有限元计算模型中包括土层、铁路桥梁基础、道路开挖防护桩及横撑等组成部分，几何模型如图4所示。模型中桥梁承台和桥墩采用线弹性的钢筋混凝土实体单元模拟，铁路桩基与防护体系横撑采用梁单元模拟，防护排桩等效为板单元模拟。土层的应力、应变关系均采用修正Mohr-Coulomb弹塑性模型；混凝土、钢材的应力应变关系均采用理想线弹性模型。模型底部施加固定约束，在两侧施加竖直滑动约束，模型表面则取为自由边界[10]。

图4 计算几何模型

3.2 计算结果分析

道路框架涵施工过程中，主要对铁路桥梁的基础沉降及轨道平顺性产生影响，因此，本文主要针对道路施工对铁路桥梁顺桥向、横桥向和竖向产生的位移计算结果进行分析。

按照实际施工步骤，计算分4步进行：①施加重力及高铁桥梁墩顶力，地应力平衡；②基坑支护体系施工[11-12]；③基坑开挖；④框架涵、基坑回填并施加运营荷载。

各阶段累计附加顺桥向、横桥向和竖向位移见图5。

根据上述计算结果并结合评估标准分析如下。

1) 桥梁基础沉降。《高速铁路设计规范》中规定：对于有砟轨道，控制的墩台均匀沉降为30 mm，相邻墩台的沉降差为15 mm。

计算结果显示，怀邵衡铁路桥梁累计附加最大竖向位移为-0.06 mm(沉降)，娄邵铁路桥梁累计附加竖向位移最大0.19 mm(隆起)，均不超过规定墩台均匀沉降控制值的0.6%；怀邵衡铁路4号与5号桥墩累计附加最大竖向位移差为0.02 mm，娄邵铁路4号与5号桥墩累计附加最大竖向位移差为0.12 mm，均不超过规定相邻墩台沉降差控制值的0.8%。可见本方案对铁路桥梁沉降影响较小。

图5 位移变化图

2) 轨道平顺性。根据《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》[13]条文说明3.0.3，桥墩位移值与轨道高低、轨向的关系曲线见图6。本设计方案引起既有铁路桥墩产生竖向位移最大为0.19 mm，横桥向位移最大为0.27 mm，反映至轨道上高低不平顺性为0.03 mm，轨向不平顺性为0.04 mm。

①高低偏差。在“经常保养”状态下，线路轨道静态几何尺寸容许高低偏差管理值为5 mm；在保养标准I级状况下的轨道动态质量容许高低偏差为5 mm。

计算结果显示，铁路桥梁各阶段累计附加轨道高低偏差最大为0.03 mm，占静态高低偏差控制值的0.6%，可见道路施工对铁路线路轨道高低偏差不平顺性影响较小。

图6 铁路桥墩位移与轨道平顺性指标关系曲线

②轨向偏差。在“经常保养”状态下，线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值中，轨向偏差为4 mm；在保养标准I级状况下的轨道动态质量容许轨向偏差管理值为5 mm。

计算结果显示，铁路桥梁各阶段累计附加轨向偏差最大为0.04 mm，占静态轨向偏控制值的0.8%，可见道路施工对铁路线路轨道轨向偏差不平顺性影响较小。

需要指出的是，由于有限元计算与实际施工情况不可能完全一致，且实际施工中材料的力学参数也存在一定的离散性，因此，计算结果仅起定性的参考作用，在实际施工时应加强对铁路桥墩基础沉降和位移的监测。

4 结论与建议

1) 定量计算分析表明，道路框架涵各施工阶段累计附加沉降最大值为0.19 mm，仅为规范规定的墩台均匀沉降控制值的0.6%；道路框架涵各施工阶段累计附加沉降差最大值0.12 mm，仅为规范规定的相邻墩台沉降差控制值的0.8%。道路施工对铁路桥梁沉降影响较小。

2) 道路框架涵各施工阶段铁路轨道累计附加轨道高低偏差最大为0.03 mm，占静态高低偏差控制值的0.6%，道路框架涵施工对铁路轨道高低偏差不平顺性影响较小。

3) 道路框架涵各施工阶段铁路轨道累计附加轨向偏差最大0.04 mm，占静态高低偏差控制值的0.8%，道路框架涵施工对铁路轨道轨向偏差不平顺性影响较小。

4) 建议在道路施工前对铁路桥墩编制沉降和位移监测方案，在施工时加强对铁路桥梁基础及墩身的变形监测。监测结果应及时反馈至有关单位，一旦监测结果超过监测方案中规定的变形控制值，应立即停止施工，并对列车进行限速处理，待轨道平顺性恢复后方可恢复正常运营。