市政桥梁跨越铁路方案对比分析

卢裕杰

中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600

新建道路与既有铁路交叉处通常是工程建设的关键节点，一直被建设单位和铁路主管部门高度关注［1-5］。施工时要确保既有铁路的安全运营。当新建道路由于纵坡等限制条件需要从既有铁路路基或隧道上方跨越时，应结合路基、隧道的结构特点，分析既有铁路路基或隧道受新建道路的影响程度，进而确定合适的跨越位置和合理的跨越方式，这对工程项目的前期决策及后期实施均有重要作用。

新建陕西省安康市城区的长春路需跨越襄渝铁路，有上跨铁路隧道和上跨铁路路基两种道路走向方案，本文对既有铁路路基或隧道受上跨道路的影响进行对比分析，为工程决策提供技术支持。

1 工程概况

新建安康市城区长春路为双向六车道城市主干道，设计车速50 km/h，全长约4.35 km，是安康市长岭、月河片区开发的先导工程，属于城市建设重点项目。道路总体呈东西走向，其中西段与既有襄渝铁路上下行线交叉，从铁路路基或铁路隧道上方跨越（图1）。

图1 长春路跨越襄渝铁路位置示意

襄渝铁路是国铁Ⅰ级客货共线电气化铁路。项目跨越位置处于安康—月河区间，设计速度160 km/h，线间距约15 ～40 m，采用碎石道床、60 kg/m 钢轨。隧道为双洞单线马蹄形复合式衬砌结构。下行线长枪岭隧道于1973 年5 月竣工，存在裂缝、渗漏水等病害；上行线新长枪岭隧道于2009 年1 月竣工，衬砌结构较好。

跨越位置覆盖层为第四系冲积层黏土及卵石土。黏土厚5 ～15 m，Ⅱ级普通土。卵石土厚5 ～55 m，Ⅳ级软石，卵石层局部相变为中细砂夹卵石。下伏基岩为绢云母片岩，岩体破碎，片理发育。

2 铁路路基受上跨道路的影响

新建道路从既有铁路路基上方跨越时，为了降低施工过程对铁路正常运营的影响，通常采用转体桥的方式［6-8］。跨越路基的转体桥主桥采用 85 m 跨度 T 构连续梁，单箱双室箱形截面，刚构体系。转体桥与襄渝铁路上行线夹角51.3°，双幅分离设置，单幅桥宽17.5 m，净间距5.0 m，左线主墩Z1与襄渝铁路下行线净距约15.9 m；右线主墩Y3与襄渝铁路上行线净距约11.3 m。转体桥平面布置如图2所示。

图2 跨越路基的转体桥平面布置（单位：m）

在跨越路基的转体桥施工过程中，由于主墩尺寸较大，其基坑开挖会使铁路路基产生变形，如横向差异沉降、纵向不均匀沉降等，进而引起轨道的几何不平顺。为确保铁路行车安全，根据TG/GW 102—2019《普速铁路线路修理规则》，钢轨的横向差异沉降以及10 m弦长的纵向不均匀沉降均应控制在4 mm以内。

以距离铁路最近的主墩Y3 为例，其采用空心桥墩，承台为八边形。基坑开挖深度约6.3 m，采用直径1.3 m 钻孔灌注桩作为围护结构，防护桩与铁路中心距离约9.6 m，如图3所示。

图3 主墩Y3基坑与铁路竖向位置关系（单位：m）

利用MIDAS/GTS 建立数值模型，对转体桥主墩Y3 基坑施工过程进行仿真分析。从与铁路垂直的基坑开挖中心延长线上选取襄渝铁路上下行线各2根钢轨共4个节点，各节点的竖向位移曲线见图4。横坐标施工阶段1—4 分别代表基坑开挖、转体桥桩基施工、承台施工、上部结构施工；纵坐标正值表示隆起，负值表示沉降。

图4 施工过程中既有铁路各节点竖向位移曲线

由图4可知：既有铁路上各节点均发生了沉降，趋势基本一致；随着施工的进行各节点的沉降均逐渐增加但增加幅度较小，这说明沉降主要发生在基坑开挖阶段；随着与基坑距离的增加节点沉降明显减小，以桥梁上部结构施工阶段为例，从远离基坑的襄渝铁路上行线轨道1节点的2.03 mm 降至靠近基坑的襄渝铁路下行线轨道2 节点的0.70 mm；由于同一线路两钢轨之间的距离小，钢轨之间的横向差异沉降不大，最大值仅约0.14 mm。

从襄渝铁路上下行线各选取1 根钢轨，其纵向位移曲线见图5。可知，转体桥主墩的基坑开挖使得既有铁路钢轨以基坑开挖位置为中心形成了沉降槽，线路发生纵向不均匀沉降，但总体上10 m 弦长的纵向不均匀沉降均不超过4 mm，满足铁路安全运营要求。

图5 既有铁路钢轨纵向竖向位移曲线

通常转体桥的主墩应布设在铁路安全保护区以外。根据《铁路安全管理条例》，安全保护区至少为铁路中心线两侧8 m 范围。因此，在该范围以外进行主墩的布设，当基坑深度不超过基坑与铁路的水平距离时，通过采取合理的基坑支护措施可控制轨道的几何不平顺在限值之内。

3 铁路隧道受上跨道路的影响

新建道路从铁路隧道上方跨越主要有路基和桥梁两种方式。考虑到襄渝铁路为国家重要干线铁路，且既有隧道衬砌存在裂缝病害，若采用路基直接跨越隧道的方式，长期的车辆荷载反复作用对隧道影响相对较大［9-10］。因此，采用装配式预应力混凝土小箱梁桥实现跨越。

综合考虑现场条件以及道路纵向的总体布置要求，跨越隧道的桥梁（图6）采用40 m 跨径，整幅布置，总宽度为40 m。桥梁梁底与既有隧道拱顶最小净距为13.1 m，既有隧道上方最大开挖高度约为11.7 m。桥梁下部采用直径1.8 m 的钻孔灌注桩，桩基与既有隧道之间的最小净距按照不小于1 倍隧道外径考虑，约12.0 m。

图6 跨越隧道的桥梁立面布置（单位：m）

在新建桥梁施工和运营过程中，既有隧道主要受到上方山体的开挖卸载作用以及桥梁桩基开挖、运营荷载的不利影响。当上方开挖时隧道受到卸载作用产生向上的拉伸变形，隧道周边的拱作用减弱，隧道衬砌上的荷载增大；桥梁桩基入土过程中会排挤一定体积的土体，扰动附近土层，改变土的应力状态；运营过程中上部结构荷载增加并通过桩基础向下传递，可能引起周围地层的附加变形。上述影响均有可能导致既有隧道产生衬砌变形、开裂、轨道不均匀沉降等。

建立三维有限元模型，对山体开挖卸载与桩基施工运营两种工况进行分析，评估既有隧道受新建桥梁的影响程度。

以既有长枪岭隧道为例，作其拱顶和轨面在山体开挖卸载、桩基施工运营两种工况条件下的纵向变形曲线，见图7。

图7 长枪岭隧道拱顶和轨面竖向位移曲线

由图7可知：上部山体开挖卸载、桩基施工运营荷载对既有隧道产生不同的影响。上部山体的卸载作用使得既有隧道衬砌上浮，在拱顶处位移最大，为3.72 mm，从拱顶至仰拱逐渐减小，在轨面处位移最大值降低至1.76 mm。桩基开挖运营荷载使既有隧道产生附加沉降，但由于桥梁桩基距离隧道位置较远，既有隧道沉降相对不大，其中拱顶处沉降最大值为0.80 mm，轨面处仅为0.49 mm。

综上，当桥梁桩基距离既有隧道1倍洞径以外时，既有隧道主要受到上部挖方的影响。一般采用桥梁跨越既有隧道时桥跨的布置相对较为灵活，选择远离隧道1倍洞径以外布设桩基是有条件实现的。挖方主要取决于道路的总体纵向布置，因此成为决定桥梁上跨隧道方案的控制因素。对不同挖方条件下既有隧道所受影响进行分析，得到既有隧道拱顶变形与挖方深度和原覆土深度之比K的关系曲线，见图8。

图8 不同挖方深度的既有隧道拱顶竖向位移曲线

根据工程经验，当既有隧道衬砌结构变形超过5 mm 时可能会威胁既有结构的安全［11］。以此作为控制值，可得当既有隧道上部挖方超过原覆土厚度的58%时不宜采用桥梁方式跨越既有隧道。

4 两种跨越方案的对比分析

前述研究表明，跨越路基及隧道的桥梁方案均符合现行规范要求，能够确保既有铁路的运营安全。但是对于不同的跨越方案，铁路路基和隧道所受到的影响不同，具体对比见表1。

表1 路基和隧道受上跨桥梁影响的对比

跨越隧道的桥梁方案虽然在工程投资上占优势，但其对隧道的影响时间、程度均较大，对周边环境的改变也大。从最大限度降低新建工程对既有铁路影响的角度出发，选择跨越路基的转体桥方案。

5 现场实践情况

2019 年12 月转体桥主墩Y3 基坑施工完成，2020年9月成功转体。施工期间，主墩Y3基坑靠近铁路侧周边沉降最大值为3.0 mm，铁路的正常运营未受到影响。实践表明，新建道路采用跨越路基的桥梁方案，既有铁路的安全得到了充分保障。

6 结论

1）跨越路基的桥梁对既有铁路的影响主要发生在主墩基坑施工期间，可能导致轨道几何不平顺性。在铁路安全保护区外进行主墩施工，基坑深度不超过基坑与铁路的水平距离时，铁路的正常运营不受影响。

2）跨越隧道的桥梁，当桩基布设于1 倍隧道洞径以外时，既有隧道主要受到上部挖方的影响。若挖方较大，超过原覆土厚度的58%时，不宜采用跨越隧道的桥梁方案。

3）经对比分析，跨越隧道的桥梁方案在工程投资上占优势，而跨越路基的桥梁方案对铁路的影响时间、影响程度相对较小，对周边环境的改变也小。

4）工程实践证明，采用跨越路基的转体桥方案，既有襄渝铁路的安全和正常运营得到了保障。