河塘范圍互通道路下穿高速鐵路工程設計研究

田甜 TIAN Tian

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 100162）

0 引言

目前我國交通基建行業(yè)正在蓬勃發(fā)展，尤其是高鐵項目及城市間高速公路項目的發(fā)展尤為迅速，隨著越來越多的高鐵線路逐步開通，使得后續(xù)高速公路難免與之產(chǎn)生交叉。當高速公路與鐵路相交時，為確保鐵路線路的安全運營，需對公路線路和結(jié)構(gòu)進行認真研究和設計。在高速鐵路影響區(qū)內(nèi)，橋梁施工中所產(chǎn)生的震動及基坑開挖會對既有鐵路橋梁造成一定的影響，基坑周邊土體的受力失衡會使得周邊地表產(chǎn)生沉降及位移，當沉降或位移值超過安全范圍時，會直接影響鐵路軌道線路的線形，進而影響既有鐵路的安全運行[1]。在某高速互通下穿連鎮(zhèn)高鐵立交工程項目中，由于該互通需新建多處匝道下穿既有高鐵線路，線路交叉處地質(zhì)較差且地表水較多，加之該互通橋梁基礎毗鄰高鐵橋墩，從而造成互通在施工中對既有高鐵線路產(chǎn)生一定影響。為保證高鐵線路的正常運行，最大限度降低互通施工對高鐵橋梁的影響。

1 工程概況

某高速公路改擴建項目，高速公路與鐵路并行，間距約80m。主線由既有雙向四車道擴建為雙向八車道，設計速度由100km/h提升到120km/h，標準橫斷面寬度為42m。同時對既有互通進行改造，現(xiàn)狀互通由高速公路和城市主干道交叉形成，為十字交叉，型式為對角象限半苜蓿葉型，改造后的互通主體布設在西北象限，采用A型單喇叭型式，收費站匝道上跨高速公路后下穿連淮揚鎮(zhèn)鐵路，詳見圖1。

既有互通改擴建，新建A、B、C匝道下穿連鎮(zhèn)高鐵，且需對既有下穿鐵路城市主干路擴建。其中A匝道從32m橋孔下穿，B匝道因路線平面指標受限，從較小的24m橋孔下穿，下穿處位于河塘范圍，C匝道從40+64+40m連續(xù)梁邊孔下穿，臨近鐵路位置也位于河塘范圍。城市主干路從40+64+40m連續(xù)梁下穿，由高路基改為橋梁。

連鎮(zhèn)客專為客運專線，高速鐵路，雙線，線間距4.6m，無縫線路，有砟軌道，設計速度250km/h。交叉處鐵路平面位于曲線段，曲線半徑R=4500m。鐵路橋墩頂墩頂水平位移及沉降限值均為2mm[3]。

2 互通匝道設計方案

漣水互通有三個匝道，其中A、B、C匝道下穿連鎮(zhèn)高鐵，其設計方案如下：

A匝道上跨長深高速后下穿連鎮(zhèn)高鐵，因其平面位于R=90m的圓曲線段，考慮組合結(jié)構(gòu)的梁片布設困難，小半徑曲線不便于施工，不宜采用組合梁結(jié)構(gòu)，結(jié)合項目位置地勘，且橋面設計標高比原地面高約8m，采用現(xiàn)澆梁方案[2]。

B匝道下穿連鎮(zhèn)高鐵處位于河塘范圍，地質(zhì)較差，若采用路基形式下穿鐵路需進行地基加固及路基填筑，對鐵路影響較大。根據(jù)總體縱斷面設計，道路設計線與地面及洪水位較接近，無法采用常規(guī)箱梁結(jié)構(gòu)下穿鐵路。對于地質(zhì)較差且道路設計標高距地面較近情況，可考慮采用剛構(gòu)橋或樁板結(jié)構(gòu)下穿鐵路。樁板結(jié)構(gòu)下方需填土，根據(jù)縱斷面，梁底距離塘底約4m，填土范圍及深度過大，不適用于現(xiàn)場情況。剛構(gòu)橋不設支座，且橋下無需填土，最終B匝道采用剛構(gòu)橋方案下穿高鐵。

C匝道下穿炎黃大道后下穿連鎮(zhèn)高鐵，后又穿越兩處河塘與A匝道相接。下穿連鎮(zhèn)高鐵位置設計高程僅高于地面線約1.5m，為了減小對鐵路的影響，采用樁板結(jié)構(gòu)下穿高鐵。穿越河塘范圍由于河塘較深，且河塘內(nèi)地質(zhì)較差，因此采用剛構(gòu)橋方案穿越河塘。

3 數(shù)值分析

選取涉鐵范圍內(nèi)的巖土及結(jié)構(gòu)物，采用數(shù)值模擬方法計算B、C匝道及主干路擴建下穿施工對連鎮(zhèn)客專1038#～1043#橋墩和承臺的影響。利用Plaxis 3D建立三維有限元模型，模型長295m，寬155m，深度約80m。模型中土體采用小應變土體硬化本構(gòu)模擬，既有鐵路橋墩及承臺，新建橋梁樁基、承臺、蓋梁，新建樁板結(jié)構(gòu)等均采用線彈性實體單元模擬，鐵路樁基采用嵌入式梁單元模擬，鋼板樁圍堰采用板單元模擬。幾何模型底部施加完全固定約束，兩側(cè)施加豎直滑動約束，模型表面為自由邊界。場地主要土層物理力學參數(shù)及其他結(jié)構(gòu)的模型參數(shù)根據(jù)本工程地質(zhì)勘察報告與工程經(jīng)驗取值，得到計算模型如圖2所示。

共劃分了10個計算工況：

工況1：池塘圍堰抽水；

工況2：城市主干路既有路基開挖；

工況3：匝道橋梁、樁板結(jié)構(gòu)及城市主干路橋梁樁基施工；

工況4：匝道橋梁承臺基坑開挖；

工況5：匝道橋梁承臺、墩身施作及基坑回填；

工況6：匝道橋梁梁式支架現(xiàn)澆段梁體施作；

工況7：城市主干路墩柱蓋梁施作及梁體架設；

工況8：C匝道樁板結(jié)構(gòu)施作；

工況9：匝道路基段路基填筑；

工況10：池塘回水及道路鋪裝運營。

將連鎮(zhèn)客專1038#～1043#橋墩墩頂及承臺因上述施工及運營過程引起的階段位移累加，得到表1～表2。

由表1可以看出，工程施工及運營過程引起連鎮(zhèn)客專橋墩墩頂過程累計順橋向最大位移發(fā)生在工況10（池塘回水及道路鋪裝運營），位于1042#橋墩，為0.977mm；墩頂過程累計橫橋向最大位移發(fā)生在工況3（匝道橋梁、樁板結(jié)構(gòu)及炎黃大道橋梁樁基施工），位于1042#橋墩，為-0.478mm；墩頂過程累計豎向最大位移發(fā)生在工況10（池塘回水及道路鋪裝運營），位于1041#橋墩，為-0.585mm。

表1 各工況鐵路橋墩墩頂累計位移匯總 單位：mm

由匯總表2可以看出，工程施工及運營過程引起連鎮(zhèn)客專承臺過程累計順橋向最大位移發(fā)生在工況10（池塘回水及道路鋪裝運營），位于1042#橋墩，為0.542mm；承臺過程累計橫橋向最大位移發(fā)生在工況3（匝道橋梁、樁板結(jié)構(gòu)及炎黃大道橋梁樁基施工），位于1042#橋墩，為-0.313mm；承臺過程累計豎向最大位移發(fā)生在工況10（池塘回水及道路鋪裝運營），位于1041#橋墩，為-0.585mm。

表2 各工況鐵路橋墩承臺累計位移匯總 單位：mm

4 結(jié)束語

通過對互通線形及結(jié)構(gòu)方案進行設計優(yōu)化，同時對互通匝道橋梁施工及運營過程引起的高鐵橋梁變形進行數(shù)值分析，驗證了本項目引起的鐵路橋梁變形值在安全范圍以內(nèi)。

對下穿鐵路道路結(jié)構(gòu)選型總結(jié)如下：

當?shù)缆房v斷貼近原地（一般控制在2m以內(nèi)），地基承載力達不到規(guī)范要求180kPa，無法采用路基形式下穿鐵路時，優(yōu)先采用樁板結(jié)構(gòu)。

當?shù)缆房v斷面距離地面大于2m，采用常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)（空心板、預制箱梁、現(xiàn)澆箱梁等）無法保證梁底檢修凈空，或支座低于洪水位時，可采用剛構(gòu)橋下穿鐵路。

當?shù)缆房v斷面滿足常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)設置條件，新建橋梁樁基與鐵路橋樁基滿足規(guī)范要求時，可采用常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)下穿鐵路。