市政道路與管線下穿影響既有高鐵橋梁的數(shù)值分析

黃君鵬

（泉州城市規(guī)劃設(shè)計集團有限公司，福建 泉州 362000）

0 引言

市政道路與管線下穿高鐵橋梁屬于重大風險源管理項目，任何微小的疏忽都可能對既有高鐵產(chǎn)生巨大影響。因此，需要結(jié)合建設(shè)條件，全面分析市政道路與管線在施工和運營階段，對高鐵橋梁可能產(chǎn)生的影響，為實施者進行科學決策提供依據(jù)，以提高工程的安全性[1-2]。本文結(jié)合泉州某市政工程設(shè)計方案，研究分析市政道路和管線下穿既有高鐵橋梁時對高鐵產(chǎn)生的影響。

1 市政道路與管線下穿方案簡介

1.1 工程概況

泉州某市政工程路線全長4.4km，道路等級為城市主干路，設(shè)計時速50km/h，道路紅線寬50m，采用水泥混凝土路面。所處地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.15g。

標準橫斷面布置為50m=4.0m（人行道）+6.0m（非機動車道）+2.0m（綠化帶）+11.0m（機動車道）+4.0m（中央分隔帶）+11.0m（機動車道）+2.0m（綠化帶）+6.0m（非機動車道）+4.0m（人行道）（見圖1所示）。

圖1 道路標準橫斷面圖

該市政工程于交叉口展寬范圍內(nèi)下穿福廈高鐵泉州灣特大橋，下穿處橋梁上部結(jié)構(gòu)為（40+64+40）m連續(xù)梁的中跨，下部為圓端形橋墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑1.5m，按柱樁設(shè)計。

福廈高鐵為客運專線，雙線高速鐵路，軌道類型為無砟軌道，設(shè)計行車速度350km/h。

1.2 道路下穿形式

該市政工程與鐵路交角為50°，分南、北幅下穿福廈高鐵橋梁（見圖2、圖3所示）。

圖2 道路下穿平面示意圖

圖3 道路下穿橫斷面示意圖

北幅道路寬度37.35m=0.6m（護欄）+11.0m（左幅機動車道）+13.5m（右幅機動車道）+9.25m（右轉(zhuǎn)專用道+非機動車道）+0.6m（護欄）+2.4m（人行道），采用樁板結(jié)構(gòu)下穿福廈高鐵泉州灣特大橋第24孔。

南幅道路寬度12.6m=3.4m（人行道）+0.6m（護欄）+8m（非機動車道+右轉(zhuǎn)專用道）+0.6m（護欄），采用樁板結(jié)構(gòu)下穿福廈高鐵泉州灣特大橋第25孔。

樁板結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+承載板：鉆孔灌注樁樁間距4～5m，樁徑0.8m，設(shè)計樁長13m，單樁承載力不小于1500kN；承載板厚度0.8m。

車行道樁板結(jié)構(gòu)護欄外側(cè)與福廈高鐵橋23#～25#墩承臺的凈距最小為0.9m，與23#～25#墩的凈距最小為3.4m；樁板結(jié)構(gòu)鉆孔灌注樁與福廈高鐵橋樁基最小中心距4.9m，最小樁間距大于6 倍下穿工程樁徑；凈空高度≥23.48m。

1.3 管線下穿形式

下穿高鐵的管線有給水、雨水、污水、10kV 電力、110kV 高壓電力、通信、照明，均布設(shè)在承載板底下，由兩樁之間穿過（見圖4、圖5所示）。

圖4 管線平面布置示意圖

圖5 管線橫斷面布置示意圖

北幅管道由南向北布設(shè)為：Ф1.5m 雨水管涵、3 孔DN175 高壓電力排管、Ф1.8m 雨水管涵、12 孔DN110 通信排管、12孔DN150電力排管、DN600給水管。南側(cè)雨水管與橋墩承臺凈距為8.3m，北側(cè)給水管與橋墩承臺凈距5.7m。

南幅管道由南向北布設(shè)為：12孔DN150電力排管、DN200 給水管、12 孔DN110 通信排管、DN500 污水管。南側(cè)電力排管與橋墩承臺凈距5.3米，北側(cè)污水管道開挖邊線與橋墩承臺凈距5.9米。

2 市政道路與管線下穿對既有高鐵的影響分析

2.1 數(shù)值模擬軟件

本次建模分析采用ABAQUS 有限元軟件，構(gòu)建彈性本構(gòu)模型，自動劃分實體網(wǎng)格，通過有限元軟件的“激活、鈍化”模擬各階段單元、荷載和邊界條件的變化對既有橋梁基礎(chǔ)的影響。

2.2 數(shù)值計算模型

各施工和運營階段的計算模型如表1所示。

表1 施工和運營階段計算模型匯總

2.3 數(shù)值計算結(jié)果

2.3.1 高鐵橋梁墩頂沉降分析

在市政道路與管線下穿各施工和運營階段，福廈高鐵泉州灣特大橋23#～25#橋墩墩頂沉降量的模擬分析結(jié)果如表2所示。計算相鄰橋墩沉降差，結(jié)果如表3所示。

表2 墩頂沉降模擬分析表

表3 相鄰橋墩沉降差值

2.3.2 高鐵橋梁墩頂水平位移分析

在市政道路與管線下穿各施工和運營階段，福廈高鐵泉州灣特大橋23#～25#橋墩墩頂順橋向位移的模擬分析結(jié)果如表4所示。在市政道路與管線下穿各施工和運營階段，福廈高鐵泉州灣特大橋23#～25#橋墩墩頂橫橋向位移的模擬分析結(jié)果如表5所示。

表4 墩頂順橋向位移模擬分析

表5 墩頂橫橋向位移模擬分析表

2.3.3 高鐵橋梁基礎(chǔ)承載力分析

在市政道路與管線下穿各施工和運營階段，福廈高鐵泉州灣特大橋23#～25#橋墩樁基軸力變化的模擬分析結(jié)果如表6所示。

表6 基樁軸力模擬分析計算

2.4 計算結(jié)果分析

根據(jù)上述建模計算分析得出，市政道路與管線的施工，對地層產(chǎn)生的變形較小，設(shè)計方案滿足高鐵橋梁的安全[3-4]。

（1）施工及運營過程中，高鐵橋梁墩臺頂最大豎向位移值為0.148mm，滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB 10182-2017）關(guān)于無砟軌道高鐵橋梁墩臺頂豎向位移不大于2mm的要求；相鄰橋墩沉降差最大為0.144mm，滿足《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB 10621-2014）無砟軌道高鐵橋梁相鄰墩臺沉降差不大于5mm的要求。

（2）施工及運營過程中，高鐵橋梁墩臺頂最大縱向水平位移為0.376mm、最大橫向水平位移為0.258mm，滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB 10182-2017）關(guān)于無砟軌道高鐵橋梁墩臺頂縱向水平位移、橫向水平位移不大于2mm的要求。

（3）施工及運營過程中，福廈高鐵泉州灣特大橋23#～25#橋墩樁基設(shè)計單樁軸力疊加最大軸力變化值后，單樁軸力均未超出容許值，且有一定富余，滿足設(shè)計要求。

3 降低市政道路與管線下穿影響的建議

（1）市政道路與管線下穿既有高鐵橋梁應(yīng)綜合建設(shè)條件、設(shè)計方案、施工方案、運營管理等進行相關(guān)風險評估；

（2）市政道路與管線應(yīng)在平、縱、橫設(shè)計上滿足鐵路及道路相關(guān)規(guī)范要求；

（3）下穿管線的敷設(shè)應(yīng)綜合考慮管線間、管線與高鐵橋梁結(jié)構(gòu)間的距離，滿足鐵路及管線相關(guān)規(guī)范要求，并按要求設(shè)置安全閥門；

（4）樁板結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)施工時應(yīng)做好相關(guān)安全防護措施，盡可能采用小型機械，加強樁基護壁施工，確保不出現(xiàn)塌孔情況，盡量減小施工對鐵路橋梁基礎(chǔ)的影響；

（5）施工前應(yīng)制定詳盡的施工組織設(shè)計，科學合理安排工期，對風險狀態(tài)進行更新，實施動態(tài)評估，施工期間嚴格做好對鐵路橋梁的監(jiān)控量測和防護。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文以泉州某市政工程設(shè)計方案為例，利用有限元計算軟件，分析了市政道路和管線下穿既有高鐵橋梁時對高鐵產(chǎn)生的影響。通過對高鐵橋梁墩頂沉降、墩頂水平位移、基礎(chǔ)承載力的分析可知，該市政工程設(shè)計方案的實施對既有高鐵橋梁的影響較小，設(shè)計方案能夠滿足高鐵橋梁的安全。為了將市政道路和管線下穿既有高鐵橋梁的影響降到最低，也給出了相應(yīng)的建議，以期促進方案的順利實施。