改扩建公路下穿既有高速公路安全性评价研究

文/石京杰、霍啸苏

1 前言

改扩建公路在下穿既有高速公路时，可能会对既有公路环境、安全、通行和未来拓宽改造造成影响。为避免此类问题的发生，应依据公路工程行业规范和部门规章，在设计、施工阶段进行相应的安全性评价。本文就改扩建公路下穿现有高速公路的安全评价开展研究，以期为相关设计、施工和管理提供参考。

2 泗阳县众裴一线下穿淮徐高速工程安全性评价实例

2.1 工程概况

泗阳县众裴一线现状道路在（下穿淮徐高速处—庄卢线）现状老路为双车道二级公路，设计速度60km/h，路基宽度15m，路面宽度12m。改造后道路红线宽度设计为35．5m，断面为三块板双向四车道[1]。

众裴一线与淮徐高速呈分离式立体交叉，下穿处对应G2513（淮徐高速）公路桩号为K143+500，并利用高速公路桥（姜庄高架桥）主桥桥孔下穿，与其交角为128°，桥梁斜度为38°。

2.2 符合性检查

2．2．1 线形

根据《公路路线设计规范》（JTGD02-2017）和《公路工程技术标准》（JTGB01-2014）相关条文，本项目下穿G2513（淮徐高速）处圆曲线半径及回旋线参数线的设置均符合规范要求。但在半径为573．898 的圆曲线需合理设置超高，若根据地理条件无法设置超高应采取必要的安全措施，如此段限速30km/h 并设置振荡标线、减速丘等进行强制限速[2]。

2．2．2 净高

根据《公路工程技术标准》（JTGB01-2014）对公路净高的规定“第3．61 条 3、一条公路应采用同一净高。高速公路、一级公路、二级公路的净高应为5m；三级公路、四级公路的净高应为4．5m”[1]。

本项目下穿G2513（淮徐高速）处车道净空最低为5．18m 能够满足规范要求。

2．2．3 纵断面

根据《公路工程技术标准》（JTGB01-2014）对道路纵断面的规定，本项目纵断面设计，最小凹型竖曲线半径为23330m，最小凸型竖曲线半径为25380m，最长坡长为130m。下穿高速段两侧纵坡分别为0．514%、0．417%，均满足规范要求。

2．2．4 排水

根据划分汇水区域及雨水量的计算，本工程雨水管管径采用D1000。满足规范要求。但是设计文件中应详细考虑桥梁影响范围的排水措施，做到切实有效，防止雨水在此范围淤积，并且在非机动车道上方桥梁泄水孔处设置积水管以排除高速公路雨水影响[3]。

2．2．5 安全防护措施

《公路交通安全设施设计规范》（JTGD81-2017）对桥梁护网的规定，本项目众裴一线下穿G2513（淮徐高速）处，G2513 姜庄高架桥现状没有桥梁护网，建议本次《众裴一线（徐淮高速高架桥-267 省道段）施工图设计》增加对G2513 姜庄高架桥桥梁护网的设计。

《公路桥涵设计通用规范》（JTGD06-2015）第3．2．7 条跨线桥的桥墩设置的规定下穿G2513（淮徐高速）段应设置公路路侧护栏和桥墩保护措施，建议补充对桥下公路路侧护栏和桥墩保护措施的设计。

2.3 桥梁结构验算

众裴一线改造工程下穿徐淮高速时，因道路断面的加宽，导致道路距离徐淮高速姜庄高架桥左幅桥（27+38+25）m 的6#墩、7#号墩，右幅桥（25+38+37）m 的7#墩、8#号墩较近高架桥存在安全隐患，桥梁墩台及众裴一线改造道路布置图见下图所示。

图1 本项目下穿高架桥墩台位置图

从图中可看出：改建道路虽避开了高架桥桥墩，但是左幅高架桥6#、7#墩承台、右幅高架桥7#、8#墩承台已经被改建道路的非机动车道侵入。故改建道路不可避免将对高架桥的下部结构产生影响，以下分别考虑改建道路施工时与运营时对高架桥下部结构产生的影响。

2．3．1 原结构分析

改建道路对于高架桥的影响主要体现在下部结构基础是否能够满足承载力需求，故需对原有结构进行计算分析，以提取下部桩基的桩顶反力。本报告采用有限元分析软件Midas 进行原高架桥（27+38+25）m的现浇预应力混凝土连续箱梁进行结构计算，全桥模型共计88 个节点，87 个单元，有限元模型如下：

图2 （27+38+25）m 有限元模型

根据有限元模型计算数据，按公路—I 级荷载布载，考虑墩柱及承台的重量，计算得到单桩桩顶最大作用力P 原顶=3560．8KN。

2．3．2 路基施工对高速公路桥墩的影响

依据施工方案，路基施工过程中高架桥下部基础可能出现的几种不利情况：单侧开挖机动车道或非机动车道时，承台两侧的不平衡土的重力；进行路基土回填时，对承台基础产生的竖向力；压实路基土时，因压实机械作用于承台基础上的作用力（竖向土压力及侧向土压力）。

通过计算可得，承台顶回填土产生的桩顶作用力为P土顶=77KN。

侧向土压力为P土顶=32KN。

压实机械竖向力（取18t 压路机计算）按着地面积的边缘向下作30°角扩散分布，侧向土压力计算采用机械换算成等待土层厚度进行计算，经计算压实机械产生的作用力为P机顶=121．23KN。

故施工时桩顶产生的最不利荷载为P桩顶=3560．8+77+32+121．23=3791．03KN

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）第5．3．3 条，对承台基础进行竖向承载力验算：

计算得[Ra]=4267．4KN，则，

P桩顶=3791．03KN＜[Ra]=4267．4KN

故施工期间桩基承载力满足规范要求。

2．3．3 道路运营后对高速公路桥墩的影响

为分析众裴一线改建工程建设运营后，上跨高架桥下部结构基础承载能力能否满足要求，非机动车道车辆荷载取用0．7 倍的标准车辆（55t）荷载进行验算[4]。

车辆荷载依据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）4．3．4 节按着 地面积的边 缘向下作30°角扩散分布。参照设计图纸，选取最不利左幅6#墩进行计算，承台侵入非机动车道区域长4．05m，宽1．97m，通过计算得运营期间车辆荷载传递到桩顶的反力为P车顶=98KN。

承台顶回填土产生的桩顶作用力为P土顶=77KN。

故运营时桩顶产生的最不利荷载为P桩顶=3560．8+77+98=3735．8KN

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）第5．3．3 条，对 承 台基 础进 行 竖 向 承 载 力验算：

计算得[Ra]=4267．4KN，则，

P桩顶=3735．8KN＜[Ra]=4267．4KN

故道路运营期间桩基承载力满足规范要求。

2.4 沉降观测方案评估

众裴一线改建工程设计文件中对土质路基、软基处理进行沉降变形计算，采取了相应的设计措施。影响沉降计算的因素较多，施工期必须按设计要求进行系统的沉降变形动态观测，确保已有建筑物无沉降。

根据道路运营期间结构分析计算，道路建成运营后，应对影响范围内的墩柱基础委托第三方进行监测，设有限制指标，待监测运营后一段时间结构无变位后，方可取消监测。

3 结语

通过本文具体案例，总结出公路改扩建工程下穿现有公路进行技术评价时应着重关注以下内容：首先，要对工程设计方案的符合性检验，包括对道路线形、净高、纵断面、道路排水和安全防护措施等符合法律法规与标准规范；同时，由于公路改扩建施工过程中和运营后对现有桥梁会产生影响，需要对路基施工和道路运营后对现有桥梁桥墩的影响进行结构验算；道路建成运营后，对现有桥梁桥墩基础进行监测，待监测运营后一段时间结构无变位后，方可取消监测。

另外，考虑到现有高速公路远景规划的扩建需求，高速桥梁远期改造需加设桥墩，道路改扩建工程下穿现有高速公路桥梁需为远期加设桥墩预留空间，以避免未来高速公路拓宽施工对下穿道路产生不利影响。