中铁上海设计院集团有限公司 上海 200070
摘要：随着我国基础设施如火如荼的发展，近些年来修建了大量的铁路。截止2020年末，全国铁路营业里程14.63万公里，其中高铁3.8万公里，高铁线路的承载型式中桥梁所占比例较大。同时，伴随着城市的发展，新建、改建公路也日益增多，在施工过程中碰到下穿铁路桥梁的情况也屡见不鲜。本文结合某公路项目，通过理论分析、数值模拟、数据处理等方法对公路下穿既有铁路桥梁的安全进行了分析，并根据分析结果对设计方案进行了优化，为公路下穿既有铁路桥梁提供了施工依据，确保了既有桥梁的安全。
关键词：铁路桥梁；公路；数值模拟；下穿开挖；数据分析
0 前言
近些年来我国经济社会不断发展，随着公路网与铁路网的不断延伸，公路与铁路交叉工程也越来越多。铁路运输生产是国民经济的大动脉，是联系社会生产、分配、交换和消费的纽带，另外，铁路尤其是高速铁路具有高速度、高可靠、高舒适和高安全性的特征，因此列车的安全运营对铁路的线形及轨道的平顺性具有极高的要求。公路工程下穿既有铁路桥梁施工，改变了既有桥梁下的桩基础与土体的受力平衡状态，使桩基础受到附加应力的作用，进而使桥梁上部结构产生一定的沉降和水平位移。所以，在公路下穿既有铁路时，公路的施工和运营难免会对铁路的正常安全运营带来隐患。由此可见，公路与铁路交叉方案的设计与施工至关重要。
本文利用有限元分析软件MIDAS-NX建立铁路桥梁三维模型，分析在路基段施工情况下，对既有铁路上下行联络线、既有高速铁路桥梁的影响。并通过数据分析，提出了优化设计方案的建议和结论。
1 工程概况
该公路主路采用双向8车道，设计速度60km/h，辅路采用双向4车道，设计速度40km/h，沥青混凝土路面结构。连续下穿既有铁路上行联络线、高速铁路、下行联络线的桥梁。上、下行联络线为单线，设计时速为160km/h，采用无砟轨道。高速铁路为双线，设计时速为350km/h，采用无砟轨道。下穿铁路段，上下行线为4跨简支箱梁（24+32+32+32），高铁为4跨简支箱梁（24+32+32+32）。上下行联络线桥梁桩基直径1m，桩长52.5m，高铁桥梁桩基直径1m，桩长56.5m~58.5m。
公路下穿段土层主要为耕表土（Q4ml）、粉质粘土（Q3al）、粉土（Q3al）。下穿段公路与上下行联络线、高铁在平面上斜交，交角约89°，该公路外边缘与上下行联络线桥梁承台水平方向最小净距2.87m，下穿上行线51#～55#墩，下行线52#～56#墩；与高速铁路桥梁承台水平方向最小净距2.73m，下穿高铁桥梁33#～37#墩。
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图1-1 某公路下穿既有铁路上下行联络线、高铁桥梁平面图
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图1-2 某公路下穿既有铁路上下行联络线、高铁桥梁立面图
2 公路施工阶段对桩基的影响机理
该公路主路、辅路均为挖方路基，开挖边坡1：1，主路开挖深度约1.8~1.9m，辅路开挖深度约1.5~1.6m。
以挖方路基的形式修建公路，卸载对桩基的影响如图2-1所示。上层土开挖卸载后，会导致下层土回弹隆起，边坡土体产生侧向变形，由此对铁路桥梁桩基的影响包括两个方面：①桩周土的隆起会使桥梁桩基随着土体向上位移；②铁路桥梁桩基在两侧土压力差的作用下会产生靠近开挖道路方向的水平位移，上述两种情况同时发生，并互相影响。
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图2-1 挖方路基桩土相互作用示意图
既有铁路上下行联络线、既有高速铁路桥梁桥墩采用圆端型实体墩，桥墩基础均采用钻孔灌注桩基础。
本次项目控制内容包括：桥梁的沉降、差异沉降、横向水平变形和纵向水平变形等。经整理主要控制指标、限值如下：
表2-1 安全评估控制指标及限值
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3 公路施工对桥梁桩基影响数值分析
本次数值分析采用三维有限元软件建模、计算。该软件在岩土工程领域有着广泛的应用，对于进行复杂岩土工程的数值分析和设计评估非常适合。
3.1数值模拟工况
计算以土层自重应力为主，本段不存在地质构造，故不考虑地质构造应力。根据公路施工方案，模拟施工工况如下：
工况1：左右幅主车道工程对称施工；工况2：左右幅主车道工程铺设；工况3：左右幅辅车道工程对称施工；工况4：左右幅辅车道工程铺设。
3.2模型建立
模型中岩土体单元采用摩尔库伦模型（Mohr—Coulomb），模型宽度为高铁桥梁墩台两侧各30m，长度为150m，高度为60m，几何关系按照实际位置布设。桥梁桩基采用嵌入式杆单元，土层与桥墩采取实体单元模拟。有限元模型如下图。
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图3.2-1 模型整体视图
3.3模拟结果
工况1：左右幅主车道工程对称施工
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图3.3-1 墩顶横向水平位移、纵向水平位移、竖向位移云图
根据以上变形云图可知，左右幅主车道工程对称施工完成后，高速铁路桥梁墩顶横向水平位移最大为-0.037mm，发生在35#墩；墩顶纵向水平位移最大为0.590mm，发生在36#墩；竖向位移最大为0.878mm，发生在35#墩。
上行线桥梁墩顶横向水平位移最大为1.311mm，发生在53#墩；墩顶纵向水平位移最大为1.150mm，发生在54#墩；竖向位移最大为1.190mm，发生在53#墩。
下行线桥梁墩顶横向水平位移最大为-1.035mm，发生在54#墩；墩顶纵向水平位移最大为1.417mm，发生在55#墩；竖向位移最大为1.422mm，发生在54#墩。
工况2：左右幅主车道工程铺设
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图3.3-2 墩顶横向水平位移、纵向水平位移、竖向位移云图
根据以上变形云图可知，左右幅主车道工程铺设完成后，高铁铁路桥梁墩顶横向水平位移最大为-0.022mm，发生在35#墩；墩顶纵向水平位移最大为0.040mm，发生在36#墩；竖向位移最大为-0.042mm，发生在33#墩。
上行线桥梁墩顶横向水平位移最大为0.161mm，发生在53#墩；墩顶纵向水平位移最大为0.049mm，发生在54#墩；竖向位移最大为-0.071mm，发生在51#墩。
下行线桥梁墩顶横向水平位移最大为0.095mm，发生在56#墩；墩顶纵向水平位移最大为0.056mm，发生在55#墩；竖向位移最大为-0.068mm，发生在56#墩。
工况3：左右幅辅车道工程对称施工
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图3.3-3 墩顶横向水平位移、纵向水平位移、竖向位移云图
根据以上变形云图可知，左右幅辅车道工程对称施工完成后，高铁铁路桥梁墩顶横向水平位移最大为0.042mm，发生在36#墩；墩顶纵向水平位移最大为-0.539mm，发生在33#墩；竖向位移最大为0.304mm，发生在33#墩。
上行线桥梁墩顶横向水平位移最大为0.710mm，发生在52#墩；墩顶纵向水平位移最大为-0.928mm，发生在51#墩；竖向位移最大为0.540mm，发生在52#墩。
下行线桥梁墩顶横向水平位移最大为-0.605mm，发生在52#墩；墩顶纵向水平位移最大为-1.252mm，发生在52#墩；竖向位移最大为0.396mm，发生在53#墩。
工况4：左右幅辅车道工程铺设
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图3.3-4 墩顶横向水平位移、纵向水平位移、竖向位移云图
根据以上变形云图可知，左右幅辅车道工程铺设完成后，高铁铁路桥梁墩顶横向水平位移最大为-0.027mm，发生在33#墩；墩顶纵向水平位移最大为-0.079mm，发生在34#墩；竖向位移最大为-0.047mm，发生在33#墩。
上行线桥梁墩顶横向水平位移最大为0.134mm，发生在53#墩；墩顶纵向水平位移最大为-0.118mm，发生在52#墩；竖向位移最大为-0.075mm，发生在51#墩。
下行线桥梁墩顶横向水平位移最大为0.097mm，发生在52#墩；墩顶纵向水平位移最大为-0.103mm，发生在53#墩；竖向位移最大为-0.068mm，发生在56#墩。
3.4数据综合分析
综合以上各工况位移计算结果云图可以得出，公路施工不可避免的对既有铁路上下行联络线、高铁桥梁产生影响，路基的开挖产生 “卸荷效应”，使高铁桥梁发生向上及路基边坡方向的位移，公路施工引起铁路桥梁变形为：
高铁桥梁墩顶横向水平位移最大为0.042mm，发生在36#墩；桥梁墩顶纵向水平位移最大为0.590mm，发生在36#墩；桥梁竖向位移最大为0.878mm，发生在35#墩。
上行线桥梁墩顶横向水平位移最大为1.311mm，发生在53#墩；桥梁墩顶纵向水平位移最大为1.150mm，发生在54#墩；桥梁竖向位移最大为1.190mm，发生在53#墩。
下行线桥梁墩顶横向水平位移最大为-1.035mm，发生在54#墩；桥梁墩顶纵向水平位移最大为1.417mm，发生在55#墩；桥梁竖向位移最大为1.422mm，发生在54#墩。
3.5 公路运营阶段对铁路桥梁影响
该公路工程设计为城市主干路，机动车道路基宽度15.5米，根据《公路工程技术标准》（JTG B01-2014），按城市—A级计算车道荷载，车辆重力标准值为550kN，车辆纵向长度为15m。公路运营期间对桥梁的影响如下所示：
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图3.5-1 墩顶横向水平位移、纵向水平位移、竖向位移云图
由以上位移云图可以得出，公路运营期间：
高铁桥梁墩顶横向水平位移最大为-0.269mm，发生在36#墩；桥梁墩顶纵向水平位移最大为0.700mm，发生在33#墩；桥梁竖向位移最大为-0.396mm，发生在35#墩。
上行线桥梁墩顶横向水平位移最大为-1.195mm，发生在53#墩；桥梁墩顶纵向水平位移最大为0.959mm，发生在51#墩；桥梁竖向位移最大为-0.653mm，发生在53#墩。
下行线桥梁墩顶横向水平位移最大为1.044mm，发生在54#墩；桥梁墩顶纵向水平位移最大为1.190mm，发生在52#墩；桥梁竖向位移最大为-0.735mm，发生在54#墩。
4 公路设计与施工安全控制措施
4.1 公路设计安全控制措施
（1）考虑公路长期运营安全，建议公路下穿高速铁路位置采用桩板结构设计方案。
（2）高速铁路影响区域内（20m）不应使用高压旋喷桩进行地基处理；
（3）挖方路基不应超挖，路基坡脚不允许侵入高铁桥墩，且净距大于3米，不满足部分建议在影响范围内调整公路路幅设计宽度；
（4）下穿段公路应采用集中排水方式，引出铁路保护区外（20m），且不得在高速铁路影响区范围内设置集水井和排水总管，管线与高速铁路桥梁承台边缘的水平净距不宜小于3m。
（5）公路应在高铁影响范围内设置路基防撞护栏，护栏外侧与高速铁路桥墩的净距不小于2.5m，且满足《公路交通安全设施设计规范》JTG D81 要求的SS级，防撞护栏基础设计应满足稳定性要求，施工不允许超挖。
4.2 公路施工安全控制措施
（1）高速铁路影响区域内（20m），路基及路面结构层碾压不得采用重型振动碾压设备。
（2）施工材料及设备不应集中堆放在高速铁路影响区内。
（3）公路施工应设置临时排水措施，排水集中区应设置在高铁安全保护区外。
（4）依据高铁建设单位的相关保护规定及时办理相关手续。
5 结论与建议
（1）高速铁路桥梁
①纵横向位移与沉降
该公路施工对高速铁路桥梁累计最大附加隆起值为-0.396mm（35#墩），叠加设计值后的累计沉降量最大值为-14.92mm（35#墩），满足《高速铁路设计规范》规定的工后沉降量20mm的限值要求；桥梁累计最大横向水平变形量为-0.269mm（36#墩），叠加设计值后的累计横向水平变形量最大值为6.150mm（36#墩），满足《高速铁路设计规范》规定的工后最大横向水平变形极限值要求；桥梁累计最大纵向水平变形量为0.700mm（33#墩），叠加设计值后的累计纵向水平变形量最大值为4.250mm（33#墩），满足《高速铁路设计规范》规定的工后最大纵向水平变形极限值要求。
②结构安全性计算
经检算，桩基配筋面积均满足要求，桩基单桩承载力略有增加，最大增加19.67kN（35#墩），如下表所示，小于单桩容许承载力，因此高铁桥梁桩基强度满足要求，不会影响铁路后期运营安全。
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（2）铁路上行线桥梁
①纵横向位移与沉降
该公路施工对上行联络线桥梁累计最大附加隆起值为-0.653mm（53#墩），叠加设计值后的累计沉降量最大值为-18.18mm（51#墩），满足《高速铁路设计规范》规定的工后沉降量20mm的限值要求；引起的阶段累计最大横向水平变形量为-1.195mm（53#墩），叠加设计值后的累计横向水平变形量最大值为6.110mm（53#墩），满足《高速铁路设计规范》规定的工后最大横向水平变形极限值要求；引起的阶段累计最大纵向水平变形量为0.959mm（51#墩），叠加设计值后的累计纵向水平变形量最大值-8.690mm（51#墩），满足《高速铁路设计规范》规定的工后最大纵向水平变形极限值要求。
②结构安全性计算
经检算，桩基配筋面积均满足要求，桩基单桩承载力略有增加，最大增加14.32kN（53#墩），如下表所示，小于单桩容许承载力，因此桥梁桩基强度满足要求，不会影响铁路后期运营安全。
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（3）铁路下行线桥梁
①纵横向位移与沉降
该公路施工对下行联络线桥梁累计最大附加隆起值为-0.735mm（54#墩），叠加设计值后的累计沉降量最大值为-18.76mm（54#墩），满足《高速铁路设计规范》规定的工后沉降量20mm的限值要求；引起的阶段累计最大横向水平变形量为1.044mm（54#墩），叠加设计值后的累计横向水平变形量最大值为-6.930mm（54#墩），满足《高速铁路设计规范》规定的工后最大横向水平变形极限值要求；引起的阶段累计最大纵向水平变形量为1.190mm（52#墩），叠加设计值后的累计纵向水平变形量最大值为8.440mm（52#墩），满足《高速铁路设计规范》规定的工后最大纵向水平变形极限值要求。
②结构安全性计算
经检算，桩基配筋面积均满足要求，桩基单桩承载力略有增加，最大增加15.34kN（54#墩），如下表所示，小于单桩容许承载力，因此桥梁桩基强度满足要求，不会影响铁路后期运营安全。
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（4）公路设计应考虑高铁维修养护要求，避免影响将来高铁维修检查作业。
（5）在施工过程中，还要加强监控措施，做好风险管理，做好施工组织及安全预案以使风险损失达到最小。
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