市政道路下穿高鐵設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用實踐
——以佛山市高明區(qū)下穿珠肇高鐵市政道路設(shè)計方案為例

王 芹

（廣東省鐵路規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司 廣州 510062）

0 引言

隨著我國高速鐵路網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)逐漸完善，越來越多的高速鐵路穿越城市建成區(qū)，市政道路無可避免地需要下穿高速鐵路，如何合理設(shè)計市政道路下穿高鐵方案，將對高速鐵路施工或安全運營產(chǎn)生重大影響。特別是對于市政道路與高速鐵路同步規(guī)劃建設(shè)時，市政道路下穿高速鐵路設(shè)計方案是一個多目標(biāo)、動態(tài)尋優(yōu)的過程。項目前期可通過一體研究、同步設(shè)計、聯(lián)動優(yōu)化，尋求合理的最優(yōu)設(shè)計方案，以使下穿道路對高鐵項目施工或運行影響最小。文章對市政道路下穿高鐵設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究分析，結(jié)合佛山高明區(qū)規(guī)劃的珠肇高鐵項目，提出了珠肇高鐵3 處下穿節(jié)點道路關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計方案及論證過程。

1 市政道路下穿高鐵設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 下穿方案及適用條件

根據(jù)市政道路下穿高鐵橋下凈空、路段地質(zhì)條件、水文條件、橋梁結(jié)構(gòu)安全、施工安全等多方面因素影響，參考《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程：TB 10182—2017》［1］，市政道路下穿高速鐵路主要有以下幾種形式［2］：

⑴橋梁結(jié)構(gòu)下穿。當(dāng)下穿路段工程地質(zhì)為非巖石地基，且高速鐵路橋下凈空足夠，能滿足建設(shè)橋梁條件時，應(yīng)優(yōu)先考慮橋梁下穿。道路橋梁樁基一般都采用鉆孔樁，并保證鉆孔樁與高速鐵路樁基保持一定安全距離，在樁基承臺基坑開挖前需要對高速公路橋梁采取安全防護(hù)措施。由于考慮了樁基施工作業(yè)安全距離，并做好了安全防護(hù)，有效降低了橋梁施工對高速鐵路橋墩的影響。

⑵路基下穿。當(dāng)高速鐵路橋下凈空通行高度滿足要求，且具備良好的工程地質(zhì)條件，土基承載力大于180 kPa，且路基填筑高度小于1 m時，可優(yōu)先考慮采用路基方式下穿。路基下穿的優(yōu)點是施工方便，且節(jié)約了工程造價；缺點是道路荷載對鐵路橋墩影響大。

⑶樁板結(jié)構(gòu)下穿。當(dāng)高速鐵路橋下凈空滿足通行高度，但不具備橋梁下穿條件，且工程地質(zhì)條件一般時，宜優(yōu)先考慮采用樁板結(jié)構(gòu)下穿。樁板結(jié)構(gòu)仍然要保證與鐵路橋梁一定距離，樁板結(jié)構(gòu)邊緣投影線不得侵入高速鐵路橋梁承臺。樁板結(jié)構(gòu)可以有效減少道路荷載對鐵路橋墩的影響。

⑷U 型槽結(jié)構(gòu)下穿［1］。當(dāng)高速鐵路橋下凈空高度有限，不滿足通行高度要求，但是工程地質(zhì)狀況較好，路基填土高度小于2 m，且地基持力層承載力足夠大，能滿足“U”形槽的地基承載力要求時，宜采用“U”形槽下穿?！癠”形槽結(jié)構(gòu)底板可以分散路基結(jié)構(gòu)荷載對橋墩的影響，但不能忽視附加荷載對橋墩的影響，同時，地下水及路基沉降對“U”形槽存在影響。

市政道路下穿高鐵方案適用條件與優(yōu)缺點分析如表1所示。

1.2 線形方案設(shè)計技術(shù)要點

下穿高鐵節(jié)點位置與下穿路段平面線形、縱向標(biāo)高、橫斷面布置關(guān)系復(fù)雜。道路線形規(guī)劃設(shè)計中，需充分掌握下穿點的工程地質(zhì)、水文條件、高鐵線形設(shè)計方案、橋墩位置、橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計方案等資料，分析下穿高速鐵路的可行性與合理性，選定切實可行的最優(yōu)路線方案［3］。要遵循以下設(shè)計要點：

⑴平面設(shè)計方案要點。道路線位設(shè)計應(yīng)首先保證與鐵路橋墩的安全距離，減少道路施工對高鐵橋墩的影響。因此，在選擇下穿線位時，應(yīng)盡量選擇較大跨徑處下穿，宜居中布置，盡可能大角度交叉，不占壓高鐵橋墩承臺。應(yīng)結(jié)合道路規(guī)劃線形線位、與高鐵承臺空間距離、高鐵橋墩防撞設(shè)施設(shè)置的空間需要等，分析下穿路段線位科學(xué)性、合理性，優(yōu)化平面線形。滿足《城市道路路線設(shè)計規(guī)范：CJJ 193—2012》［4］相關(guān)要求。

⑵豎向設(shè)計方案要點。道路凈空設(shè)計需滿足市政道路行車安全限界的要求，應(yīng)選擇在高速鐵路較高橋下凈空下穿，不得影響鐵路正常運行。要充分考慮地面高程、高鐵橋梁梁底高程、橋墩承臺頂面高程等關(guān)鍵高程控制點，合理確定下穿處道路設(shè)計高程［5］，做好下穿道路豎向設(shè)計。

⑶填挖方設(shè)計技術(shù)要點。在保證道路平縱線形基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量降低挖填深度與高度，以減少對鐵路橋墩的卸載或堆載作用。填方路堤對高鐵橋墩樁基產(chǎn)生的負(fù)摩阻力可能引起高鐵橋墩下沉；挖方路塹容易引起高鐵橋墩樁基頂部荷載不均衡，出現(xiàn)偏載現(xiàn)象，如果開挖較深，可能會引起高鐵橋墻上浮。

1.3 路基設(shè)計技術(shù)要點

路基設(shè)計方案的關(guān)鍵是路基處理，要根據(jù)道路沿線地形、地貌、地質(zhì)、水文、氣象等資料，本著因地制宜，就地取材的原則，選擇合理的路基處理方式。一般路基地基采取清表回填夯實處理方法；浸水路基處理一般采用挖除換填、水泥攪拌樁等方法處理；軟土路基處理一般采用挖除換填、排水固結(jié)法、攪拌樁處理等處理方法，若高鐵局部橋梁承臺己立，需綜合考慮軟士厚度，考慮地基處理方式是否會對橋墩有影響，必要時采用樁板結(jié)構(gòu)［6］。巖溶路基需要考慮巖溶發(fā)育情況，一般采用注漿處理或板樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理［7］。

1.4 防護(hù)設(shè)施設(shè)計要點

為防止機(jī)動車沖撞鐵路橋墩，保障鐵路運營安全、道路行車安全，需設(shè)置鐵路橋墩防護(hù)，護(hù)欄防撞等級和防護(hù)形式的設(shè)計要點如下：

⑴護(hù)欄的防護(hù)等級應(yīng)在《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)：JTG D81—2017》［8］的規(guī)定的基礎(chǔ)上提高一個等級，且不應(yīng)低于六（SS）級，即可以采用SS 級或HA 級。且設(shè)置長度應(yīng)沿鐵路線路安全保護(hù)區(qū)寬度向外延長20 m［9］。

⑵鐵路橋墩防護(hù)形式有橋墩圍蔽式防撞護(hù)欄和道路路側(cè)式防撞護(hù)欄兩種設(shè)置形式。一般采用道路路側(cè)式防撞護(hù)欄，但有些道路需要開口，為滿足不同方向行車對橋墩的防護(hù)需要，可采用鐵路橋墩圍蔽式防撞護(hù)欄，該種形式適合道路與高鐵同步建設(shè)，且高鐵橋墩尚未架設(shè)橫梁。

基于上述設(shè)計要點，考慮到高鐵沿線下穿節(jié)點采用統(tǒng)一的防撞等級標(biāo)準(zhǔn)，本文研究的下穿珠肇高鐵的3處節(jié)點防護(hù)設(shè)施設(shè)計方案均采用雙側(cè)SS級防撞護(hù)欄，下文案例方案研究將不再作詳細(xì)技術(shù)方案研究分析。

2 下穿珠肇高鐵市政道路工程基本概況

2.1 珠肇高鐵工程概況

珠肇高鐵全線位于廣東省內(nèi)，線路自深江鐵路區(qū)間引出，經(jīng)江門、佛山、肇慶，終至珠三角樞紐機(jī)場站（與廣湛鐵路合設(shè)），預(yù)留向西延伸至南寧方向、向北延伸至肇慶東站方向、向南延伸至珠海方向。鐵路等級為高速鐵路；設(shè)計速度350 km/h；正線數(shù)目為雙線；正線線間距5.0 m；最小曲線半徑一般為7 000 m，困難條件下為5 500 m。

2.2 下穿道路工程概況

珠肇高鐵與佛山高明區(qū)下穿高鐵道路同步規(guī)劃建設(shè)，途徑楊和鎮(zhèn)北部豸崗片區(qū)和荷城街道西安、三洲片區(qū)（南片），與珠肇高鐵線位交叉的路段共有16 處，有快速路、一級公路、主干道、次干道、支路等不同等級路段。本文重點選擇下穿珠肇高鐵具有典型意義的西江大道、明西路、和悅北路等3處道路進(jìn)行設(shè)計方案研究（見表2）。

表2 下穿珠肇高鐵典型市政道路主要技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Main Technical Indexes of Typical Municipal Roads Underpassing Zhuzhao High-speed Railway

3 下穿節(jié)點設(shè)計方案研究

3.1 西江大道設(shè)計方案

⑴下穿方案選擇。采用橋梁結(jié)構(gòu)下穿。本基目屬于西江大道中的一段，西江大道下穿珠肇高鐵。主要控制點有珠肇高鐵梁底設(shè)計標(biāo)高、河堤及規(guī)劃路凈空。珠肇高鐵橋下凈空13.6 m，上跨規(guī)劃路凈空≥4.5 m，滿足行車要求。同時，考慮到下床凈空及本道路需要跨越楊梅河，綜合考慮控制點標(biāo)高，選擇橋梁結(jié)構(gòu)下穿珠肇高鐵。

⑵線形設(shè)計技術(shù)方案。西江大道下穿珠肇高鐵高明河特大橋右線4#～10#橋墩，與鐵路夾角為68.79°；下穿珠肇高鐵高明特大橋73#～77#橋墩，與鐵路夾角為67.74°；下穿珠肇高鐵高明河特大橋左線6#～10#橋墩，鐵路夾角為66.70°。車行道距離承臺間距≥0.65 m，距離橋墩間距≥3.04 m。綜合來看，線位方案與高鐵交叉角度較大，且道路與橋墩承臺間有一定安全距離。

⑶路基設(shè)計方案。該路段為軟土路基，表層以填土、中砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、硬塑粉質(zhì)黏土為主，軟土厚約2～8 m，下覆基巖樁處理，軟土厚度小于3 m 地段軟土路基段采用挖除換填普通土后夯填密實，邊坡采用C25 混凝土輕型排水槽+鋪設(shè)草皮防護(hù)（見圖1）。

圖1 軟土路基攪拌樁設(shè)計橫斷面與剖面Fig.1 Cross Section and Section of Mixing Pile Design for Soft Soil Roadbed

3.2 和悅北路設(shè)計方案

⑴ 下穿方案選擇。采用路基下穿。高速鐵路橋下凈空凈空≥11.89 m，滿足通行高度，地質(zhì)條件經(jīng)過處理具備良好的條件，考慮到路基下穿方式造價低、施工方便。因此，該道路下穿方案選擇路基下穿。

⑵ 線形設(shè)計方案。和悅北路右線下穿珠肇高鐵高明河特大橋右線30#～31#橋墩，與鐵路夾角為82.15°；下穿珠肇高鐵高明特大橋97#～98#橋墩，與鐵路夾角為69.42°；下穿珠肇高鐵高明河特大橋左線31#～32#橋墩，與鐵路夾角為71.08°。和悅北路左線下穿珠肇高鐵高明河特大橋右線31#～32#橋墩，與鐵路夾角為79.91°；下穿珠肇高鐵高明特大橋98#～99#橋墩，與鐵路夾角為74.65°；下穿珠肇高鐵高明河特大橋左線32#～33#橋墩，與鐵路夾角為79.38°。車行道距離承臺間距≥0.11 m，距離橋墩間距≥3.11 m。

⑶路基設(shè)計方案。浸水軟土路基，表層以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粗砂、軟塑粉質(zhì)黏土為主，軟土厚約8～10 m，下覆基巖為灰?guī)r弱風(fēng)化，部分鉆孔揭露溶洞，溶洞埋深大于25 m，地表水與地下水發(fā)育。水塘路基段道路兩側(cè)設(shè)置臨時圍堰后抽水后采用攪拌樁處理，塘底至塘埂處回填砂礫石，塘埂以下邊坡采用漿砌片石護(hù)坡+墁石基礎(chǔ)（見圖2）。

圖2 挖除換填設(shè)計Fig.2 Design for Excavation and Replacement

3.3 人盛路設(shè)計方案

⑴下穿方案選擇。采用樁板結(jié)構(gòu)下穿。綜合考慮高速鐵路橋下凈空和路段地質(zhì)條件，同時，珠肇高鐵的橋墩已施工，為盡可能減小道路施工對橋墩影響，本道路采用樁板結(jié)構(gòu)。

⑵線形設(shè)計方案。人盛路下穿珠肇高鐵高明河特大橋右線21號～22號橋墩，與鐵路夾角為46.41°；下穿珠肇高鐵高明河特大橋左線19 號～20 號橋墩，與鐵路夾角為57.61°；下穿珠肇高鐵高明特大橋87 號～88號橋墩，和鐵路夾角為57.40°。車行道距離承臺間距≥0.49 m，距離橋墩間距≥3.77 m，凈空≥12.24 m。

⑶ 路基設(shè)計方案。浸水路基，表層以填土、中砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、硬塑粉質(zhì)黏土為主，軟土厚約3～6 m。下覆基巖為灰?guī)r弱風(fēng)化，地表水與地下水發(fā)育。巖溶見洞率約80%，覆蓋層厚度約12 m，溶洞平均厚度為2.5 m，溶洞橫向跨度大于30 m，厚跨比小于0.8，溶洞項板不穩(wěn)定，巖溶路基采用注漿處理。浸水路基段道路兩側(cè)設(shè)置臨時圍堰后抽水，挖除換填砂礫石，塘底至塘埂處回填砂礫石，塘埂以下邊坡采用漿砌片石護(hù)坡+墁石基礎(chǔ)，如表3、圖3所示。

圖3 巖溶路基樁設(shè)計橫斷面Fig.3 Cross Section Diagram of Karst Road Foundation Pile Design （m）

表3 下穿珠肇高鐵典型市政道路設(shè)計技術(shù)方案Tab.3 Technical Scheme of Typical Municipal Road Design for Underpass Zhuzhao High-speed Railway

4 總結(jié)

下穿高速鐵路的市政道路工程設(shè)計階段，要根據(jù)穿越路段工程地質(zhì)與水文條件、高鐵橋墩空間位置、高速鐵路設(shè)計技術(shù)材料等，同時綜合考慮節(jié)約造價、施工條件等因素，合理選擇技術(shù)設(shè)計方案，使整體方案達(dá)到最優(yōu)可行，并將對高速鐵路的影響降至最低。本研究對市政道路下穿高鐵的下穿結(jié)構(gòu)、線形線位、路基處理、防護(hù)設(shè)計方案等關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計要點進(jìn)行了系統(tǒng)性研究分析。其中：市政道路下穿結(jié)構(gòu)需要考慮橋下凈空、地質(zhì)條件、施工工藝等，平面線形方案要確保道路布置合理、交通流暢，并提供足夠的視距和橫向通行空間，此外，還需要考慮與高鐵橋梁、涵洞等結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)配合；路基處理方案應(yīng)綜合考慮地質(zhì)條件、土壤承載力等因素，確保路基的穩(wěn)定性和安全性，必要時，可以采取加固措施，如地基處理、加固樁等來增強(qiáng)路基的承載能力。為確保高鐵運營和市政道路交通的安全，必須在下穿區(qū)域設(shè)置相應(yīng)的防護(hù)設(shè)施，如護(hù)欄、防撞墻等。這些設(shè)施應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效地防止交通事故的發(fā)生，并減輕事故造成的影響。此外，新建路基下穿既有高速鐵路橋梁改變土層的原始應(yīng)力場和位移場，進(jìn)而引起鄰近既有高鐵橋梁的不均勻變形［10］，因此還應(yīng)全面調(diào)查鐵路現(xiàn)狀，充分考慮道路的建設(shè)施工條件，對下穿設(shè)計方案進(jìn)行合規(guī)性審查以及施工工況的安全評估，保證鐵路的變形沉降值滿足文獻(xiàn)［1］要求［11］。有必要的情況下，可以增加柔性隔離墻［12］，減少對高鐵的影響。

本文結(jié)合佛山市高明區(qū)下穿在建珠肇高鐵市政道路進(jìn)行技術(shù)分析，表明本文提出的系統(tǒng)性技術(shù)設(shè)計要點具有一定的應(yīng)用價值，可以為同類項目提供參考借鑒。