新建高速铁路下穿既有公路桥梁防护方案研究

杨 申,尹春燕,郑 辉,宋元印

(中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁工程设计研究院,北京 100055)

引言

近年来，随着我国基础设施建设持续推进，公路与铁路建设市场规模也不断扩大。截止2020年底全国范围内，公路运营总里程510.0万km，铁路运营里程14.6万km，其中高速铁路占3.8万km。在此背景下，公路与铁路交叉跨越的情况越来越多。尤其在西南地区，多深沟峡谷，地形条件复杂，公路与铁路多采用桥梁结构通过，其二者的立交跨越关系以及与之配套的安全防护措施的研究，越来越受到人们的重视。

1 公路与高速铁路交叉原则与形式

目前，国内现行的关于公路与高铁的交叉设计规定参见TB 10621—2014《高速铁路设计规范》[1]中第5.4.1条规定。

(1)高速铁路与其他铁路、公(道)路交叉应按全立交设计。

(2)高速铁路与其他铁路、公(道)路交叉宜采用高速铁路上跨的方式，困难条件下经过经济技术比选采用高速铁路下穿时，应采取安全可靠的防护措施。

根据以上要求，本项目在前期的可行性研究阶段即对相关工点的立交形式进行了深入比选研究：受既有公路的建设现状与结构形式的制约，结合本工点所处的地形地貌、抗震要求、气象水文、排水路由、重大管线现状等信息，经与公路建设单位、设计单位、施工单位等多方论证研究，本工点选取新建高速铁路下穿既有公路的方案。

2 项目概况

2.1 工程背景

某新建高速铁路工程正线为双线，设计速度350 km/h，跨越处即将进站，正线与联络右线并行，结构形式为高架桥梁，在1号墩至3号墩范围内下穿公路桥。上部结构采用3×32 m道岔连续梁，下部结构为圆端形实体墩，桩基础。与之配套的联络左线工程在48号墩至50号墩范围内下穿公路桥，上部结构采用单线32 m简支梁，下部结构为圆端形实体墩。

既有公路工程全长12.32 km，新建高铁下穿处公路为桥梁结构，分左右幅设计，左、右幅宽19 m，两幅间净距2 m，共计12联、35跨。高铁于公路桥第10联的26号墩至29号墩之间下穿，下穿处公路桥上部结构为一联4-40 m混凝土连续箱梁。下穿处公路桥下部结构为矩形空心墩，最大墩高76.9 m，桩基础。

西北侧距高铁联络左线36 m处为规划高速铁路，其技术标准与本线工程相同，下穿既有公路处亦为桥梁结构。按建设单位安排，本线工程需为其预留工程条件，且一并考虑该规划高铁下穿公路的相关防护措施，故本文研究的防护范围均涵盖该规划高铁。

本立交工点空间位置关系如图1、图2所示，下穿的所有高铁轨面距离公路桥梁底均达 45 m以上，净空不受限。

图1 高铁下穿公路处平面布置

图2 高铁下穿公路处立面布置(单位：cm)

目前，下穿处既有公路桥的右幅桥小箱梁已预制、架设完毕，并完成湿接缝及横梁的施工；左幅桥小箱梁预制完成，尚未架设。现已通知公路施工单位暂停涉铁桥孔处的施工。

2.2 技术标准

既有公路为二级公路，正线设计时速60 km，双向8车道，设计路基宽度40～50 m。新建和规划铁路为高速铁路，设计时速350 km，正线为双线，线间距5.0 m，采用CRTS双块式无砟轨道，铺设跨区间无缝线路。本工点高铁、公路工程采用技术标准如下。

2.2.1 结构重要性系数

既有公路桥梁结构按承载能力极限状态设计，为防范一次灾害，杜绝可能的二次灾害，以JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》[2]规定的结构破坏产生的后果严重程度为依据，并结合TB 10621—2014《高速铁路设计规范》[1]中第7.6.1条规定，该跨线公路桥梁结构和相邻边跨的安全等级均采用一级，结构重要性系数取1.1。

2.2.2 荷载标准

既有公路桥设计时，汽车荷载采用公路-I级。下穿的高铁桥均采用ZK活载。

2.2.3 高铁建筑限界

根据JTG B01—2014《公路工程技术标准》[3]第9.3.4条规定，高铁穿越公路下方时，公路跨线桥下净空应符合高铁净空标准的规定，即TB 10621—2014《高速铁路设计规范》[1]中的第3.3.6条文规定：直线段正线不应小于7.25 m，折返线和动车段(所、场)内不应小于6.2 m，同时结合新建高铁具体要求，建筑限界按高7.95 m预留。

2.2.4 抗震设防标准

本项目处在Ⅵ度震区，地震动反应谱周期0.35 s，动峰值加速度0. 05g。根据《高速铁路设计规范》中第7.6.1条规定，在满足GB50111—2006《铁路工程抗震设计规范》[4]的相关要求外，其抗震设防类别应不低于JTG/T 2231-01—2020《公路桥梁抗震设计规范》[5]公路桥梁抗震设计标准中规定的B类。

3 防护方案研究

对照《高速铁路设计规范》第7.6.2条的要求，本工点的既有公路桥梁已不满足其安全防护要求：桥梁安全防护范围内应设置2道护栏，且不低于JTG D81—2017《公路交通安全设施设计规范》[6]规定的最高防撞等级进行特殊设计。于是，既有公路桥或高铁桥需要加强其立交范围内的安全防护，如设置异物侵限监控装置、防落物网、综合接地系统以及其他附属设施，必要时增设安全限重限速等警示标志。以下就4种可行的防护方案展开讨论研究。

3.1 桥面布置

下穿处公路桥上部结构为一联4×40 m预应力混凝土先简支后连续组合式箱梁，每幅梁设置8片高2.0 m小箱梁，每片小箱梁中心距3.14 m。其横断面布置如图3所示。

图3 公路桥箱梁标准横断面布置(单位：cm)

3.2 方案1：新建刚架桥

目前，立交处的公路桥梁已完成下部施工和上部箱梁的预制工作。本方案从新建高铁尽量不影响既有公路桥梁的角度出发，充分利用已预制的箱梁，提出在既有公路桥梁双侧新建刚架桥方案。一方面，利用其主梁作为公路桥最外侧的防撞护栏，另一方面，将刚架桥主梁顶部作为增设异物侵限监控装置、防落物网的平台。同时，将原公路桥内侧防护范围内的SB级防撞护栏凿除，然后铺设钢筋网片、打孔、植筋，浇筑新的HA级防撞护栏。植筋前宜对梁体表面钢筋进行探测，以防废孔。

3.2.1 平立面布置

根据《高速铁路设计规范》相关要求，防护范围为“跨线公路桥梁结构和相邻边跨”，并结合既有公路桥梁结构，两侧新建刚架桥跨度定为4×40 m，总长163 m。刚架桥主梁采用全预应力混凝土结构，矩形空心截面，典型截面尺寸为2.5 m×3.0 m，顶底板厚0.4 m，腹板厚0.5 m。墩柱采用混凝土结构，矩形空心截面，墩顶纵横向尺寸均为3.0 m，墩身横向按1：40放坡，纵向为直坡。下部承台采用矩形承台，结构尺寸为6.5 m×8.5 m×2.5 m；桩基采用钻孔灌注桩，桩径1.5 m。空间位置及结构尺寸信息，详见图4、图5。其他安全设施与附属设施设计，详见本节后续段落。

图4 新建刚架桥方案平面布置(单位：cm)

图5 新建刚架桥方案典型横断面布置(单位：cm)

3.2.2 桥上安全设施设计

(1)安全警示标志

由于本方案需利用已架设完成的原公路梁，其设计时未考虑《高速铁路设计规范》中的关于跨线公路桥规定的标准荷载的1.3倍提高系数。所以，需严格禁止公路桥上重型和超载车辆的通行，对其他车辆的通行速度也需限制。因此，需在本段公路桥左右幅桥梁入口处设置限重标示牌和禁止超车标志，在距离铁路最外侧50 m处设置减速带等安全警示标志。车辆限重25 t，限速60 km/h。除此以外，公路桥涉铁部分桥面车道线规划为实线，即禁止变道。同时，在桥上设置电子监控系统，严禁各类违章行为，如超载、超速、违规变道等。

刚架桥主梁表面设置反光材料，利用其醒目的色彩在白天起到警示作用，在夜间或光线不足的情况下，反光效果可有效增强人眼的识别能力，引起警觉，从而进一步降低事故率。

(2)异物侵限监控装置

刚架桥上设置的异物侵限监控装置是保证下穿高铁行驶安全防护系统中重要的组成部分，当公路桥上有异物侵入高铁限界内，监测系统实时报警，并通过信息系统控制附近列车紧急制动停车，由此有效降低异物侵限灾害对高铁运营安全的影响[7-9]。

目前，关于计算异物侵限监控装置的设置范围，已有比较成熟的研究[10-11]，跨铁线路斜交示意见图6，其长度计算公式和变量如下：

图6 公跨铁线路斜交示意

(1)

(2)

式中 10.9——经有关计算，大型汽车冲出公路桥后的平均初始速度， m/s；

20°——据统计资料分析，大型汽车冲出公路桥后的初始角度[12]；

α——公路与铁路斜交角；

Dp——落物起点(也是异物监控装置始端)投影与邻近高铁建筑限界交点之间的距离， m；

LT——落物起点(也是异物监控装置始端)投影与邻近钢轨交点之间的距离，m。

将本工点各项数据代入计算得，LT=38 m，同时结合刚架桥孔跨布置，本工点采用在刚架桥主梁上通长设置异物侵限监控网的方案，高度采用《关于印发<高速铁路防灾安全监控系统—公跨铁立交桥异物侵限监测方案>的通知》[10]中的推荐长度2.0 m，每单元宽度为(1 000±10) mm，双电网传感器内置于监测网，网格尺寸为115 mm×115 mm至125 mm×125 mm，质量不大于15 kg。监测网需满足在50 kg/m2静载荷作用下不开裂，且抗风能力不小于50 m/s。其结构与位置示意见图7。

图7 异物侵限监测网与防护屏安装方案示意(单位：m)

(3)防落物网的设置

为保证高速铁路运营安全，公跨铁桥梁两侧必须设置防抛系统进行垂直隔离封闭，其位置设置在异物侵限监控网内侧。形式可根据垂直防护总高度进行选择：总高度在路面以上2.5 m范围内，可选择全封闭金属防护板；总高度在路面以上2.5～4 m，可选择防护屏或者防抛网结构[13]。本工点选择防护屏结构，材质可选择聚碳酸酯板，与异物侵限监测网中间预留不小于0.75 m间隙作为检修通道。

3.2.3 附属设施设置

(1)中央分隔带处理措施

公路防护范围内的中央分隔带间隙需采取封闭处理，以防止可能的坠物事故，保证下方的高铁安全。可采用钢盖板搭接防护，钢板通过预埋在防撞护栏中的螺栓与桥梁结构相接。当中央间隙过大时，考虑在其下方焊接板肋予以加强。

(2)综合接地

根据铁路综合接地系统的要求，铁路沿线距接触网5 m范围内的各种金属构件及跨越铁路的公路桥外露的栏杆、防落网等设施应接入综合接地系统。

(3)桥面排水

对高铁上方既有公路桥泄水管应进行封堵，公路桥通过桥面纵坡排水将水引至铁路范围以外，在公路桥跨铁路范围外一定距离内加密布置泄水管。

(4)照明

公路桥防护范围内尽量不设置照明灯具，若确需设置，灯具高度不得大于其至公路桥桥面边缘的横向距离，以防止可能的灯柱倾覆落入高铁限界内。

3.3 方案2：既有公路桥改造

为利用既有的预制完成的小箱梁，通过改变其桥面布置、提高防护范围内的防撞护栏等级以及加装方案1中讨论的异物侵限监控装置、防落物网等设施，达到整体防护目的。

3.3.1 具体措施

(1)同方案1，将公路桥上防护范围内需加强的人行道内侧防撞护栏由原SB级调整为HA级。人行道宽度由原来的3.0 m缩减至1.5 m。

(2)通过检算既有公路桥最外侧小箱梁的翼缘板是否能满足采用SS级混凝土防撞护栏的受力要求，判断增设的公路桥人行道外侧第二道护栏的形式。

①满足受力要求，则可通过向梁体植筋的方式，将新设置的SS级混凝土防撞护栏与既有桥梁结构相连接。

②不满足受力要求，则可以考虑采用墙式钢制防撞护栏。通过与上类似的植筋措施将钢制护栏混凝土底座安装在箱梁翼缘板设计位置，并预埋U形螺栓，通过法兰盘、螺母连接钢制护栏主体结构。可预制的钢制防撞护栏对梁体自重影响较小，且满足SS级护栏的防撞要求，同时经过涂装和造型设计的护栏具有良好的美观性。

(3)设置异物侵限监控装置和防落物网，其设置范围的原则与“方案1”相同。设置形式略有区别：异物侵限监控网通过L形支架与SS级混凝土护栏底部或钢制护栏混凝土底座相连，L形支架水平部分架设水平承重网，防护屏则是通过螺栓连接在护栏顶部。

本工点经过检算，符合SS级混凝土防撞护栏设置条件，其防护改造方案主要桥面布置如图8所示。

图8 既有公路桥改造方案桥面布置(局部)(单位：cm)

3.3.2 其他

其余未单独说明的内容均与方案1相同，如限速、限重安全警示标志、附属设施设置等。

3.4 方案3：换梁方案

本方案考虑拆除既有公路箱梁，重新按《高速铁路设计规范》中关于跨线公路桥规定的标准荷载的1.3倍提高系数设计新的加宽箱梁。类比方案2的通过外接L形刚架提供异物监测网与检修通道的空间，本方案通过将每片箱梁的湿接缝由原设计的74 cm调整为87.1 cm，由此将左右幅桥梁各加宽65.5 cm。其典型桥梁布置如图9所示。

图9 换梁方案桥面布置(局部)(单位：cm)

除不必设置限速、限重安全警示标志以外，其余未单独说明的内容均与方案1相同。

3.5 方案4：高铁上方搭设倒U形防护棚

不同于前文讨论的防护方案的角度，本方案通过考虑在下穿的高铁保护范围内设置封闭的防护棚，以避免上方公路的坠落车辆或其他落物，威胁高铁运营安全。该防护结构类似于铁路隧道进出口处的明洞结构，将保护范围内的高铁“罩”起，并通过桩基础与地基相联。

值得关注的是，此方案还需进一步考虑以下情况：上方公路车辆发生事故，冲出桥面后，跌至铁路防护棚顶面上，并继续滑行，然后落入高铁限界范围。所以，需要在防护棚顶部两端头处设置防撞墙，杜绝以上情况发生。

借鉴方案1中的异物侵限监控装置设置范围讨论，假设事故车辆在公路桥面上的某点冲出桥侧防撞护栏，冲出的瞬间，其与公路夹角为20°，速度为10.9 m/s，随后作自由落体运动，恰好落至铁路最外侧限界，此落点即为高铁的防护起点。以最外侧正线为例，由之前讨论可知，落物起点投影与临近的高铁建筑限界交点之间的距离DP为38 m，高铁与公路夹角为103.4°，由几何关系可求得该点与高铁(投影)、公路的交点的距离为15.6 m，该值即为一侧铁路的防护长度，另一侧同理可求得其值为16.1 m。

4 方案优缺点对比分析及适用性结论

4.1 方案优缺点对比分析

表1中简要归纳了4种方案的优缺点对比，并作相关延伸讨论。

表1 各方案优缺点对比

(1)方案1“新建刚架桥”

优点：对既有公路桥梁影响较小，尤其适用于既有公路桥梁受自身结构所限或其他外部条件干预的情况下，没有改换既有公路梁条件的工程状况。同时，其防护措施自成体系，后期维护与管理较易。

缺点：需对公路来往车辆采取限重、限速措施，影响其通行效率。不能照顾到既有公路后期可能的规划拓宽要求，且自身结构高度需要与公路墩高相匹配，当类似本工点的公路桥高墩的工程条件下，一方面自身结构需要加强分析验算，保证防护质量，另一方面，工程造价也随之增高，施工难度大。

(2)方案2“既有公路桥改造”

优点：不必新增工程，施工工艺较简单，投资较低，且可以适应公路的后期拓宽要求。

缺点：对既有公路桥梁影响较大，需充分征求公路建设单位的意见后方可实施。同样需对公路来往车辆采取限重、限速措施。从自身结构角度分析，新增的L形支架需要预埋在公路梁最外侧的防撞护栏上，存在高空作业的施工风险。而且，基于该L形支架设置的异物监测网与防护网(屏)会影响防撞护栏的整体质量，同时也对既有公路梁翼缘受力带来额外的不利影响。

(3)方案3“换梁”

优点：公路桥梁上按相关安全要求设置的每幅外侧2道防撞护栏可与公路梁整体预制，施工质量能充分保证。同时，不必对公路来往车辆采取限重、限速措施，不影响其通行能力。

缺点：造成既有公路梁废弃，并重新预制加宽梁，工程代价高，进而带来征求公路建设单位许可的难度较大。

(4)方案4“高铁上方搭设倒U形防护棚”

优点：对既有公路桥梁没有影响，无任何新增的公路工程，也不必对公路来往车辆采取限重、限速措施，满足其设计通行能力预期，在征求公路建设单位意见时阻碍较小。同时，对下穿高铁防护范围内采取了全封闭结构，最大程度上保证了其运营安全。

缺点：对于类似本工点的情况，在防护多线、高墩高铁桥梁的情况下，工程代价大，工程难度较高。且在铁路两侧设置的防护棚的地下桩基础，不可避免地会对原状地质带来扰动，需综合考虑、评估这一影响，以防铁路结构出现问题。另外，钢筋混凝土框架封闭结构景观性较差。

4.2 适用性结论

当公路建设单位条件和预算宽松的情况下，优先考虑“换梁”方案，其次选择“既有公路桥改造”方案；当公路建设单位关于对既有公路桥梁的影响容许度较低时，则可选择“新建刚架桥”方案，当下穿高铁墩高较低或路基段时，也可以考虑“高铁上方搭设倒U形防护棚” 方案。

5 推荐方案及其结构分析验证

对于本工点，方案4“高铁上方搭设倒U形防护棚”，一方面需防护的高铁桥梁墩高较高，轨面距地面平均达17 m，另一方面除联络右线与正线可共用一处防护棚外，其余铁路均需要逐一设置防护棚。综合考虑，此时方案4显然经济性较差。

对于方案2“既有公路桥改造”和方案3“换梁”，经征求公路建设单位意见，其表示不同意上 述两方案。对于方案2，反对原因为对新建公路桥梁结构造成较大影响，且后期附属设施等养护维修责任不明确。对于方案3，反对原因为造成既有公路梁废弃后，按提高的荷载标准重新设计加宽梁，总体费用过高。

综上，对于本工点，推荐采用方案1“新建刚架桥”。此方案，通过在公路桥梁两侧新建刚架桥的措施，在对既有公路桥较小程度影响的情况下，以较之其余方案的低工程代价解决了下穿高铁的防护问题，达到了保证其运营安全的目的。

6 结语

本文依托于某新建高速铁路下穿既有公路桥梁的典型立交工点，研究了可能采取的4种防护方案：方案1与方案2，从既有公路桥设置防护措施的角度，分别讨论了在其两侧新建刚架桥和改建既有公路桥的工程措施；方案3，从根源出发，用新建的符合公跨铁立交工点各项要求的梁替换原公路梁，以此达到防护目的；方案4，从在新建高速铁路下穿影响范围内设置防护措施的角度，介绍了防护概况与相应需考虑的问题。通过综合讨论4种方案的优缺点，得到一般的适用性结论。最后针对本项目的实际工程条件，给出了推荐方案及论证。