某国道拓宽改建下穿既有高速铁路方案研究

赵 军 王娜婷 王浩东

(1.中国石油长庆油田公司第一采油厂高桥作业区，陕西 延安 716000；2.中国石油长庆油田公司第十采油厂，甘肃 庆阳 745100)

0 引言

某国道现状道路交通需求日益增长，道路服务水平不断降低、局部路段拥堵常态化，已不能满足区域发展的需要。为满足公路沿线地区居民及企业的交通出行需求，本文在现状路网基础上，结合地区路网发展，对该国道下穿高铁拓宽改建方案进行了研究分析。

1 下穿工程概况

1.1 工点处铁路概况

国道拓宽改建下穿高速铁路特大桥1号和2号桥墩，既有高铁孔跨布置为(48+80+48)m连续梁主跨。铁路运营里程K050+684.635。本区段铁路为直线段，线路纵坡2.3‰，双线，线间距5.0 m，梁部结构为80 m的连续箱梁，梁宽13.2 m，主墩下部基础为12-1.50 m桩孔桩，承台尺寸(10.4×14.3×3)m，承台顶标高2.5 m。既有道路路面标高4.67 m，路肩边距离两侧桥墩承台角距离分别为11.5 m,4.5 m，交叉角度为38°，梁底净高不小于10.0 m。

1.2 工点处公路概况

既有国道现状线位穿越3个镇区，其功能为区域内部道路，又兼有国道的功能，有大量的过境交通，现状为双向四车道，路幅布置：3.15 m人非混行车道+3 m绿化带+15 m机动车道+3 m绿化带+3.15 m人非混行车道。

1.3 工点处管线概况

根据现场调查及收集资料，本节点处既有公路北侧存在5束非开挖信息光缆，距承台角最近一束管线距离为2.35 m，埋深0.5 m～3.5 m。管线详细信息如表1所示。下穿工点范围内的部分信息光缆与拟建桩板结构位置发生冲突，需进行改移。

表1 下穿工点处管线信息汇总

2 下穿方案设计

本项目在公路里程K4+122.23处下穿既有高铁，桥位处高铁梁底标高14.46 m～15.34 m，现状道路路面标高为4.67 m，现状地面至高铁梁底高差为9.82 m～10.7 m，根据JTG B01—2014公路工程技术标准、DB34/T 790—2008涉路工程安全评价规范综合考虑[1]，下穿净高需满足5.5 m，故本次设计对下穿高铁路段无需进行下挖处理。

既有高铁桥梁结构对桩基沉降要求严格，为避免施工设备及拓宽后公路结构自重和车辆荷载对既有高铁桩基产生附加压力，影响高铁桩基沉降及水平变形，从而进一步危及高铁运营安全[2,3]。故本次工程可行性在高铁安全保护范围内(两侧各30 m)设计方案如下：

机动车、人非混行车道均采用桩板结构下穿沪昆高铁，桩板结构每段长22 m，宽16.7 m，共10段，基础采用φ0.8 m钻孔桩。桩板结构防撞墙距离两侧桥墩承台角距离分别为5.9 m,6.6 m。路面标高4.64 m，高铁梁底标高14.46 m～15.34 m，路面至高铁梁底高差为9.82 m～10.7 m。方案布置如图1所示。

桥梁下穿段横断面布置为：2.75 m(边坡及排水边沟)+0.5 m(防撞墙)+4.0 m(人非混行)+0.5 m(分隔墩)+11.5 m(机动车道)+0.5 m(中央分隔墩)+11.5 m(机动车道)+0.5 m(分隔墩)+4.0 m(人非共板)+0.5 m(防撞墙)+2.75 m(边坡及排水边沟)=39.0 m，详细布置如图2所示。

桥面横向设2%的单向坡度。上部结构采用相同高度，桥面横坡由混凝土垫层形成；上部结构采用现浇的方法施工。桥面排水经桩板结构防撞墙内的泄水口排至道路排水边沟，路面雨水排水边沟收集后纳入统一排水系统。

3 方案安全论证

3.1 对邻近高铁桥墩影响安全性分析

选取该国道下穿既有高铁改建工点范围内的岩土及结构物，采用数值模拟方法计算道路拓宽改建工程对高铁特大桥的影响。利用Plaxis3D建立三维有限元模型，模型总长度260 m、总宽度180 m、总深度100 m。几何模型底部施加完全固定约束，两侧施加竖直滑动约束，模型表面为自由边界[5,6]。

3.1.1模型建立

模型中的土体本构模型选用弹塑性土体硬化模型(Hardening Soil Model，HS模型)，可有效模拟土体的剪切硬化和体积硬化过程，混凝土材料采用线弹性模型[4]。各土层的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。得到计算模型如图3所示。

3.1.2施工模拟及计算结果

对于道路改建工程，主要分析改建桩板结构施工对既有高铁桥墩(墩顶和承台)变形的影响，同时考虑信息套管施工对高铁桥墩(墩顶和承台)变形的影响。根据本工程特点，将本工程施工过程划分为7个工况模拟，对其进行分析计算。工况划分如下：

工况一：套管基坑开挖及支护；工况二：套管底部换填；工况三：埋设套管及回填；工况四：板结构基坑开挖及盖梁开槽；工况五：钻孔灌注桩施工；工况六：盖梁及板结构浇筑；工况七：铺装及运营。

针对前述七个施工工况的计算数据，对下穿工点处1号和2号铁路桥墩墩顶和承台总位移数据进行汇总，结果如表2，表3所示。

表2 各工况铁路桥墩墩顶过程累加位移汇总 mm

由汇总表2知，国道拓宽改建桩板结构工程施工过程中引起的铁路桥墩墩顶最大横桥向位移位于1号桥墩，最大位移0.221 mm；铁路桥墩墩顶最大顺桥向位移位于1号桥墩，最大位移-0.624 mm；铁路桥墩墩顶最大竖向位移位于1号桥墩，最大位移-0.537 mm；均未超过1 mm的控制标准。

表3 各工况铁路桥墩承台过程累加位移汇总 mm

由汇总表3知，国道拓宽改建桩板结构工程施工过程中引起的铁路桥墩墩顶最大横桥向位移位于1号桥墩，最大位移-0.115 mm；铁路桥墩墩顶最大顺桥向位移位于1号桥墩，最大位移0.323 mm；铁路桥墩墩顶最大竖向位移位于1号桥墩，最大位移-0.532 mm；均未超过1 mm的控制标准。

3.2 套管基坑开挖稳定性分析

在用Plaxis3D有限元软件模拟之前，采用同济启明星对套管基坑开挖整体稳定性、抗倾覆稳定性及坑底抗隆起等进行计算和验算[7]。其中，坑外临近超载按均布荷载计算，荷载取值20 kPa，土压力计算采用朗肯土压力理论。

基坑各项稳定性计算值汇总如表4所示。

表4 套管基坑开挖稳定性验算汇总

4 结语

1)该国道拓宽改建采用桩板结构下穿既有高速铁路的设计方案，符合道路通过铁路尽量采用下穿的原则。经模拟计算，施工及运营对铁路的影响满足要求，方案可行。

2)改建后道路最小通行净高为9.82 m，大于5.5 m，满足道路最小通行净高要求。

3)道路防撞墙外侧与铁路桥墩的最小净距为11.15 m，大于2.5 m，满足要求。

4)经计算工程施工及运营过程中，既有高铁1号桥墩墩顶最大横桥向位移为0.221 mm，最大顺桥向位移为-0.624 mm，最大竖向位移为-0.537 mm；2号桥墩墩顶最大横桥向位移为-0.217 mm，最大顺桥向位移为0.601 mm，最大竖向位移为-0.521 mm。均小于1 mm的控制标准。

5)经计算工程施工及运营过程中，既有高铁1号桥墩承台最大横桥向位移为-0.115 mm，最大顺桥向位移为0.323 mm，最大竖向位移为-0.532 mm；2号桥墩承台最大横桥向位移为-0.112 mm，最大顺桥向位移为-0.321 mm，最大竖向位移为-0.518 mm。均小于1 mm的控制标准。

6)套管基坑开挖采用拉森钢板桩围护，设计围护深度为12 m，开挖深度3 m。在开挖深度0.5 m处加一排间距6 m的609钢支撑。经验算其稳定性满足要求。