国道G109 线下穿青藏铁路既有铁路桥梁方案选择分析及沉降观测研究

普布扎西 杜晓宇 赵志强

（中交路桥北方工程有限公司，北京 100020）

1 工程概况

1.1 交叉处铁路情况

K1747+869.94 九子纳大桥单线铁路桥梁，中心里程K1747+869.94，为5-32m 钢梁与混凝土板结合梁桥，位于曲线上，曲线半径R=800m，为立交而设；梁体采用钢梁与混凝土板结合梁，桥墩为圆形墩，基础为挖井基础。

1.2 交叉处公路情况

K3662+350 处，公路采用分离式路基，路基宽度为13.0m，平面线形为直线，路线与铁路夹角为34°，将G109 改移至铁路桥下第二孔,改移后与铁路夹角为37°，下穿青藏铁路纵断面设计应力求平缓, 净高按照青藏铁路公司的要求,保证路面距离铁路桥梁底的净高不小于5m 的要求（图1）。

图1 交叉处平面位置关系示意图

2 公路采用不同路基结构穿越对铁路桥的结构影响分析

2.1 采用路基结构穿越对铁路桥的结构影响分析

国道109 线那曲至拉萨公路改扩建工程(那曲至羊八井段)在公路里程K3662+350 处与青藏铁路九子纳大桥立体交叉,采用分离式路基下穿该桥,由于公路与青藏铁路九子纳大桥桥墩净距较小,部分路面压覆2#、3#、4#桥墩,增加铁路桥梁荷载。现对所增加荷载进行计算，检算是否满足承载力要求。

2.1.1 填土增加恒载值

3#桥墩两侧压覆最为不利, 以3#桥墩为例，计算填土增加恒载值。扩大基础顶土柱截面积：A1=6.6 ×6-（1.545×1.545×3.14）=32.10m2；填土平均厚度：H1=1.2m；扩大基础顶土柱自 重 ：G1=A1H1γ=32.10 ×1.2 ×18=693.4kN，填土容重γ 取18 kN/m3;基底承载面积：A=6.6×6=39.6 m2；基底压应力增加值：p1=G1/A=17.5kPa。

2.1.2 道路活载增加活载值

铁路桥墩扩大基础承担车辆荷载后轴重力的一半，即扩大基础长度（6.6m）内的后轮两个轮载：

活载直接作用在扩大基础引起基底应力增加:

轮载之和：P=140/2+140/2=140kN；

基底压应力增加值：

图2 交叉处立面位置关系示意图

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

=10.3kPa

活载引起主动土压力增加基底应力：

B=6.6——计算宽度m;

H=8.7——计算土层厚度m；

H=0.22——汽车荷载等代分布土层厚m;

γ=18——填土容重；

β=0——填土表面与水平面的夹角；

α=0——计算受力面与竖直面的夹角；

ψ=33——土的内摩擦角；

δ=φ/2=16.5——受力面与填土之间的摩擦角。

作用于3#墩基础上的自由活载引起的主动压力：

竖向主动土压力：Esinδ=59.5×0.284=16.9kN;

基底压应力增加值：

=59.5/39.6+59.6×3/(118.8)

=3.0kPa

2.1.3 由于工路下穿导致基底应力增加值标准组合：

基底压应力增加值：

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

2.2 采用桩板路基结构穿越对铁路桥的结构影响分析

采用一种刚架桩板结构，刚架桩板路基结构由钢筋混凝土现浇梁、钢筋混凝土灌注桩组成及其他附属工程组成；钢筋混凝土现浇梁与钢筋混凝土灌注桩采用钢筋连接并浇筑成一体，呈多跨连续刚架结构。刚架结构横向采用悬臂结构，有效避开既有铁路桥梁的基础等结构。刚架结构采用C50钢筋混凝土，板厚90cm，桩基顶部位置加厚至1.5m。钢筋混凝土灌注桩在现浇梁梁端设计为单排3 根桩形式，排向与现浇梁垂直；在现浇梁中间部位的钢筋混凝土灌注桩采用7 根梅花形布置（群桩），桩径≤1.2m，确保刚架结构桩基与既有铁路桥墩整体式基础最小距离≥4d(4.8m)。

2.2.1 沉降监测。刚架结构施工时，需严防出现塌孔，整个过程注意加强对桥梁沉降的监测，沉降观测的基准点位置的选取应布设在本项目工程影响范围以外，一般不宜少于30～50m，且数量不应少于3 点，根据有关规范要求和现场条件情况。沉降观测基准点的布设采用长12cm、直径为10mm 的钢筋镶嵌在稳固的地基基础上浇筑混泥土制做而成；在每根墩柱前后左右、上中下都布置监测点，每根墩柱布设12 个。

2.2.2 对铁路桥梁的桥墩进行物理隔离。隔离方式采用钢轨桩，设置在既有铁路桥基础与桩板路基之间适当位置，并确保距离铁路既有结构不少于1m。

2.2.3 施工刚架结构桩基。桩基础分别采用人工挖孔桩与机械开挖两种，位于铁路正下方或者距离铁路较近的采用人工挖孔桩，距离铁路较远的位置，采用可满足使用的机械进行开挖，桩基开挖时应按对称性原则开挖并且采用隔孔跳挖方式进行。因此采用桩板结构下穿既有铁路桥梁，对铁路桥墩及基础基本无影响，安全性较高，道路施工工艺合理，施工阶段的安全性较高，防护措施安全可行。

2.3 对比分析

2.3.1 结构变形失稳

采用桩板结构下穿既有铁路桥梁，对铁路桥墩及基础基本无影响，安全性较高。

采用填土路基下穿既有铁路桥梁，例如以青藏铁路九子纳大桥计算，铁路桥3#桥墩基底容许承载力为：900kPa，设计基底压应力：814kPa，采用路基通过后，计算基底增加应力p=30.8kPa，P 累计=814+p=814+30.8=844.8kPa＜[P]=900 kPa，综上计算可以看出国道109 线下穿其青藏铁路九子纳大桥，引起3#桥墩基础荷载增加，由原基底承载力冗余值10.6%降至6.5%，安全储备降低较大，安全风险评估认为结失稳变形初始风险等级为高度，为不期望风险。因此建议公路与铁路桥墩保持必要的距离，路基结构不压覆铁路桥墩扩大基础，应采取适当措施处理。

2.3.2 沉降变形

采用桩板结构下穿既有铁路桥梁，施工工艺合理，施工阶段的安全性较高，防护措施安全可行，对既有结构沉降变形影响几乎为零。采用填土路基下穿既有铁路桥梁，由于地表开挖或碾压填筑施工，有可能会引起临近铁路桥梁基础的沉降。

2.3.3 施工便易

与其他桥梁结构比较，桩板路基采用连续刚架结构，跨径较小，上部结构建筑高度较低，可有保证桥面至铁路桥梁底的有效净空。同时桩板路基结构采取现浇混凝土，灌注桩采取人工挖孔桩施工，在施工过程中避免使用大型机械设备，工艺简单，降低施工过程对既有铁路结构破坏的施工风险，提高了施工效率。

3 桩板路基测量监控

3.1 基准点的布设

沉降观测基准点的布置选取在项目施工影响范围以外，在离场区50m 以外的原地面上设3 个沉降观测基准点（BM001、BM002、BM003,其中BM001 为沉降观测起算点、其余两点为检核点）作为本次沉降观测的起算点，沉降观测基准点的布设采用长12cm、直径为10mm 的钢筋镶嵌在稳固的地基基础上浇筑混凝土制做而成。

3.2 沉降观测点的布设

沉降观测的所有沉降观测点均是固定点，按图3 所示制作而成，最下方观测点镶嵌在距离地面0.5 米至1 米的墩柱上，中层的观测点距离下层2m，上层观测点距离中层2m。沉降观测的沉降观测点我方根据沉降测量规范，结合以往沉降观测的经验和现场情况，对本测区九子纳大桥1#墩至4#墩4 根墩柱共布设48 个沉降观测点，每根墩柱前后左右、上中下都布置监测点，每根墩柱布设12 个，观测点的布设应能全面的反映桩基础及建筑变形特征，点位布设在墩柱的左右两侧。

图3 沉降观测点位布置示意图

3.3 观测方法

3.3.1 沉降观测：下部结构的沉降变形观测按照固定的观测路线和观测方法进行，观测路线必须形成附合或闭合路线，使用固定的工作基点对应沉降变形观测点进行观测。

3.3.2 位移观测：在桥墩顶部选用十字反光贴片作为观测点，每次仪器架设高度大致相同。测量时在固定点架设好仪器，先瞄准远端固定基准点（该点在此次工程中应固定），读出平面角度，记录在施工日志或观测记录簿内，再瞄准桥墩十字观测点，读出平面角度，记录在施工日志或观测记录簿内，计算出两角度差。当瞄准桥墩十字观测点时，同时读出竖向角度及斜距一并记录。

3.4 观测测量精度

桥梁观测测量的精度为±0.1mm，读数取位至0.01mm。

3.5 观测频次

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3.6 桥梁沉降、位移和线路控制标准

沉降、位移控制标准:

a.沉降或隆起量或位移值不得超过±1mm，当达到该预警值时，监理（或现场监控人员）立即通知施工单位停止作业并汇报设备管理单位调度，由设备管理单位调度通知车间、工区进行临时上道检查；监理（或现场监控人员）立即报告相关单位，由其责令施工单位立即停止施工，原因查明前，未采取有效措施前、变形未稳定前和未经设备管理单位许可前不得继续施工。b.或隆起量或位移值不得超过±2mm，当达到该报警值时，监理（或现场监控人员）立即通知施工单位停止作业并汇报设备管理单位调度，设备管理单位调度立即封锁线路，并通知车间、工区进行临时上道检查；监理（或现场监控人员）立即报告现场相关单位，由其责令施工单位立即停止施工，原因查明前，未采取有效措施前、变形未稳定前和未经设备管理单位许可前不得继续施工。c.观测结果。经项目监测由图4 可以看出曲线的总体趋势，新建路基距离对桥基顺桥向水平位移影响较为显著，距离桥基越近，位移影响越大，间距L 越大，位移越小。将由不同距离下路基施工运营下引起的既有桥梁的水平位移，同相关规范的限值进行对比，可以发现：当路基与既有桥梁间距距离为10m 时，既有桥梁的桥墩顺桥向最大水平位移为4.4mm，小于《铁路桥涵设计规范》（TB1002,1-2005）关于墩台顶帽面顺桥向水平位移的限值5 L ，因此，采用本工法施工桩板路基下穿既有铁路桥梁可以满足要求。从图5 看出随着路基距离的增加，桥墩沉降逐渐减小，且变化逐渐减小，最大位移量呈现减小的趋势，与桥墩水平位移量比较，竖向沉降量更小，说明桥梁基础以水平位移为主。

图4 桥基水平位移

图5 桥基竖向位移

结束语

当公路斜向下穿既有铁路桥梁时，当路基距离铁路桥墩等结构部位较近时，采用一般路基形式进行施工及后期运营时，路基上的车辆荷载将会对铁路结构产生扰动，增加了铁路桥基础荷载，降低了基础承载冗余值，增加了结构变形及失稳的风险，严重影响铁路运营；当采用大跨径桥梁时，桥梁建筑高度又较高，影响下穿铁路桥的有效净高，同时相应的桩基础更长，或者其他基础形式更大，在施工过程中一是邻近铁路大型设备使用限制，不能保证施工需求，二是结构形式对铁路既有结构的影响更大。因此公路在下穿既有桥梁结构时，采用桩板路基可解决有限净高、净宽等不足或者较小等问题，同时可以有效地降低对既有结构的扰动，降低造成结构变形和失稳的风险，在施工阶段可以采用可行的小型机械设备和人工完成，避免使用大型设备对既有结构造成影响或者破坏。在桩板路基施工过程、运营期间通过水平位移、竖向位移双控监测，及时了解结构的稳定性，确保施工安全。