公路匝道桥下穿高速铁路桥梁安全影响分析

崔素花，刘玉玲，王 静

(1.江苏建筑职业技术学院交通工程学院,江苏 徐州 221116;2.中路高科交通检测检验认证有限公司,北京 100088;3.中铁上海设计院集团有限公司徐州设计院,江苏 徐州 221000)

0 引言

随着我国铁路和公路建设的快速发展,公路与铁路桥梁立体交叉的情况越来越多,公路下穿施工会对既有铁路造成影响,为了确保铁路列车行驶安全和旅客乘车的舒适度,桥梁沉降限值和基础承载力成为了评价高速铁路桥梁是否能安全运营的重要指标。目前,国内对穿越高铁采用不同的施工方法(路基、桩板结构、刚构桥等)下穿既有铁路,而涉及高速公路匝道桥穿越铁路桥的工程研究较少,可以借鉴的经验有限,因此下穿铁路桥的高速公路匝道施工对铁路桥的影响评估具有很大的价值。

1 工程概况

以某高速公路稍坡复合互通A匝道下穿青盐铁路马站绣针河特大桥为背景,分析研究公路匝道桥下穿铁路桥梁施工,对铁路桥梁的影响。

1.1 青盐铁路概况

青盐铁路为双线电气化铁路,客货共线,有砟轨道,设计时速200 km/h。

日照港岚山港区疏港高速公路稍坡复合互通A匝道在岚罗高速汾水枢纽北侧与青盐铁路交叉马站绣针河特大桥,交叉处公路里程为AK3+460,位于岚山西—赣榆北区间,里程约为K185+507。交叉处青盐铁路马站绣针河特大桥为32 m简支T梁,桥下净高约16 m,稍坡复合互通A匝道在第120号—121号墩之间桥下穿过,交叉角度为48.8°。

1.2 下穿高速公路概况

本项目在岚罗高速汾水枢纽北侧与青盐铁路交叉,交叉处青盐铁路马站绣针河特大桥为32 m简支T梁,稍坡复合互通从马站绣针河特大桥第120号—121号墩之间桥下通过,交叉角度为48.8°。高速公路A匝道采用(3×35) m预应力混凝土简支小箱梁下穿青盐铁路马站绣针河特大桥,桥面总宽13 m,小箱梁采用预制架设法施工。

1)平面设计:稍坡复合互通A匝道下穿青盐铁路桥所在位置为缓和曲线段,与青盐铁路夹角为48.8°,平面布置图见图1。

2)纵断面设计:最大纵坡0.5%,竖曲线半径采用R=5 200 m。

3)横断面设计:稍坡复合互通A匝道下穿青盐铁路处横断面布置形式:0.6 m(HA级防撞护栏)+11.8 m(机动车道)+0.6 m(HA级防撞护栏)=13.0 m。

4)桥梁孔跨布置:为最大程度减少下穿青盐铁路桥梁结构基础施工对既有铁路设备的影响,基础布置不得侵入铁路建筑限界,满足新建结构桩基与青盐铁路桥梁桩基中心距不小于4倍下穿工程桩径的要求,稍坡复合互通A匝道主跨采用35 m简支小箱梁下穿青盐铁路桥,两边孔同样采用跨度为35 m的小箱梁以便于架桥设备试吊。

下穿青盐铁路桥梁交叉桩号为AK3+460,跨铁路部分桥长112.0 m。

桥跨布置为:(3×35)m预应力混凝土简支小箱梁,桥面连续。

5)上部结构:小箱梁采用预制架设法施工,每孔采用4片箱梁,桥面全宽13.0 m,湿接缝宽0.833 m。35 m小箱梁梁高1.8 m,顶板厚度为22 cm,梁顶设13 cm钢筋混凝土现浇层、防水层、10 cm沥青混凝土面层。

6)下部结构:桥墩采用盖梁柱式墩,基础采用桩基础,桥墩直径为1.6 m,基础采用直径1.8 m钻孔灌注桩基础。

1.3 地质情况

桥梁选址区地质层分别为粉质黏土、含砂粉质黏土、粗砂、全风化片麻岩、强风化片麻岩、中风化片麻岩,均在勘探深度范围内。地下水补给来源主要接受大气降水和支沟小溪径流制约,主要排泄途径为大气蒸发和侧渗方式,其主要为第四系松散岩类孔隙水及基岩裂隙水。表层素填土:黄褐色,稍密,厚度:0.80 m～5.50 m;粉质黏土:黄褐色,可塑—硬塑,干强度及韧性一般,厚度:1.70 m～5.80 m;含砂粉质黏土:黄褐色,可塑—硬塑,厚度:1.60 m～3.40 m;粗砂:黄褐色,中密,饱和,厚度:2.10 m～3.30 m;全风化片麻岩:黄褐色,原始岩层风化程度极为强烈,厚度:0.70 m～7.10 m;强风化片麻岩:黄褐夹灰白色,变晶结构,片麻状构造,厚度:3.50 m～19.60 m;中风化片麻岩:灰白色,变晶结构,片麻状构造,其岩石饱和单轴抗压强度平均值为46.80 MPa。

2 安全影响评估概述

2.1 评估概述

根据相关规范要求,结合本工程特点而拟定的主要专项评估。评估主要内容为:某高速公路稍坡复合互通A匝道施工对青盐铁路马站绣针河特大桥变形的评估。

采用理论计算与有限元模型相结合的方法进行数值模拟计算,并对照评价标准进行定量安全评价,其中有限元模拟通过大型岩土工程通用软件Midas GTS-NX来实现。

2.2 安全评估标准

1)工程设计基本安全评估:某高速公路下穿青盐铁路马站绣针河特大桥工程,根据规范[1]的规定进行基本安全评估,评估结果详见表1。

表1 本项目安全评估内容汇总

2)结构安全评估标准:现有铁路的安全评估一般从结构和附属设施的变形、结构强度和稳定性等方面考虑,其中变形作为主要控制标准。本项目的变形控制标准是参考国内同类工程经验,根据现有铁路运行现状和周边设施制定的,本项目的控制内容包括:桥梁沉降、差异沉降、横向水平变形和纵向水平变形等,控制指标限值均为3 mm。

3 计算模型

公路匝道桥施工对周围环境的影响采用Midas GTS-NX有限元程序进行分析。模型长100 m、宽80 m、深70 m,土体采用三维实体单元模拟,本构模型采用修正后的Mohr-Coulomb模型;桥墩和承台采用三维单元模拟;桩基采用线弹性本构模型。高速铁路桥上部结构以自重形式加载在支墩上模拟,土体水平四周边界采用水平约束,底部边界采用垂直约束。三维空间有限元土体模型如图2所示。

4 三维有限元数值模拟分析

根据本项目设计和施工情况,按照以下几个阶段对施工过程进行模拟,具体模拟过程见表2。

表2 模拟内容

5 计算结果分析

本工程施工是在既有桥梁的基础上进行模拟计算,第一阶段为既有桥梁现状,在第一阶段的基础上,根据工程设计图纸中的位置进行高速铁路桩基、墩台及上部结构施工模拟计算。

5.1 青盐铁路桥沉降变形影响分析

根据建立的整体三维有限元模型计算分析,青盐铁路马站绣针河特大桥各施工阶段沉降变形影响结果云图见图3。

根据表3,表4的模拟运算结果可知:各施工阶段造成青盐铁路马站绣针河特大桥桥墩顶部产生的阶段附加沉降量最大值为-0.921 mm,桥墩顶部阶段累计附加沉降量最大值为-2.516 m,桥墩顶部附加沉降量符合规范[2]3 mm的沉降限值要求。

表3 青盐铁路马站绣针河特大桥桥墩顶施工阶段附加沉降计算结果 mm

表4 青盐铁路马站绣针河特大桥桥

5.2 青盐铁路马站绣针河特大桥桥墩顶横向水平变形影响分析

根据建立的整体三维有限元模型计算分析,青盐铁路马站绣针河特大桥各施工阶段横向水平变形影响结果云图见图4。

根据表5模拟计算结果可知:青盐铁路马站绣针河特大桥各施工阶段桥墩顶部产生的阶段附加横向水平变形最大值为-1.010 mm,墩顶阶段累计附加横向水平变形最大值为-2.610 mm,墩顶附加横向水平变形符合规范[3]中3 mm的限值要求。

表5 青盐铁路马站绣针河特大桥

5.3 青盐铁路马站绣针河特大桥桥墩顶纵向水平变形影响分析

根据建立的整体三维有限元模型计算分析,青盐铁路马站绣针河特大桥各施工阶段墩顶的纵向水平变形影响结果云图见图5。

根据表6模拟计算结果可知:青盐铁路马站绣针河特大桥各施工阶段桥墩顶产生的阶段附加纵向水平变形最大值为-0.697 mm,墩顶阶段累计附加纵向水平变形最大值为-1.934 mm,墩顶附加纵向水平变形满足规范[4-5]中3 mm的限值要求。

表6 青盐铁路马站绣针河特大桥

6 结论及建议

通过以上分析,高速公路稍坡复合互通A匝道下穿青盐铁路马站绣针河特大桥方案可行。

考虑各种风险因素的客观存在提出以下建议:

1)铁路桥下及两侧50 m范围内,施工过程中不得堆载,以免造成桥墩基础下沉。

2)铁路桥梁200 m范围内禁止开采地下水。

3)桥梁端承桩施工应采用全套管跟进的方式,加强施工控制,避免发生土体坍塌事故,减少桩基础施工对既有铁路桥的影响。

4)施工时要做好防护措施,防止施工设施(如吊车、泵车等)侵入铁路限界。