城市道路下穿高铁高架桥的分析与研究

张志勇

中铁四院集团广州设计院有限公司

1 引言

近些年来，我国的高速铁路得到了飞速的发展，城市之间铁路客运越来越便捷，高速铁路网覆盖范围越来越大。地方新建或改扩建城市道路与既有高速铁路交叉时，为保证高速铁路结构安全和高速铁路的正常运营，总体规划道路的平、纵线位与既有高速铁路之间应采取可靠的交叉方案，由于高速铁路对位移非常敏感，微小的位移变化都会影响到结构安全和轨面的平顺性与稳定性[1]，严重时可能会引起不可估量的安全事故。

2 工程案例

广东顺德清远英德经济合作区徳民路扩建工程，对既有的旅游大道进行扩建改造。扩建的徳民路按城市主干路标准进行建设，设计速度60km/h，标准段道路红线宽度55，双向8车道，道路中线与铁路夹角为62°。原旅游大道在既有京广高铁马鞍山特大桥的108#和109#桥墩之间下穿，扩建后的德民路以分离式路基在大桥的108#～110#两孔桥墩之间下穿，下穿铁路高架桥孔跨度为标准32m简支箱梁。下穿高铁区域，地形较平坦，地表为杂填土，土层厚度约1m，杂填土下为残积粉质粘土层，土层厚度约16m。铁路桥墩为矩形实体墩，墩高9m，断面尺寸为6.8m×3.0m，桥墩承台覆土厚度约2m，承台尺寸为9.4m×5.8m×2.0m，桩基采用1.25m钻孔桩。

3 结构安全分析

3.1 荷载工况分析

本工程案例中，新建道路下穿既有高铁高架桥时，高铁桥梁结构验算时主要考虑的附加荷载为汽车荷载与路基填挖方。计算时考虑将汽车荷载换算成均布土层厚度，在根据库伦土压力理论，计算出附加荷载工况作用于高铁承台的主动土压力，然后将主动土压力换算成作用于铁路的墩身外荷载。汽车荷载的换算以及主动土压力的详细计算参考相关规范[2][4]。

3.2 建模计算

3.2.1 不同荷载工况下高铁桥墩的内力响应

本文采用铁路桥梁设计软件《铁路桥梁工程师3.0》进行涉铁段全桥模拟，研究不同的荷载工况对高铁高架桥的影响，本文只提取108#和109#桥墩墩顶顺桥向与横桥向位移以及沉降值进行对比分析，墩顶位移和沉降值以全桥模型的数据作为参考依据，其中墩顶位移包含了基础产生的位移，表中数据前的正、负号只代表方向。

表1 3种荷载工况下108#桥墩墩顶位移及沉降值对比

表2 3种荷载工况下109#桥墩墩顶位移及沉降值对比

表3 换算土层厚度变化时108#桥墩墩顶顺桥向位移及沉降对比

小结：

（1）下穿道路扩建前的数据与建模验算的数据对比可知，原道路两侧的108#和109#桥墩，由于附加荷载的作用使墩顶顺桥向位移和沉降值变大。

（2）下穿道路扩建前与扩建后的数据对比以及在计算主动土压力的过程中可知，原道路两侧桥墩在汽车荷载不变的情况下，对于108#桥墩，扩建后道路填方厚度增加0.4m，计算结果显示扩建后墩顶顺桥向位移和沉降值变大；对于109#桥墩，扩建后道路挖方厚度增加0.1m，计算结果显示扩建后墩顶顺桥向位移和沉降值略微变小。

（3）上述2个表格的计算数据可知，由库伦土压力理论简化计算的附加荷载主要作用于桥墩的顺桥向和竖向，因此计算结果均显示各个桥墩横桥向位移基本保持不变；与此同时，在本工程实际案例中，虽然由于附加荷载的作用，导致了桥墩顺桥向位移和沉降的变化，但是变化量很小，且最终的计算结果均小于设计允许值，所以本实际工程中，既有道路的扩建设计在理论上不会影响京广高铁的正常运行。

3.2.2 换算土层高度变化时高铁桥墩的内力响应

本节以下穿道路扩建后的全桥模型为基础，以108#桥墩为研究对象，在其他荷载条件不变的情况下，仅考虑桥墩一侧换算土层厚度变化时，桥墩墩顶顺桥向位移及沉降对比。换算土层厚度以0.5m为倍数从0m～3m进行变化，将计算出的主动土压力换算成桥墩墩身外荷载进行加载（见表3）。

小结：

表3数据显示，随着换算土层厚度的增加，桥墩墩顶顺桥向位移显著增大，两者之间的变化趋势几乎呈线性关系。这种趋势显示当换算土层厚度增加到4m左右时，墩顶顺桥向位移就会超过允许值，从而影响高铁的正常运行。实际施工过程中，应避免不合理的施工工艺和措施，严禁在铁路桥墩侧堆载。

4 结论及建议

4.1 设计方案

（1）对于道路下穿既有高铁高架桥的项目，涉铁段的设计和施工均应由具备相关铁路资质的单位进行设计与施工，且设计方案和施工方案均需报相关铁路管理部门进行评审。

（2）项目可研阶段，设计单位应合理规划好道路线性，确定最优下穿方案。平面上，尽量使道路线路正交下穿铁路，条件受限制时，道路与铁路的斜交角度不宜超过60°；纵断面上，尽量保证下穿范围道路路基浅挖浅埋，道路限界不满足的情况下还需要在高铁桥下道路两侧设置限高防护架；横断面上，可以考虑分幅布置，分别从不同的孔跨下穿，路基下穿时，下穿范围可以考虑采用SS级防撞墙与混凝土底板组成的U型槽结构形式[5][10]。

4.2 施工措施

（1）对于道路下穿既有高铁高架桥的项目，应采取技术可靠、工艺成熟对现状地基土扰动较小的施工工艺。基坑开挖应分层、对称实施，堆土应弃置于铁路影响范围以外，严禁在铁路安全保护区抽地下水。

（2）道路路基下穿高铁桥时可考虑用整体式混凝土路面代替路基基层，严禁使用大型施工机械对铁路桥下路基进行碾压或夯实。

（3）施工过程中可以考虑水木马对高铁桥墩进行防护，并对轨道，桥墩以及施工基坑进行全过程的全自动监测。对于存在危险源或者影响高铁安全运行的重要工程节点，应进行安全评估并制定应急预案。