市政道路下穿运营高速铁路桥梁影响分析及风险评估

李仁强

中铁九局集团第六工程有限公司，沈阳 110000

1 工程概况

浙江省衢州市衢化西路属于市政规划道路，该道路在K1+135—K1+285 区段从杭长（杭州—长沙）高速铁路江山港特大桥8#墩和9#墩之间穿过，与杭长高速铁路交角为70°55′，道路宽40 m。综合考虑衢化西路宽度、8#墩与9#墩的间距，将衢化西路机动车道设置为U 型槽，人行道及非机动车道设置在U 型槽外侧，见图1。

图1 衢州西路U型槽设计方案（单位：m）

2 有限元分析

采用有限元软件建立模型，计算分析道路施工期间、运营期间对杭长高速铁路江山港特大桥桩基和墩台的影响。

2.1 模型的建立和参数的确定

先开挖基坑，在坑底钻孔注浆加固，然后施作U 型槽底板，支模施作U 型槽侧墙。衢州西路基坑长150.0 m，宽25.0 m，深5.1 m。基坑支护采用钢筋混凝土钻孔桩和素混凝土钻孔桩，直径1.25 m，桩间距1.00 m，相互咬合0.25 m，桩长18.00 m，桩顶设置钢筋混凝土冠梁。承台采用平面单元模拟，桥梁桩基和基坑支护钻孔桩采用梁单元模拟［1］。岩土材料计算参数见表1，基坑支护钻孔桩及桥梁桩基、承台计算参数参考文献［2-3］取值，见表2。

表1 岩土材料计算参数

表2 基坑支护钻孔桩、桥梁桩基和承台计算参数

2.2 计算结果与分析

2.2.1 道路施工阶段

道路施工阶段基坑支护钻孔桩及两侧土体、桥梁桩基及承台的位移见表3。其中：水平位移为正表示向基坑侧位移，竖向位移为正表示沉降。

表3 道路施工阶段各结构位移 mm

1）支护结构及土体位移

GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》规定：基坑支护结构最大侧向位移不大于0.18%H（H为基坑开挖深度），坑外地表最大沉降不大于0.15%H。本基坑深度为5.10 m，故支护结构最大侧向位移容许值为9.18 mm，坑外地表最大沉降容许值为7.65 mm。由表3 可知：基坑支护钻孔桩最大水平位移2.43 mm，基坑两侧土体最大沉降0.72 mm，均满足规范要求。

2）桥墩桩基和承台的位移

TB 10621—2014《高速铁路设计规范》规定：桥梁墩台沉降限值为20 mm，相邻墩台沉降差限值为5 mm。由表3 可知：道路施工阶段受基坑开挖土体卸荷影响，高速铁路桥梁桩基及承台产生了向基坑侧的水平位移，土体沉降带动了桩基及承台沉降。桥梁桩基、承台最大竖向位移为0.28 mm，位移差值0.28-0.22 = 0.06 mm，均满足规范要求。虽然规范中未对水平位移作明确要求，桥梁桩基、承台最大水平位移1.00 mm 对结构安全几乎无影响。高速铁路桥梁桩基、承台均处于安全稳定状态。

2.2.2 道路运营阶段

衢州西路机动车道荷载按公路I 级荷载取值，将机动车道荷载、行人及非机动车道荷载换算成等效均布荷载，其值为35 kPa［4-5］。道路施工完成通车后，U 型槽及其两侧土体、桥梁桩基及承台的位移见表4。其中：水平位移为正表示向U 型槽侧位移，竖向位移为正表示沉降。

表4 道路运营阶段各结构位移 mm

U型槽深度为3.9 m，根据GB 50007—2011计算出U 型槽最大水平位移容许值为7.02 mm，U 型槽两侧土体最大沉降容许值为5.85 mm。由表4可见：①U型槽最大水平位移为0.34 mm；U 型槽两侧土体最大竖向位移为0.16 mm，各项位移均满足规范要求。②桥梁桩基、承台最大水平位移0.04 mm，最大竖向位移0.14 mm。水平位移对结构安全无影响，竖向位移满足规范要求，高速铁路桩基、承台处于安全稳定状态。

3 施工风险评估

风险分为风险决策和风险监控两部分。风险决策是根据风险评估结果，从风险对策集合中选定合适的对策处置风险。风险监控是指对潜在风险进行监测，并适时采取控制措施的过程。安全风险评估流程［6］见图2。

图2 安全风险评估流程

3.1 风险分析与管理

工程安全风险的分析与管理贯穿于设计、施工、运营全过程。衢州西路下穿既有运营高速铁路桥梁，安全风险涉及面广、影响因素复杂且具有动态可变性。

3.1.1 地质勘察阶段

工程地质勘察为设计提供基础资料。地质勘察引起安全风险事故的概率等级为3（偶然），事故后果等级为2（较大），安全风险等级为中度，属于可接受的风险。

3.1.2 设计阶段

本项目设计过程中的重大安全风险源为如何对既有铁路桥梁进行防护。对设计文件中的总体方案、平纵断面设计、建筑限界及基坑开挖防护进行了专项分析，辨别潜在风险。

1）总体方案。衢化西路下穿杭长高速铁路桥梁段道路仅机动车道设置U 型槽，减少了新建道路对既有高速铁路桥梁的影响。

2）平纵断面设计。下穿段道路机动车道设计净空大于5.5 m，机动车道最大坡度3.5%，非机动车道最大坡度4.5%，满足作为城市主干道的要求。

3）建筑限界。从平面来看，基坑防护桩与既有高速铁路桥梁桩基（9#墩）最小净距4.66 m；非机动车道边线距高速铁路桥梁9#墩最小净距4.64 m。建议此处对高速铁路桥墩设置隔离防护措施。从立面来看，衢化西路最小净空约7.6 m，满足道路最小净空5.5 m要求；非机动车道最小净空约4.7 m，满足道路最小净空3.5 m要求。

4）基坑开挖防护。根据设计文件，下穿段基坑采用咬合钻孔灌注桩支护兼作止水帷幕，基底采用注浆加固，基底最大沉降6.3 mm，几乎没有沉降，设计方案合理。基坑防护桩与既有高速铁路桥梁桩基（9#墩）最小净距4.66 m，注浆压力大对铁路影响较大，且对于粗圆砾土层采用注浆加固的方式很难达到设计要求［7］，建议采取其他方案封底止水。

根据以上风险辨识与分析，通过设计方案的修改完善，设计引起的风险可以规避。设计值未核查、封底止水方案不适合该工程等因素引起安全风险事故的概率等级为2（不可能），事故后果等级为3（严重），安全风险等级为中度，属于可接受的风险。

3.1.3 施工阶段

下穿段道路施工过程中可能危及既有高速铁路桥墩的重要风险源为施工挖土、堆土、注浆对既有高速铁路桥梁造成影响，施工机具触碰铁路桥梁等。施工过程中应根据条件的变化进行动态识别与防范，加强施工管理与风险监测，遵守相关法令与高速铁路营业线施工规定，落实风险防范应急预案。

施工阶段发生安全风险事故的概率等级为3（偶然），事故后果等级为3（严重），安全风险等级为中度，属于可接受的风险，但是事故一旦发生后果严重，因此须采取控制措施降低风险并加强监测。

控制措施：①为减少道路施工对既有铁路的影响，应按不同施工阶段及关键工序编制专项施工方案，并报铁路相关部门审批通过后方可实施；②施工前设备管理人员到现场确认各铁路设备的位置，并采取有效防护及临时过渡措施后方可开始施工，操作人员严格持证上岗，严格执行“一机一人”防护工作；③新建道路施工期间桥墩附近严禁堆载；④各种施工机械使用过程中时刻保持安全距离，不得触碰铁路桥墩及附属设施，增加桥墩临时隔离防护措施；⑤施工期间严禁在杭长高速铁路附近抽排地下水，做好新建道路、既有铁路及施工区域的排水工作；⑥施工期间应做好桥墩变形监测，避免因铁路桥墩变形超限发生重大风险事故。

3.1.4 运营阶段

运营阶段对既有桥梁的影响主要在于运行车辆失控冲出道路撞击铁路桥墩以及超高、超载、超速车辆对铁路桥梁梁体造成损害［8-10］。衢化西路非机动车道距离既有高速铁路9#墩较近，建议在非机动车道靠近桥墩侧设置防护设施及车辆通过限高、限载、限速标志。

运营阶段安全风险有偶发性且管理难度大，该阶段风险的规避应在建设期完善防护设施、提高施工质量，后期加强监管，严禁超限车辆通行。运营阶段发生安全风险事故的概率等级为3（偶然），事故后果等级为2（较大），安全风险等级为中度，属于可接受的风险。

3.2 风险综合评定

对各阶段安全风险进行评估分析，并采取相应的完善措施后，工程设计、施工及运营阶段风险均较低。

4 现场监测

衢化西路在道路施工阶段及运营阶段，利用激光传感器监测基坑支护钻孔桩、土体、高速铁路桥梁承台的水平位移和竖向位移，测量精度0.1 mm。

道路施工阶段位移实测值与数值模拟值对比见表5。可见：道路施工阶段基坑支护钻孔桩最大水平位移实测值与数值模拟值相差不大；基坑两侧土体最大竖向位移实测值稍大于模拟值；8#墩、9#墩承台最大水平位移实测值稍小于模拟值；8#墩、9#墩承台最大竖向位移实测值与模拟值也相差不大。

表5 道路施工阶段位移数据对比 mm

道路运营阶段U 型槽及其两侧土体、8#墩和9#墩承台位移实测值与数值模拟值对比见表6。可见：与道路施工阶段一样，道路运营阶段各项位移实测值与模拟值虽有一定差异，但相差不大。

表6 道路运营阶段位移数据对比 mm

5 结语

通过建立有限元模型分析了道路施工及运营对既有高速铁路桥梁桩基和承台的影响，为设计方案提供理论依据。

对地质勘查、设计、施工、运营各阶段的风险源进行了辨识与分析，并提出相应的控制措施，使施工步骤和施工组织更合理、施工过程中防护措施更得当，将各种潜在风险降至最低。

该工程已竣工并运营。经现场实测，道路在施工阶段及运营阶段高速铁路桥梁结构变形可控，设计及施工方案切实可行。