新建城市道路及管线下穿既有高铁桥梁影响性分析

刘世豪

(中铁第五勘察设计院集团有限公司,郑州 450001)

0 引言

营造便捷通畅的城市道路系统、有效提高道路通行能力是改变城市面貌惠及民生的重要工程。以A新建道路下穿B高铁工程为研究对象,针对城市道路工程下穿施工对高铁桥梁的影响进行定性与定量分析。

A新建道路规划为城市次干路,设计速度30 km/h,道路红线宽度24 m,单幅双向四车道。研究范围涉铁段长度109.715 m,下穿高铁防护范围内A新建道路单幅穿越B高铁,道路与高铁交叉处铁路运营里程为K698+885,道路中心线与B高铁交角为87°。道路下方规划管线有DN1500雨水管线、DN600雨水管线、DN400给水管线、18×φ110 upvc通信管道、12×φ200 MPP电力管线、DN300燃气管道等。拟建项目地势南高北低,地形基本平坦,地貌单元属山前冲洪积倾斜平原,地势平缓、开阔。根据现场地质勘查资料与收集既有资料进行对比分析,项目区工程地质层自上而下分层为:(1)黏质黄土(Q4al)、(2)细砂(Q4al)、(3)粗圆砾土(Q4al)、(4)泥岩(N)。拟建道路及管线位于:(1)黏质黄土(Q4al)(棕黄色、黄褐色),软塑～硬塑,层厚4～20 m,承载力fak=120 kPa。勘察期间,地下水为第四系松散层孔隙潜水,主要赋存于第(3)层粗圆砾土中,地下水埋深约为3.2 m。区域内无不良地质和特殊地质,地震动加速度峰值为0.10 g,地震动反应谱特征周期为0.4 s。本区抗震基本烈度为7度。

图1 涉铁段道路平面布置Fig.1 Layout of railway section road

1 涉铁段道路及管线防护结构的设计

机动车道采用整体式桩板结构的方式下穿铁路,桩板结构桩基距离铁路桥桩基的最小距离为7.6 m(距离不小于6倍的下穿工程桩径)。

桩板结构孔跨布置为(2×8+2×8+2×8)m,全长63.04 m。桩板宽17.2 m。上部结构采用现浇钢筋混凝土板,跨中板厚60 cm,端部板厚100 cm。下部结构桩基采用钻孔灌注桩,采用单排桩,桩径0.8 m,纵向桩间距为8 m,横向桩间距4.2 m。桩板结构桩长14 m。桩板和搭板采用C40钢筋混凝土,桩基为C35水下钢筋混凝土,钢筋为HPB300、HRB400。

桩板与一般路基之间采用搭板进行过渡,长度6 m,搭板厚0.35 m,搭板与桩板搭接长度0.3 m。

按照市政管网规划,道路下方规划管线有单根DN1500雨水管线、单根DN600污水管线、单根DN400给水管线、单侧18×φ110 upvc通信管道、单侧12×φ200 MPP电力管线、单根DN300燃气管道等。根据高速铁路管理相关要求,在满足铁路安全防护的前提下对管线防护工程进行方案设计。根据设计方案文件规划雨水管线、污水管线防护方案,采用机械顶管完成下穿,其中雨水管道采用DN1500套管防护下穿,覆土厚度为3.6 m,从B高铁M特大桥125#-126#桥墩之间下穿,管道中心距离125#承台12.94 m,距离126#承台11.86 m。污水管道采用DN600套管防护下穿,覆土厚度为3.83 m,从B高铁M特大桥123#-124#桥墩间穿越,管中心距离123#承台12.89 m,距离124#承台12.89 m。

规划给水、通信、电力、燃气管道均以直埋敷设完成下穿,其中给水管线由125#-126#桥墩间穿越,管中心距离125#承台4 m,距离126#承台21.89 m。通信管线由125#-126#桥墩间穿越,管中心距离125#承台7 m,距离126#承台18.89 m。电力管线由123#-124#桥墩间穿越,管中心距离123#承台19.91 m,距离124#承台6 m。燃气管线由123#-124#桥墩间穿越,管中心距离123#承台21.91 m,距离124#承台4 m。

根据规划要求及铁路安全统筹安排协调工程管线之间的关系,尽量满足各管线一次穿越条件,设计初步拟定方案为:6处穿越点,共设置3座管线防护、1处通信管线、1处电力管线、1处燃气管线。

2 道路下穿施工对既有高铁桥墩的影响

2.1 计算模型与计算参数

采用Midas GTS NX大型岩土工程计算软件进行分析计算。对A新建道路工程下穿B高铁设计方案建立三维分析模型进行仿真模拟,分析道路在施工及运营阶段对M特大桥122#～127#桥墩的影响,数值计算中土体采用“修正莫尔—库伦”土体弹塑性模型,铁路桥墩桩基均采用线弹性桩单元模型。计算土层参数如表1所示。

表1 计算土层参数

2.2 计算模型与结果分析

道路施工阶段的模拟。通过有限元软件的“激活单元、钝化单元”,对设计方案分别进行仿真模拟分析。

图3 桩板结构有限元几何模型Fig.3 Finite element geometric model of pile-sheet structure

数值模拟分析依据设计实施方案分区分段分层对称开挖,计算可得,道路桩基施工、道路基槽开挖、路板结构施工、东西侧顶管施工、东西侧明挖基坑与运营对B高铁M特大桥122#～127#墩竖向位移均产生一定的影响。道路在桩基施工阶段表现为沉降趋势,明挖基坑及道路基槽开挖阶段相邻桥墩均表现为上浮趋势,随着管线顶管及道路结构施工、基坑回填,相邻桥墩表现为沉降趋势。

图4 桩板结构基槽开挖阶段竖向位移云图Fig.4 Vertical displacement nephogram of pile plate structure foundation groove during excavation stage

图5 竖向位移趋势Fig.5 Vertical displacement trend

根据数值模拟分析,道路下穿郑开城际铁路防护工程施工期间,M特大桥122#～127#桥墩最大附加竖向、顺桥向、横桥向位移最大值分别为0.630 mm、-0.473 mm、0.025 mm,均满足《公路与市政工程下穿高铁技术规程》(TB 10182-2017)中表3.03规定的3 mm限值要求。从数值模拟可知,道路工程施工对既有高特桥梁沉降量影响较小,对高铁桥梁的附加位移满足规范要求。

3 结论

经综合分析可知,A新建道路下穿B高铁防护工程设计方案在施工与运营期间对B高铁M特大桥122#～127#墩均有一定影响,在完善相关风险评价处理措施后,建设及运营对交叉处铁路桥梁的影响较小,风险等级为低度。

由于本工程涉及道路工程与多条附属管线工程,影响高铁桥跨较多,建议细化道路、管道施工场地、施工便道布置,合理安排道路工程及附属管道的施工时序,尽量缩短下穿工程施工周期,减小对高铁桥梁的影响。道路及管线明挖基坑开挖应分层、分区、对称开挖,不得超挖,减小基坑变形及大体积土方开挖对铁路桥梁造成的影响。高铁影响区内场地平整与新建道路路基基础应避免采用大型振动机械施工,施工产生的弃土应及时清理,堆放位置需远离高铁影响区。