新建公路桥梁下穿运营高速铁路桥梁的安全性影响分析

陈时玉

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

近年来，国家对基建工程的发展尤为重视，随着城市规模的不断扩大和高速铁路的快速发展，不可避免地出现对既有公路的拓宽改造以及公路与铁路交叉的情况。高速铁路桥梁墩高一般较高，新建公路常采用下穿的形式穿越铁路营业线。针对公路下穿铁路桥梁所产生的影响，国内学者已经做了大量研究。张志国分析了新建路基施工产生的地层扰动与变形会对既有高铁桥梁运营安全产生的影响。刘长伟依托某工点下穿既有线桥梁工程，运用有限元软件分析了CFG桩复合地基施工、轻质土路堤填筑以及后期运营对已有桥墩桩基的影响。

1 工程概况

新建桥梁全宽21.13~24.26 m，右幅设计线与在建南沿江城际铁路线路中心线交角约为22°。与南沿江城际铁路最小桩间距为10.531 m，右幅护栏外缘距南沿江城际铁路25#墩最小距离2.521 m，铁路桥下道路最小净空为6.391 m。受施工空间限制，下穿南沿江城际铁路位置处组合箱梁无法采用架桥机架设，架梁时采用双台300 t汽车吊进行抬吊，吊机工作半径按10 m控制，吊臂与南沿江城际铁路桥梁梁底按1.5 m控制，吊臂与南沿江城际铁路桥墩最小距离按2.5 m控制。

既有S232路基段下穿南沿江城际铁路范围内填土高度1.87~3.487 m。拆除路基边缘与在建南沿江城际铁路26#墩承台边缘最小距离为3.487 m，开挖深度1.44~1.75 m。与在建南沿江城际铁路桥墩27#墩承台边缘最小距离为7.691 m，开挖深度0.93~1.22 m。与在建南沿江城际铁路桥墩28#墩承台边缘最小距离为44.543 m，开挖深度1.12~1.35 m，如图1~图3所示。

图1 既有道路与26#墩相对位置关系

图3 既有道路与28#墩相对位置关系

在建江苏南沿江城际铁路为双线电气化线路，线间距5.0 m，60 kg/m钢轨，无砟轨道。与本项目交叉处为跨沪宁城际高铁特大桥，新建S232拟下穿处跨沪宁城际高铁特大桥上部结构为（60+100+100+60）m变截面PC连续箱梁桥，下部结构中墩均为圆端型实体墩，每个桥墩11根钻孔灌注桩基础，桩基直径为2.0 m；边墩均为圆端型实体墩，每个桥墩10根钻孔钻注桩基础，桩基直径为1.25 m。桥梁底至地面最小净空约18.35 m。

图2 既有道路与27#墩相对位置关系

桥址所在区域为长江中下游冲湖积高亢平原工程地质区。区内主要为农田及工厂，地势平坦，一般地面标高为5.1～5.6 m，在京杭运河堤顶位置标高在6.5 m左右。场区内土层主要为素填土、淤泥质粉质黏土、泥炭土、粉土、粉质黏土、粉砂、黏土。地下水位较浅，标高约为-2.0 m。

2 有限元分析

2.1 计算分析软件以及本构原理

新建工程施工过程等采用有限元分析软件Midas-GTS进行模拟计算，GTS NX 是一款基于C++语言编程、以有限元理论为基础的岩土分析软件。程序提供了静力分析、动力分析、渗流分析、应力-渗流耦合分析、固结分析、施工阶段分析、边坡稳定性分析等多种分析方法。

对于混凝土结构，采用各向同性材料模拟，各向同性材料在任意方向具有相同的性质。线弹性各向同性材料以胡克定律为基础，除一些特殊单元外，可以用于所有单元。

施工过程采用有限元分析软件Midas-GTS进行模拟计算，在Midas-GTS中采用单元的生死技术有效地模拟围岩土体的开挖和加载过程。计算时岩土的塑性本构模型采用修正摩尔-库伦模型，该模型主要适用于在单调荷载作用下颗粒状材料，在岩土工程中应用广泛。

2.2 计算模型

有限元计算采用三维空间模型，土体、铁路桥墩采用实体单元模拟，桥桩采用桩单元模拟，新建桥梁的盖梁、墩柱和系梁采用梁单元模拟，既有道路路基采用实体单元模拟。使用单元的生死来模拟路基的挖除过程。为了消除约束边界对计算结果的影响，计算模型范围是450 m×220 m×100 m。建模范围按照新建工程桥墩距离铁路梁边缘线不小于30 m考虑，如图4。

图4 有限元模型图

2.3 计算参数

材料参数主要包含粘聚力、内摩擦角、切线和割线模量以及卸载模量等，各参数取值如表1。

表1 各土层物理力学参数

3 计算结果汇总

S232省道下穿南沿江城际铁路的累计附加竖向、纵向以及横向变形折线图如图5~图7所示。计算结果中，竖向变形正值代表上浮，负值代表下沉；纵桥向变形中，正值代表从小里程向大里程变形，负值相反；横桥向变形的正值代表向大里程向右侧变形，负值相反。以下结果均是施工引起的桥墩累计附加变形，不包括铁路桥梁工后沉降。

图5 南沿江城际铁路桥墩累计附加竖向变形图

图7 南沿江城际铁路桥墩累计附加横向变形图

从图中可以看出，既有道路路基挖除和常州S232省道桥梁施工对于南沿江城际铁路相关桥墩均产生了一定影响。在南沿江城际铁路施工完毕之后，施工常州S232省道相关桥墩，及上部梁体，会使得桥墩产生一定附加沉降，同时，产生一定的附加纵横向变形。

在附加竖向位移方面，南沿江城际25#桥墩受到施工的影响最大，且随着省道桥梁施工引起的附加荷载的增大而增大。常州S232省道在模拟运营荷载阶段，25#桥墩产生的附加竖向位移值达到-1.09 mm；而挖除既有道路路基产生的最大竖向位移为0.66 mm，发生在26#桥墩。在附加纵向位移方面，受到施工影响相对较大的是27#墩，发生在架3#~4#墩之间的箱梁阶段，其产生的附加纵向位移最大值分别为1.04 mm；挖除既有道路路基产生的最大纵向位移为0.75 mm，发生在27#墩。在附加横向位移方面，受到施工影响产生位移较大的是27#墩，其产生的附加横向位移最大值分别是-1.46 mm，发生在挖除既有道路路基阶段。

图6 南沿江城际铁路桥墩累计附加纵向变形图

4 结束语

综上所述，挖除既有道路路基对南沿江城际铁路桥墩墩顶位移影响较大。叠加新建工程施工引起的铁路墩顶累计位移后，仍能满足《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》（TB 10314-2021）中的墩顶附加变形要求。本研究成果可以为拆除既有道路路基的工程设计施工提供参考，但需注意的是土层参数对施工过程模拟的准确性起决定性作用，文章所采用的土层参数均建立在本工程地勘资料的基础上。实际应用时，还需根据不同的地质条件具体分析，南沿江城际铁路的变形应以实际测量为准。