國道G109 線下穿青藏鐵路既有鐵路橋梁方案選擇分析及沉降觀測研究

普布扎西 杜曉宇 趙志強

（中交路橋北方工程有限公司，北京 100020）

1 工程概況

1.1 交叉處鐵路情況

K1747+869.94 九子納大橋單線鐵路橋梁，中心里程K1747+869.94，為5-32m 鋼梁與混凝土板結合梁橋，位于曲線上，曲線半徑R=800m，為立交而設；梁體采用鋼梁與混凝土板結合梁，橋墩為圓形墩，基礎為挖井基礎。

1.2 交叉處公路情況

K3662+350 處，公路采用分離式路基，路基寬度為13.0m，平面線形為直線，路線與鐵路夾角為34°，將G109 改移至鐵路橋下第二孔,改移后與鐵路夾角為37°，下穿青藏鐵路縱斷面設計應力求平緩, 凈高按照青藏鐵路公司的要求,保證路面距離鐵路橋梁底的凈高不小于5m 的要求（圖1）。

圖1 交叉處平面位置關系示意圖

2 公路采用不同路基結構穿越對鐵路橋的結構影響分析

2.1 采用路基結構穿越對鐵路橋的結構影響分析

國道109 線那曲至拉薩公路改擴建工程(那曲至羊八井段)在公路里程K3662+350 處與青藏鐵路九子納大橋立體交叉,采用分離式路基下穿該橋,由于公路與青藏鐵路九子納大橋橋墩凈距較小,部分路面壓覆2#、3#、4#橋墩,增加鐵路橋梁荷載?，F(xiàn)對所增加荷載進行計算，檢算是否滿足承載力要求。

2.1.1 填土增加恒載值

3#橋墩兩側(cè)壓覆最為不利, 以3#橋墩為例，計算填土增加恒載值。擴大基礎頂土柱截面積：A1=6.6 ×6-（1.545×1.545×3.14）=32.10m2；填土平均厚度：H1=1.2m；擴大基礎頂土柱自 重 ：G1=A1H1γ=32.10 ×1.2 ×18=693.4kN，填土容重γ 取18 kN/m3;基底承載面積：A=6.6×6=39.6 m2；基底壓應力增加值：p1=G1/A=17.5kPa。

2.1.2 道路活載增加活載值

鐵路橋墩擴大基礎承擔車輛荷載后軸重力的一半，即擴大基礎長度（6.6m）內(nèi)的后輪兩個輪載：

活載直接作用在擴大基礎引起基底應力增加:

輪載之和：P=140/2+140/2=140kN；

基底壓應力增加值：

圖2 交叉處立面位置關系示意圖

=140/39.6+140×3.3/(143.7)+140×3/(118.8)

=10.3kPa

活載引起主動土壓力增加基底應力：

B=6.6——計算寬度m;

H=8.7——計算土層厚度m；

H=0.22——汽車荷載等代分布土層厚m;

γ=18——填土容重；

β=0——填土表面與水平面的夾角；

α=0——計算受力面與豎直面的夾角；

ψ=33——土的內(nèi)摩擦角；

δ=φ/2=16.5——受力面與填土之間的摩擦角。

作用于3#墩基礎上的自由活載引起的主動壓力：

豎向主動土壓力：Esinδ=59.5×0.284=16.9kN;

基底壓應力增加值：

=59.5/39.6+59.6×3/(118.8)

=3.0kPa

2.1.3 由于工路下穿導致基底應力增加值標準組合：

基底壓應力增加值：

p=p1+p2+p3=17.5+10.3+3=30.8kPa

2.2 采用樁板路基結構穿越對鐵路橋的結構影響分析

采用一種剛架樁板結構，剛架樁板路基結構由鋼筋混凝土現(xiàn)澆梁、鋼筋混凝土灌注樁組成及其他附屬工程組成；鋼筋混凝土現(xiàn)澆梁與鋼筋混凝土灌注樁采用鋼筋連接并澆筑成一體，呈多跨連續(xù)剛架結構。剛架結構橫向采用懸臂結構，有效避開既有鐵路橋梁的基礎等結構。剛架結構采用C50鋼筋混凝土，板厚90cm，樁基頂部位置加厚至1.5m。鋼筋混凝土灌注樁在現(xiàn)澆梁梁端設計為單排3 根樁形式，排向與現(xiàn)澆梁垂直；在現(xiàn)澆梁中間部位的鋼筋混凝土灌注樁采用7 根梅花形布置（群樁），樁徑≤1.2m，確保剛架結構樁基與既有鐵路橋墩整體式基礎最小距離≥4d(4.8m)。

2.2.1 沉降監(jiān)測。剛架結構施工時，需嚴防出現(xiàn)塌孔，整個過程注意加強對橋梁沉降的監(jiān)測，沉降觀測的基準點位置的選取應布設在本項目工程影響范圍以外，一般不宜少于30～50m，且數(shù)量不應少于3 點，根據(jù)有關規(guī)范要求和現(xiàn)場條件情況。沉降觀測基準點的布設采用長12cm、直徑為10mm 的鋼筋鑲嵌在穩(wěn)固的地基基礎上澆筑混泥土制做而成；在每根墩柱前后左右、上中下都布置監(jiān)測點，每根墩柱布設12 個。

2.2.2 對鐵路橋梁的橋墩進行物理隔離。隔離方式采用鋼軌樁，設置在既有鐵路橋基礎與樁板路基之間適當位置，并確保距離鐵路既有結構不少于1m。

2.2.3 施工剛架結構樁基。樁基礎分別采用人工挖孔樁與機械開挖兩種，位于鐵路正下方或者距離鐵路較近的采用人工挖孔樁，距離鐵路較遠的位置，采用可滿足使用的機械進行開挖，樁基開挖時應按對稱性原則開挖并且采用隔孔跳挖方式進行。因此采用樁板結構下穿既有鐵路橋梁，對鐵路橋墩及基礎基本無影響，安全性較高，道路施工工藝合理，施工階段的安全性較高，防護措施安全可行。

2.3 對比分析

2.3.1 結構變形失穩(wěn)

采用樁板結構下穿既有鐵路橋梁，對鐵路橋墩及基礎基本無影響，安全性較高。

采用填土路基下穿既有鐵路橋梁，例如以青藏鐵路九子納大橋計算，鐵路橋3#橋墩基底容許承載力為：900kPa，設計基底壓應力：814kPa，采用路基通過后，計算基底增加應力p=30.8kPa，P 累計=814+p=814+30.8=844.8kPa＜[P]=900 kPa，綜上計算可以看出國道109 線下穿其青藏鐵路九子納大橋，引起3#橋墩基礎荷載增加，由原基底承載力冗余值10.6%降至6.5%，安全儲備降低較大，安全風險評估認為結失穩(wěn)變形初始風險等級為高度，為不期望風險。因此建議公路與鐵路橋墩保持必要的距離，路基結構不壓覆鐵路橋墩擴大基礎，應采取適當措施處理。

2.3.2 沉降變形

采用樁板結構下穿既有鐵路橋梁，施工工藝合理，施工階段的安全性較高，防護措施安全可行，對既有結構沉降變形影響幾乎為零。采用填土路基下穿既有鐵路橋梁，由于地表開挖或碾壓填筑施工，有可能會引起臨近鐵路橋梁基礎的沉降。

2.3.3 施工便易

與其他橋梁結構比較，樁板路基采用連續(xù)剛架結構，跨徑較小，上部結構建筑高度較低，可有保證橋面至鐵路橋梁底的有效凈空。同時樁板路基結構采取現(xiàn)澆混凝土，灌注樁采取人工挖孔樁施工，在施工過程中避免使用大型機械設備，工藝簡單，降低施工過程對既有鐵路結構破壞的施工風險，提高了施工效率。

3 樁板路基測量監(jiān)控

3.1 基準點的布設

沉降觀測基準點的布置選取在項目施工影響范圍以外，在離場區(qū)50m 以外的原地面上設3 個沉降觀測基準點（BM001、BM002、BM003,其中BM001 為沉降觀測起算點、其余兩點為檢核點）作為本次沉降觀測的起算點，沉降觀測基準點的布設采用長12cm、直徑為10mm 的鋼筋鑲嵌在穩(wěn)固的地基基礎上澆筑混凝土制做而成。

3.2 沉降觀測點的布設

沉降觀測的所有沉降觀測點均是固定點，按圖3 所示制作而成，最下方觀測點鑲嵌在距離地面0.5 米至1 米的墩柱上，中層的觀測點距離下層2m，上層觀測點距離中層2m。沉降觀測的沉降觀測點我方根據(jù)沉降測量規(guī)范，結合以往沉降觀測的經(jīng)驗和現(xiàn)場情況，對本測區(qū)九子納大橋1#墩至4#墩4 根墩柱共布設48 個沉降觀測點，每根墩柱前后左右、上中下都布置監(jiān)測點，每根墩柱布設12 個，觀測點的布設應能全面的反映樁基礎及建筑變形特征，點位布設在墩柱的左右兩側(cè)。

圖3 沉降觀測點位布置示意圖

3.3 觀測方法

3.3.1 沉降觀測：下部結構的沉降變形觀測按照固定的觀測路線和觀測方法進行，觀測路線必須形成附合或閉合路線，使用固定的工作基點對應沉降變形觀測點進行觀測。

3.3.2 位移觀測：在橋墩頂部選用十字反光貼片作為觀測點，每次儀器架設高度大致相同。測量時在固定點架設好儀器，先瞄準遠端固定基準點（該點在此次工程中應固定），讀出平面角度，記錄在施工日志或觀測記錄簿內(nèi)，再瞄準橋墩十字觀測點，讀出平面角度，記錄在施工日志或觀測記錄簿內(nèi)，計算出兩角度差。當瞄準橋墩十字觀測點時，同時讀出豎向角度及斜距一并記錄。

3.4 觀測測量精度

橋梁觀測測量的精度為±0.1mm，讀數(shù)取位至0.01mm。

3.5 觀測頻次

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3.6 橋梁沉降、位移和線路控制標準

沉降、位移控制標準:

a.沉降或隆起量或位移值不得超過±1mm，當達到該預警值時，監(jiān)理（或現(xiàn)場監(jiān)控人員）立即通知施工單位停止作業(yè)并匯報設備管理單位調(diào)度，由設備管理單位調(diào)度通知車間、工區(qū)進行臨時上道檢查；監(jiān)理（或現(xiàn)場監(jiān)控人員）立即報告相關單位，由其責令施工單位立即停止施工，原因查明前，未采取有效措施前、變形未穩(wěn)定前和未經(jīng)設備管理單位許可前不得繼續(xù)施工。b.或隆起量或位移值不得超過±2mm，當達到該報警值時，監(jiān)理（或現(xiàn)場監(jiān)控人員）立即通知施工單位停止作業(yè)并匯報設備管理單位調(diào)度，設備管理單位調(diào)度立即封鎖線路，并通知車間、工區(qū)進行臨時上道檢查；監(jiān)理（或現(xiàn)場監(jiān)控人員）立即報告現(xiàn)場相關單位，由其責令施工單位立即停止施工，原因查明前，未采取有效措施前、變形未穩(wěn)定前和未經(jīng)設備管理單位許可前不得繼續(xù)施工。c.觀測結果。經(jīng)項目監(jiān)測由圖4 可以看出曲線的總體趨勢，新建路基距離對橋基順橋向水平位移影響較為顯著，距離橋基越近，位移影響越大，間距L 越大，位移越小。將由不同距離下路基施工運營下引起的既有橋梁的水平位移，同相關規(guī)范的限值進行對比，可以發(fā)現(xiàn)：當路基與既有橋梁間距距離為10m 時，既有橋梁的橋墩順橋向最大水平位移為4.4mm，小于《鐵路橋涵設計規(guī)范》（TB1002,1-2005）關于墩臺頂帽面順橋向水平位移的限值5 L ，因此，采用本工法施工樁板路基下穿既有鐵路橋梁可以滿足要求。從圖5 看出隨著路基距離的增加，橋墩沉降逐漸減小，且變化逐漸減小，最大位移量呈現(xiàn)減小的趨勢，與橋墩水平位移量比較，豎向沉降量更小，說明橋梁基礎以水平位移為主。

圖4 橋基水平位移

圖5 橋基豎向位移

結束語

當公路斜向下穿既有鐵路橋梁時，當路基距離鐵路橋墩等結構部位較近時，采用一般路基形式進行施工及后期運營時，路基上的車輛荷載將會對鐵路結構產(chǎn)生擾動，增加了鐵路橋基礎荷載，降低了基礎承載冗余值，增加了結構變形及失穩(wěn)的風險，嚴重影響鐵路運營；當采用大跨徑橋梁時，橋梁建筑高度又較高，影響下穿鐵路橋的有效凈高，同時相應的樁基礎更長，或者其他基礎形式更大，在施工過程中一是鄰近鐵路大型設備使用限制，不能保證施工需求，二是結構形式對鐵路既有結構的影響更大。因此公路在下穿既有橋梁結構時，采用樁板路基可解決有限凈高、凈寬等不足或者較小等問題，同時可以有效地降低對既有結構的擾動，降低造成結構變形和失穩(wěn)的風險，在施工階段可以采用可行的小型機械設備和人工完成，避免使用大型設備對既有結構造成影響或者破壞。在樁板路基施工過程、運營期間通過水平位移、豎向位移雙控監(jiān)測，及時了解結構的穩(wěn)定性，確保施工安全。