顶进U型槽下穿既有高速铁路桥梁方案研究

摘要 高速铁路的设计标准较高，对轨道的平顺度要求极为严格，公路下穿既有高速铁路的施工方案的选择尤为重要。以某新建高速公路采用顶进U型槽方式下穿既有高速铁路桥梁段为背景，对施工过程中对既有高速铁路桥梁的影响进行有限元分析，为工程的实际施工提供指导，并为类似新建顶进U型槽结构铁路下穿既有高速铁路桥梁提供有意义的参考。

关键词 高速公路;顶进U型槽;高速铁路;桥梁;有限元

中图分类号 U442;U298 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）09-0153-04

引言

近年来，随着国家经济的发展，人民生活水平的提高，国家加大了道路、轨道交通的建设[1]，公路与市政道路等道路工程下穿既有线的情况越来越多[2]，在公路下穿高铁时，常见的下穿方案包括路基结构、U型槽结构、桩板结构、桥梁结构等，学者们开展不同下穿方案的研究[3]，其中U型槽結构有刚度大、变形小、稳定性好、收坡支挡防水效果优良[4]等优点，在工程中应用日趋广泛。高速铁路的设计标准较高，对轨道的平顺度要求较为严格[5]。根据《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》（TB10182—2017）的规定，铁路桥梁墩台顶竖向位移（附加值）不大于3 mm，顺桥向水平位移（附加值）不大于3 mm，横桥向水平位移（附加值）不大于3 mm[6]。

为减小高速公路施工对既有高速铁路的影响，下穿段高速公路采用顶进U型槽进行防护。对顶进U型槽施工过程中对既有高速铁路桥梁的影响进行定量分析，进而得出评估结论及建议[7]，其成果可为类似工程提供借鉴[8]。

1 工程概况

1.1 基本概况

高速公路设计速度为120 km/h，路基宽度采用27 m，与哈牡客专某大桥相交，交叉处高速公路为路堑地段，采用分离式断面从哈牡客专桥下通过。单幅U型槽断面路基宽度为13.25 m，上行线与下行线断面对称布置。左幅道路从该大桥1号墩～2号墩之间穿过，交叉角度为70.0°;右幅道路从该大桥2号墩～3号墩之间穿过，夹角70.7°，顶进法施工。平面示意如图1所示。

1.2 既有高速铁路概况

哈牡客专为高速铁路，双线，有砟轨道，高速公路下穿处为某大桥孔跨布置均为32 m简支箱梁，桥梁基础结构参数如表1所示。

1.3 U型槽设计

左右两幅长度均为70 m，中间设2道伸缩缝，共三节，节长分别为20 m、30 m、20 m。U型槽结构净宽为15.4 m，边墙厚0.7 m，底板厚0.8 m。U型槽采用等高设计，左、右幅U型槽边墙高度分别为4.16 m、3.88 m。

高速公路顶进段工作坑设置在哈牡客专左侧，基坑前端距离哈牡客专中心北侧最小距离28 m。U型槽采用预制顶进施工方法。

1.4 平立面位置关系

高速公路从哈牡客专某大桥1#～3#墩之间下穿，U型槽左幅与高铁交角70°;右幅交角为70.7°，净宽15.4 m，结构外缘距离桥墩承台最近距离为2.12 m，未占压哈牡客专桥梁承台。平立面位置关系如图2、图3所示。

1.5 地质条件

桥址区处于低山丘陵区地貌单元，年平均降雨量500～800 mm。桥址区属低山丘陵区，场地地层为第四系中更新统上荒山组Q2s及华力西期晚期花岗岩组，勘测期间未见地下水和地表水。

土层可分为6层，如表2所示：

2 有限元分析

2.1 模型建立

模型中岩土材料本构采用修正-摩尔模型，通过分别定义加载弹性模量和卸载弹性模量，优化因开挖导致的地面隆起[9]。模型建模思路为首先建立各土层、哈牡客专桥梁，以此作为初始阶段;再进行分段施工，包括基坑开挖、U型槽预制、U型槽顶进、路基回填、铺设路面等，采取钝化或激活相应荷载及单元模拟相关施工阶段对哈牡客专桥梁的影响。

三维模型如图4所示：

2.2 施工步骤

根据实际施工顺序，模拟为8个施工阶段，如表3所示：

3 计算结果分析

3.1 沉降变形结果

经计算，哈牡客专桥墩各施工阶段竖向位移如表4所示，位移云图见图5。

3.2 顺桥向水平变形结果

经计算，哈牡客专桥墩各施工阶段顺桥向水平位移如表5所示，云图见图6。

3.3 横桥向水平变形结果

经计算，哈牡客专桥墩各施工阶段横桥向水平位移如表6所示，云图见图7。

经过以上分析，最大竖向位移为0.971 mm，最大顺桥向水平位移为1.246 mm，最大横桥向水平位移0.572 mm;满足《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》（TB10182—2017）3 mm的规定。

4 结论

对顶进U型槽下穿既有高速铁路进行仿真分析，主要结论如下：

（1）既有高速铁路沉降、顺桥向水平位移、横桥向水平位移最大值结果分别为0.971 mm、1.246 mm、0.572 mm，均满足规范要求，采用顶进U型槽方案下穿既有高速铁路桥梁段可行。

（2）顶进U型槽施工方案高速铁路下方土方开挖量小、桥下施工时间短、距离高速铁路桥梁净距大，有利于既有高速铁路运营的安全。

（3）竖向位移、横桥向水平位移最大值位于两幅U型槽中间桥墩，顺桥向水平位移最大值位于U型槽两侧桥墩。

（4）U型槽结构利于降低路面净高并兼具防撞作用，有利于既有高速铁路运营的安全。

参考文献

[1]王淑敏. 临近既有高铁桥梁工程对运营安全性影响分析[J]. 铁道勘察， 2016（2）： 60-63.

[2]陈力， 刁心宏， 杨守兴， 陈志亮， 章坤. 框架桥下穿既有铁路路基沉降控制标准研究[J]. 现代隧道技术， 2019（2）： 111-118.

[3]湛敏， 陶涛， 刘金国. 新建公路下穿高速铁路建设方案对比研究[J]. 铁道标准设计， 2020（S1）： 132-136.

[4]丁兆锋， 吴沛沛. U型槽结构设计与分析[J]. 铁道工程学报， 2009（4）： 13-16.

[5]王菲， 禚一. 基坑开挖对既有铁路桥基础变位的影响分析[J]. 铁道工程学报， 2012（8）： 28-33.

[6]公路与市政工程下穿高速铁路技术规程： TB10182—2017[S]. 北京： 中国铁道出版社， 2017.

[7]李吉林. 地铁盾构下穿高速铁路桥梁结构安全性评估研究[J]. 高速铁路技术， 2018（1）： 61-65+75.

[8]马海涛. 市政道路下穿既有高铁桥梁板桩防护技术研究[J]. 铁道勘察， 2018（3）： 31-35.

[9]王金艳， 王珊珊. midas GTS NX常见问题解答[M].  北京：人民交通出版社，2019.

收稿日期：2022-03-17

作者简介：马宁（1988—），男，硕士研究生，工程师，从事铁路桥梁设计与研究工作。