市政道路下穿高速铁路技术简述及应用

文∕戚晨辉、陈劼、代杰

1 前言

经过十多年的快速发展，高铁已成为人们日常出行的重要交通工具。纵横分布的高速铁路网络，为区域与城市发展带来新的模式与机遇的同时，市政道路工程下穿高速铁路的数量日益增多，给高速铁路的安全运营带来了空前的压力。为了适应新的形势，下穿构筑物在新建或改建及使用时，国家铁路局组织编写了《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》TB10182-2017（以下简称《技规》），统一和规范了公路和市政道路工程下穿高速铁路设计、施工及监测技术要求，以此确保高速铁路桥梁结构及运营安全[1]。本文简述了《技规》中市政道路与高速铁路交叉工程的不同下穿结构设计方案及各自适用条件，并结合《技规》要求完成了工程设计实例。

2 设计原则

2.1 下穿位置选址原则

高速铁路对轨道平顺度要求高，而目前缺少下穿高速铁路路基和隧道的工程实践经验及研究成果，《技规》中也无相关技术要求。因此，在道路前期规划中，我们需充分掌握穿越点的工程地质和水文地质条件、高速铁路桥梁与铁路设备状况等资料，并及时征求铁路运营管理部门的意见，分析下穿高速铁路的可行性及合理的方案，使下穿工程在前期规划阶段能够选定切实可行的最优路线方案。同时，路线应尽量选择从高速铁路桥墩较高且桥梁跨度较大处下穿，既可避免采用转体施工等大跨度桥梁方案上跨高速铁路路基段，大大降低工程投资，又可以最大程度保证市政道路施工、运营阶段高速铁路桥梁的安全。

2.2 下穿结构设计方案及适用条件

根据高速铁路设备状况、自然因素和地质条件、高速铁路桥梁下净空等情况，下穿结构物可有多种选择。

2.2.1 路基下穿

无论是填土荷载、路面结构层荷载还是运营荷载，都将地基传递的附加应力作用于高速铁路桥梁桩基，使铁路桩基发生变形，从而影响了轨道的平顺性。因此，只有在地质条件良好、浅挖或少填，并与高速铁路桥梁保持足够距离情况下才可考虑采用路基结构。

2.2.2 桥梁结构下穿

非岩石地基采用桥梁结构下穿的形式较采用其他结构形式的影响要小。道路桥梁桩基一般都采用钻孔桩，并保证新施工的钻孔桩与高速铁路桩基保持一定的距离，同时在承台基坑开挖前采取了可靠的防护措施，因此其施工过程及建成后运营荷载对高速铁路的影响都很小。

2.2.3 U 型槽下穿

当高速铁路桥梁桥下净空不足，但地基承载能力较好时，可采用U 型槽结构。U 型槽对高速铁路桥梁的影响主要发生在基坑开挖阶段，而在运营期对高速铁路的影响较小。

综上所述，市政道路下穿高速铁路可以采用的结构形式有：桥梁、路基和U 型槽，且不同的下穿工程结构形式对高速铁路的影响不同。在道路平、纵断面，以及道路与高速铁路桥梁的距离确定的条件下，一般而言，非岩石地基采用桥梁结构下穿对高速铁路的影响较小。如采用桥梁下穿，则其施工和运营阶段对高速铁路的影响主要发生在桩基施工和承台基坑开挖阶段。道路桥梁桩基一般都采用钻孔桩，因此只要保证新施工的钻孔桩与高速铁路桩基满足一定的距离，承台基坑开挖前采取可靠的防护措施，则其施工过程及建成后运营荷载对高速铁路的影响都很小。而路基，无论是填土荷载、路面结构层荷载还是运营荷载，都将地基传递的附加应力作用于高速铁路桥梁桩基，使铁路桩基发生变形，从而影响轨道的平顺性。因此，只有在地质条件良好、浅挖或少填，并与高速铁路桥梁又有足够距离情况下才考虑采用路基结构。除此之外，U 型槽埋深较深，底板具有良好的耐久性；同时，侧墙不仅以可承受土压力，还兼具防护高速铁路桥墩及承台的防撞功能，适用于地质条件一般的地段。

2.3 下穿结构对高速铁路桥梁安全影响分析

下穿工程主要的施工工况，如土体开挖、堆载以及运营阶段交通荷载等均会对高速铁路桥梁产生一定的影响，进而影响轨道平顺性。因此，我们需要对其主要的工况进行仿真分析，并评估其对高速铁路桥梁的影响。

3 工程实例

3.1 下穿位置概况

某市政道路工程与京广高速铁路交叉，下穿处选在铁路高架桥段。铁路桥墩均为圆端形实体墩，承台接桩基础，墩间跨度均为32m。铁路桥梁底至道路路面最小垂直距离6.8m。工程范围内地质情况较好，持力层埋深约1.5m。

3.2 方案设计

根据路网规划，市政道路宽度为33m，与高速铁路的夹角为58°。另外，交叉点处道路横断面需调整为2×16.5m，分幅从高速铁路桥下通过。

3.2.1 桥梁下穿方案

交叉点处高速铁路桥下净空较大，为采取桥梁结构下穿提供了有利条件。下穿桥梁的跨径组合不仅要满足道路桥梁桩基与高速铁路桥梁桩基中心距大于4d(道路桥梁桩基直径)，还要满足桥梁结构两端超出高速铁路安全保护区范围，从而最终确定下穿桥梁跨径组合为3×30m。道路桥梁桩基采用钻孔桩施工，其施工过程及建成后运营荷载对高速铁路的影响都很小，因此可不再评估下穿结构对高速铁路桥梁的安全影响。

3.2.2 U 型槽下穿方案

因持力层埋深浅，所需开挖深度不超过铁路桥墩承台底，故根据《技规》规定，可采取U 型槽结构进行下穿，但同时需对该结构形式的高速铁路安全影响进行评估，计算结果见图1～图4。计算结果表明：通过合理控制下穿结构与高速铁路桥墩间距，U 型槽施工和使用过程中高速铁路桥墩最大沉降值为0.04mm，小于规范允许值2mm，且纵向和水平向水平位移可忽略，故U 型槽下穿方案可行[2]。

图1 有限元模型

图2 最不利工况下高速铁路竖向位移图

图3 最不利工况下高速铁路纵向水平位移图

图4 最不利工况下高速铁路横向水平位移图

3.2.3 方案比选

两种方案均能保证高速铁路桥梁的运营安全。

桥梁下穿方案中其上部荷载通过桩基础传至地下，对既有高速铁路桥梁影响较小，但其造价偏高。

U 型槽下穿方案施工工艺简单、造价低，施工工期相对较短，可降低市政道路纵断面高程，优化了交叉点工程与铁路两侧道路的衔接顺畅程度；U 型槽底附加应力作用于高速铁路桥梁桩基，但对铁路桥梁安全性影响有限。

经综合考虑，本工程最终采用U 型槽结构下穿方案。

4 结语

市政道路下穿高速铁路工程前期规划阶段，我们需充分掌握穿越点的工程地质和水文地质、高速铁路桥梁与铁路设备状况等资料，分析下穿高速铁路的可行性以及合理的下穿结构方案，从而使下穿工程在前期规划阶段能够选定切实可行的最优方案。