城市道路下穿既有普速铁路桥梁影响分析

王一莹

摘要：以某城市道路下穿普速铁路桥梁为例，采用Midas GTS/NX软件建立三维有限元模型，分析道路路基方案在开挖、换填、路面施工和运营阶段对铁路桥墩的位移影响。分析结果表明，随着车行道与铁路承台距离的增大，道路对桥墩位移的影响逐渐变小，但此道路即使机动车道位于桥跨中间时，铁路桥墩产生的竖向位移仍不满足规范要求。进而提出此道路在涉铁段采用桩板结构方案，以进一步减小对铁路桥梁的影响。

关键词：城市道路下穿普速铁路位移桩板结构

Impact Analysis Of Urban Road Under Existing Ordinary Speed Railway Bridge

WANG Yiying

（Xiongan Urban Planning and Design Institute Co.， Ltd.，Rongcheng，Hebei Province，071700 China）

Abstract：Taking an ordinary speed railway bridge under an urban road as an example，establish the 3D finite element model by Midas GTS/NX software，analyze the influence of road subgrade scheme on the displacement of Railway Piers in the stages of excavation， replacement， pavement construction and operation.The analysis results show that with the increase of the distance between carriageway and railway cushion cap，the influence of road on pier displacement decreases gradually. However， even if the motorway is located in the middle of the bridge span， the vertical displacement caused by the railway pier still does not meet the specification requirements. Then it is proposed to adopt the pile plate structure scheme in the railway section of the road， so as to further reduce the impact on the railway bridge.

Key Words：Urban road;Under wear;Ordinary speed railway;Displacement;Pile slab structure

随着我国城市建设的快速发展，越来越多的新建城市道路需下穿既有铁路桥梁。针对此类工程，国内学者和工程技术人员进行了一些研究。邝显聪研究者以某公路下穿既有线铁路桥梁为例，采用有限元软件对施工全过程及公路运营阶段对铁路桥梁进行力学状态的分析[1]。杜威研究者依托新建道路下穿既有铁路路基和客运专线高架桥工程实例，通过有限元软件深入分析了道路施工对高铁桥梁结构的影响。邓称意研究者综合分析了城市道路下穿高速铁路前期方案选择的基本方法，并结合工程实际给出了推荐方案[3]。

同时，《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》（TB 10182-2017）[4]中规定了公路和城市道路下穿高速铁路桥梁时，下穿工程可依据地基承载力、桥下净空等要求合理选用桥梁、桩板结构、U型槽、框架结構或者路基等结构形式。但对于城市道路下穿普速铁路桥梁，目前没有专门规范，工程实践中一般参照上述规范。工程实践表明[5-6]，一般情况下，运营的普速铁路对墩台的位移限值比高速铁路大，下穿工程采用路基形式造价更低，故在工程实践中一般优先考虑采用路基形式下穿是否满足要求，这就需要结合场地地质条件，计算分析路基在工程开挖、换填、路面施工和道路运营阶段等对普速铁路桥墩位移的影响，进而判断路基形式是否满足工程要求;若不满足，则再考虑桩板结构等对铁路桥墩位移影响更小的方案[7]。

该文以上海某新建城市道路下穿普速铁路桥梁为例，采用有限元软件模拟工程实施各阶段对铁路桥墩的位移影响，作为判断该工程采用路基方案能否满足要求的依据，也为今后类似工程设计方案研究提供一定的参考。

1 工程概况

上海市某新建城市道路等级为城市干路，设计速度40 km/h，双向六车道，标准段道路红线宽度40 m，线路呈南北走向。

既有铁路为普速货运单线铁路，设计速度160 km/h，呈东西走向，与新建城市道路正交交叉。在交叉节点处，既有铁路为高架桥梁，跨度32 m，梁底标高10.96 m。新建城市道路正交下穿该铁路80#～81#和81#～82#桥孔，该节点处地面标高4.26 m，道路设计标高5.06 m。下穿位置处铁路桥墩尺寸为1.2 m（纵桥向）×3.4 m（横桥向），承台尺寸为7.92 m（纵桥向）×5.2 m（横桥向），承台顶标高3.53 m。

2道路路基方案

城市道路下穿既有铁路桥梁，下穿工程常用的结构形式有桥梁、桩板结构、U型槽、框架结构、隧道或者路基形式。

该工程城市道路与铁路桥梁交叉节点处，梁底标高为10.96 m，路面标高为4.26 m，高差为6.70 m，满足道路通行净空要求，且既有铁路为速度160 km/h的普速铁路，运营状态下对桥梁墩顶的位移控制值要比高速铁路大，从下穿工程经济性和施工难度方面出发，下穿工程可首先考虑路基方案，并通过有限元计算模拟分析对铁路运营的影响程度，进而判定路基方案是否可行。

该城市道路标准段红线宽度为40 m，从线形顺直度、车行道与铁路承台距离两方面考虑，下穿段给出两种路基断面方案，以车行道与承台的距离为变量来分析两种路基方案对铁路桥梁的影响。

方案一：线形顺直，道路红线宽度40 m，中央分隔带宽8.1 m，车行道边缘与铁路承台的距离分别为0.02 m和0.16 m。方案二：道路红线宽度由标准段的40 m渐变为下穿段的48 m，将车行道置于铁路桥跨中间，中央分隔带宽16.1 m，车行道边缘与铁路承台的距离分别为4.02 m和4.16 m。

3 计算分析

3.1 计算模型

根据新建道路与铁路桥梁相对位置关系，采用有限元软件Midas GTS/NX建立三维有限元模型，进行数值模拟计算。土体采用摩尔库伦本构模型，铁路桥墩、承台及新建道路路基采用实体单元模拟，铁路承台下方的桩基础采用植入式梁单元模拟，路面施工、运营荷载采用面荷载模拟。

模型沿X、Y、Z这3个方向的边界尺寸分别为158 m、80 m、55 m，其中，X为铁路顺桥向，Y为铁路横桥向，Z为竖向。计算模型具体见图1。

各土层的计算参数采用工程地勘参数及上海地区工程经验进行取值。模型中采用的岩土体及结构参数设置具体见表1。

为了准确分析道路施工对既有铁路桥墩的影响，采用动态模拟施工过程的计算方法，模拟计算工况包括场地初始、桥梁结构建成、基底换填层开挖、施作换填层、施作路面结构、通车运营6个步骤。由于铁路桥梁基础形变主要受路基结构开挖卸载、施工期间荷载和后期运营荷载等荷载综合影响[5]，故此次计算分析分别考虑路基开挖、地基换填、路面施工作业和道路运营这4个阶段。

3.2计算结果

分别计算两种道路断面方案对既有铁路桥墩位移的影响，分别考察桥墩纵桥向、横桥向和竖向位移。

路基方案一下，铁路桥墩纵桥向、横桥向和竖向位移值如下表所示。从计算结果可看出，竖向位移值大于横桥向和纵桥向，桥墩最大竖向位移值出现在道路运营阶段。

路基方案二下，铁路桥墩纵桥向、横桥向和竖向位移值如下表所示。从计算结果可看出，竖向位移值同样大于横桥向和纵桥向，桥墩最大位移值同样出现在道路运营阶段。

对比计算结果可知，当道路车行道紧邻桥梁承台时，即方案一，路基开挖和后期运营产生的位移对铁路桥墩影响较大，桥墩最大竖向位移值为5.05 mm，大于规范规定的基础沉降控制值4 mm;当道路车行道位于两铁路桥墩中间，即方案二，桥墩最大竖向位移值为4.02 mm，虽小于方案一，但仍大于规范规定的基础沉降控制值4 mm。

上述分析表明，该工程路基施工和运营对既有铁路桥墩影响较大，不能满足铁路的正常运营安全。为了确保铁路运营安全，建议该新建道路下穿既有铁路桥梁采用桩板结构形式，并参照《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》（TB 10182-2017）[4]进行结构布置。

4 桩板结构方案

该工程道路下穿既有铁路桥梁采用桩板结构形式，道路红线宽度40 m，中央分隔带宽度8.1 m，上下行机动车道分别于铁路桥81#桥墩两侧布置。

桩板结构采用（10+18+10）m的跨度布置，桥头搭板长度5 m，分幅布置，采用钢筋混凝土结构，顶板厚度1.00 m;桩基础位于铁路桥梁投影线外侧，结构投影未侵入铁路承台范围，最小距离0.16 m;樁基直径1.2 m，与铁路桩基中心最小距离为7.87 m，大于7.2 m（6×1.2=7.2m）;桩板结构护栏外侧与铁路桥墩的净距为3.4 m>2.5 m，铁路桥下道路通行净空为5.9 m，符合规范要求。

5结语

（1）随着车行道与铁路承台距离的增大，道路路基施工和运营阶段对铁路桥墩位移的影响逐渐变小。

（2）此新建道路即使机动车道位于桥跨中间时，铁路承台产生的竖向位移仍不满足规范要求，故建议此道路在涉铁段采用桩板结构方案，以进一步减小对铁路运营的影响。

（3）新建或改扩建城市道路下穿既有普速铁路时，应从经济性、对铁路影响情况、施工难度等方面进行综合比选，确定下穿工程的最优方案。

参考文献

[1] 邝显聪.某城市干线道路施工对下穿铁路桥梁的影响研究[D].广州：广州大学，2017.

[2] 杜威.新建道路下穿施工对既有铁路线运营影响的分析研究[D].杭州：浙江大学，2020.

[3] 邓称意.某城市主干道下穿既有高铁设计案例分析[J].工程设计，2019，4（14）：208-209.

[4] 同济大学、中国铁路经济规划研.公路与市政工程下穿高速铁路技术规程：TB 10182-2017[S].北京：中国铁道出版社，2018.

[5] 赵海洋.软土地区新建道路下穿铁路设计方案分析[J].交通与运输，2019，35（6）：37-40.

[6] 孙健，王玉玲.城市道路下穿高速铁路的关键技术研究[J].中国市政工程，2021（5）：77-81.

[7] 杨国涛. 高寒地区高速铁路路基基床表层冻胀机理与轨道平顺性控制研究[D].北京：北京交通大学，2020.