某新建道路下穿既有鐵路橋孔的影響分析與應用探討

某新建道路下穿既有鐵路橋孔的影響分析與應用探討

中佑勘察設計有限公司5100002.中交遠洲交通科技集團有限公司華南設計院510000Summary：既有鐵路對于軌道的位移等要求非常嚴格，道路下穿既有鐵路橋孔，需要考慮施工過程及營運過程中，對于既有鐵路橋影響。項目組提出路基方案和樁板橋方案進行了比選，并通過計算分析，最終選定了樁板橋方案下穿既有鐵路橋孔，為推進該工程施工奠定了良好的基礎。文中首先提出方案比選，以及施工期間影響的計算分析、施工方案，再結合案例分析情況，提出了新建道路下穿鐵路的控制措施及應用探討等。Keys：下穿既有鐵路；樁板橋；計算分析；施工方案；控制措施；應用探討引言廣州某新建道路工程，需穿越既有穗莞深城際鐵路，不具備避開的可能，僅能下穿既有穗莞深鐵路橋梁孔的方案，穿越穗莞深城際鐵路處，鐵路橋梁為25m一跨組合的多跨橋梁結構形式，新建道路為雙向八車道主干路，則需穿越兩孔鐵路橋梁，但穗莞深城際鐵路為正在運營中的鐵路，根據(jù)鐵路部門相關的管理規(guī)定，需進行專項方案設計和影響評價分析，通過項目組提出路基方案和樁板橋方案進行了比選，并通過計算分析，最終選定了樁板橋方案下穿既有鐵路橋孔，保證施工及運營期間對既有鐵路產生影響的最小。一、某新建道路下穿既有鐵路橋孔工程基本概述根據(jù)規(guī)劃路網(wǎng)，廣州某新建道路工程需穿越既有穗莞深城際鐵路，不具備避開的可能，僅能下穿既有穗莞深鐵路橋梁孔的方案，穗莞深城際鐵路為設計時速180km/h的在運營城際鐵路，下穿越穗莞深城際鐵路處，鐵路橋梁為25m一跨組合的多跨橋梁結構形式，基礎為端承樁形式，新建道路標準路段為雙向八車道，規(guī)劃紅線寬度為50m，設計車速為60km/h，定位為城市主干道，下穿穗莞深城際鐵路左線橋梁，兩幅路分別從左線橋梁1號墩~2號墩和2號墩~3號墩中間穿過，交角為82.4°，橋墩承臺位于中央綠化帶及人行道上，承臺邊距離樁板梁邊最小距離分別為3.6m、1.1m、0.2m、4.3m；下穿穗莞深城際鐵路右線橋梁，兩幅路分別從右線橋梁3號墩~4號墩和4號墩~5號墩中間穿過，交角為87.7°，橋墩承臺位于中央綠化帶及人行道上，承臺邊距離樁板梁邊最小距離分別為1.1m、0.9m、1.0m、1.0m，根據(jù)本工程綜合考慮，下穿穗莞深城際鐵路隨路敷設的地下管線有：DN300給水管（雙側布置）、3×4根通信管道（尺寸57cm×70cm，單側布置）、4×7根電力管道（尺寸85cm×155cm，單側布置）、D500污水管、D800~D1000雨水管。穗莞深城際鐵路為正在運營中的鐵路，新建道路距離鐵路橋較近，根據(jù)鐵路部門相關的管理規(guī)定，需進行專項設計方案和影響評價分析，通過項目組提出路基方案和樁板橋方案進行了比選，并通過計算分析，最終選定了樁板橋方案下穿既有鐵路橋孔，保證施工及運營期間對既有鐵路產生影響的最小。二、道路下穿既有鐵路橋孔的設計方案比選1、地質情況概述根據(jù)地質詳勘報告，在本次勘探深度范圍內，項目區(qū)范圍主要由新生界第四系（Q）地層和白堊系（K）地層組成。其中土層主要為第四系全新統(tǒng)（Q4），缺失中更新統(tǒng)和下更新統(tǒng)，由人工填土層（Q4ml），淤泥質土、黏性土層及砂土層（Q4al+pl）組成，下伏基巖為燕山期侵入巖（γ）。不存在泥石流、水庫坍塌等不良地質條件，地下未發(fā)現(xiàn)采空區(qū)，未發(fā)現(xiàn)地面塌陷、巖溶等不良地質。下穿方案比選方案一，路基方案靠近穗莞深城際鐵路承臺基坑外圍采用φ80cm隔離樁作為防護樁，樁長8m，中心距1m。隔離樁內側開挖污水管、給水管、雨水管、電力、通信基坑，采用30cm厚C25防水混凝土進行不降水封底，然后施工防護樁冠梁及樁間注漿防水；施工工序：防護樁施工→防水混凝土不降水封底→管道基坑施工→管線敷設→管線溝槽回填→上路床處理回填→路面結構底基層、基層施工→防撞護欄施工→道路面層施工。方案二：樁板橋方案下穿道路采用樁板橋結構，將管線位置布設在橋墩中間，盡量遠離橋墩，采用直接開挖給水、雨水、電力、通信基坑，30cm厚C25防水混凝土進行不降水封底，最后施工樁板結構。將D500污水管改移位置，并行鐵路施工時，在鐵路側采用直徑0.8m，中心距1.0m，樁長7.0m的隔離樁對穗莞深城際鐵路進行防護，隔離樁中心距污水管中心的距離為2.0m。施工順序：管道基坑放坡開挖→采用30cm厚C25防水混凝土進行不降水封底（給水管、雨水管、電力管、通信范圍）→開挖電力隧道基坑開挖→基坑回填→樁板結構施工→防撞護欄施工→道路基層、面層施工。三、下穿道路施工及運營對鐵路橋梁結構的影響計算分析1、影響評估標準根據(jù)高速鐵路構筑物（橋梁）沉降評估標準，需要對豎向位移變形量、橫向水平變形量、縱向水平變形量、沉降量、差異沉降量、樁基承載力等進行計算評估。影響性評估控制指標及限值序號類別控制指標采用限值對應規(guī)范備注1豎向位移變形量橋墩臺頂豎向位移變形量（附加值）2mm《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規(guī)程》（TB10182-2017)無砟軌道2橫向水平變形量橋墩臺頂橫向水平變形量（附加值）2mm《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規(guī)程》（TB10182-2017)無砟軌道3縱向水平變形量橋墩臺頂縱向水平變形量（附加值）2mm《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規(guī)程》（TB10182-2017）無砟軌道4沉降量橋墩臺累計沉降量（設計值＋施工、運營附加值）20mm《城際鐵路設計規(guī)范》（TB10623-2014）無砟軌道5差異沉降量橋相鄰墩臺累計差異沉降量（設計值＋施工、運營附加值）10mm《城際鐵路設計規(guī)范》（TB10623-2014）無砟軌道6橫向水平變形量橋梁墩臺頂橫向水平變形量12.5mm《城際鐵路設計規(guī)范》（TB10623-2014）0.0005L，L為橋梁跨度7縱向水平變形量橋梁墩臺頂縱向水平變形量25.0mm《鐵路橋涵設計規(guī)范》（TB10002-2017）5√L，L為橋梁跨度8樁基承載力橋樁基單樁軸力值（設計值十施工、運營附加值）＜單樁承載力值根據(jù)規(guī)范計算《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》（TB10093-2017）按式6.2.2-2計算2、計算模型概述本次計算采用大型通用有限元分析軟件建立整體三維有限元模型進行計算分析，為消除計算邊界效應的影響，考慮到施工過程中的空間效應，計算模型取其有效影響范圍，評估中取長170m，寬86m，自地表起60m厚土體作為計算范圍。計算模型中，土體均采用摩爾庫倫本構來模擬；橋梁樁基礎采用1D梁單元模擬、橋墩以及承臺采用3D實體單元模擬，且均采用彈性本構模型。模型頂面取為自由邊界，底面采用三向約束，其它面均采用法向約束。路基方案影響分析①綜合各種因素，最終選定的計算模型圖如圖所示，單元共計151029個，節(jié)點共計29804個。具體工況如下。工況一：隔離樁施工并開挖道路基坑；工況二：開挖左線西側并行的d500污水管和d1200雨水管道基坑；工況三：橫穿鐵路左線（3號墩和4號墩間）和右線（5號墩和6號墩間）的d500污水管基坑開挖；工況四：開挖位于左線2號和3號橋墩及右線4號和5號橋墩之間的DN200給水管道、D12通信管道、d300雨水管道基坑；工況五：開挖位于左線1號和2號橋墩及右線3號和4號橋墩之間的DN200給水管道、DL10kVL28電力管道、d300雨水管道基坑；工況六：管道敷設施工、基坑回填至路面結構底部標高；工況七：路面結構施工，同時施加路面及運營荷載。三維計算模型圖截選第二工況城際鐵路左線橋梁縱向變形云圖（所有工況最大變形）②計算結果分析據(jù)本工程設計方案相關內容，經(jīng)過有限元模擬分析，得出本階段主要評估結論如下：道路下穿穗莞深城際鐵路施工和運營過程中會對鐵路橋梁基礎產生一定的附加影響，各個工況下對橋梁的變形影響模擬結果如下表：穗莞深城際鐵路左線鐵路橋梁累計階段附加變形絕對值（單位：mm）對穗莞深城際鐵路右線鐵路橋梁累計階段附加變形絕對值（單位：mm）綜上所述，本新建道路以路基方式下穿穗莞深城際工程的設計和施工方案均可行，但工況二，對穗莞深城際鐵路橫向變形較大，接近臨界值，考慮到各類不可控風險的客觀存在，建議增加方案比選，確保鐵路的安全、平穩(wěn)運營。樁板橋方案影響分析綜合各種因素，最終選定的計算模型圖如圖所示，單元共計159496個，節(jié)點共計31944個。具體工況如下。工況一：樁板結構樁基施工，并將道路基坑開挖至設計標高；工況二：施工城際鐵路線兩側并行段d500污水管基坑防護樁，并將污水管基坑開挖至設計標高；工況三：開挖左線2、3號橋墩及右線4、5號橋墩間的給水、雨水和通信管道基坑；工況四：開挖左線1、2號橋墩及右線3、4號橋墩間的給水、雨水和電力管道基坑。工況五：管道敷設施工及基坑回填；工況六：路面結構施工及運營。三維計算模型圖截選第二工況城際鐵路右線橋梁縱向變形云圖（所有工況最大變形）②計算結果分析據(jù)本工程設計方案相關內容，經(jīng)過有限元模擬分析，得出本階段主要評估結論如下：道路下穿穗莞深城際鐵路施工和運營過程中會對鐵路橋梁基礎產生一定的附加影響，各個工況下對橋梁的變形影響模擬結果如下表：穗莞深城際鐵路左線鐵路橋梁累計階段附加變形絕對值（單位：mm）對穗莞深城際鐵路右線鐵路橋梁累計階段附加變形絕對值（單位：mm）通過上表可知，本新建道路以樁板橋方式下穿穗莞深城際工程的設計和施工方案均可行，滿足相關法律法規(guī)及國家或行業(yè)、規(guī)范及準則，對穗莞深城際的影響在有關規(guī)范限值之內。考慮到各類不可控風險的客觀存在，建議在后續(xù)建設施工中應制訂相關專項應急預案和現(xiàn)場處置方案，保障項目的安全進行，確保鐵路的安全、平穩(wěn)運營。施工方案及施工組織施工方案施工順序：管道基坑放坡開挖→采用30cm厚C25防水混凝土進行不降水封底（給水管、雨水管、電力管、通信范圍）→開挖電力隧道基坑開挖→基坑回填→樁板結構施工→防撞護欄施工→道路基層、面層施工。①、樁基礎采用旋挖成孔灌注樁。橋墩采用鋼模搭支架分段施工。鐵路影響區(qū)范圍內橋梁樁基嚴禁使用沖擊鉆成孔，避免或減少對鐵路安全的不利影響。②、現(xiàn)澆箱梁采用梁式支架法整體連續(xù)澆注，一次落架的施工方法。2、施工組織項目周邊為密集的商鋪及居民區(qū)。項目在實施過程中，施工組織遵循以下原則：①、保持現(xiàn)狀交通的原則確?，F(xiàn)有道路在改造期間仍能維持與現(xiàn)狀相當?shù)慕煌ㄟ\行條件，始終維持好現(xiàn)有交通，保證車輛暢通，不隨意封路，不隨意占用行車道。②、自然分流與管制分流相結合的原則通過廣告宣傳和交通管制，做到科學合理的分流車輛，施工路段前后有關交叉路，要設置明顯的交通指示牌，引導車輛行駛調節(jié)各線路交通量，施工路段禁止隨意停車，以保證車輛順暢行駛。③、交通大于施工的原則工程開工前，積極主動與各施工單位聯(lián)系,相互支持,積極配合,制定切實可行的總體交通組織方案,通過有關門批準后，先試行一段時間，經(jīng)檢驗切實可行后再正式實施，以確保交通安全順暢?？刂拼胧?、在下穿建設范圍內，須在施工期間為鐵路設施進行保護及監(jiān)測。根據(jù)原鐵道部及廣鐵集團《廣鐵集團鐵路營業(yè)線施工安全管理實施細則》廣鐵運發(fā)【2018】105號精神，遵循以下原則：(1)、在正式施工前，要對鐵路通信、鐵通光纜等既有管線敷設的徑路進行補充定測，并與設備管理單位共同調查確認地下管線位置，如設備管理單位無法提出其準確位置，應采取儀器探測，人工探測等方法進行調查，在確保其徑路及鐵路既有設施安全的前提下，進行橋梁施工。(2)、對所有外露的鐵路通信、鐵通光纜等既有管線在施工及過渡期間派人巡視看守，并進行必要的防護，嚴格按有關規(guī)范、規(guī)定和細則等要求施工，以確保鐵路運營及施工安全。(3)、對橋梁施工可能引起的鐵路地界內各類接觸網(wǎng)、貫通線、自閉線、通訊線的電桿進行遷改、保護，對基礎進行加深加大處理，必要時采用過渡方案。在施工及過渡期間對沉降、傾斜等位移進行24小時連續(xù)觀測，研究制定可能發(fā)生的風險源以及應急預案。2、行車安全條件：在施工期間，施工防護員、駐站聯(lián)絡員24小時值班，各相關鐵路設備管理部門根據(jù)安全協(xié)議進行24小時值班。橋梁施工需對鐵路橋梁進行監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)橋墩、承臺位移及沉降超過規(guī)定值，立即停止施工，啟動應急預案。3、施工安全方案：在施工前，對暗埋的鐵路通信、鐵通光纜等既有管線探明后，對施工可能造成影響的管線小心挖出，用硅塑管、彩條包封后加扣電纜槽進行臨時防護，在施工及過渡期間派人24小時看守，施工完畢后，放入預制電纜槽內并用水泥封堵。對施工可能造成影響的各類鐵塔、支柱及接觸網(wǎng)桿的基礎進行加深加大處理，必要時采用過渡方案。4、應急預案在工程實施前，應考慮事故發(fā)生的可能性，并預計事故發(fā)生的種類和時機，除在施工中努力杜絕事故發(fā)生外，尚應在制度、人員、組織、物資、設備等方面作好突發(fā)事故的準備。具體包括：①依據(jù)工程情況和工程環(huán)境，編制嚴密的《工程應急預案》。②建立困難條件下領導組織、物資、運輸、技術條件的總體協(xié)調保證措施，成立施工搶險小組，明確項目負責人。③建立地下工程監(jiān)測信息反饋系統(tǒng)。④明確搶險物資的來源、運輸、儲備、種類及使用過程。⑤應儲備用于基坑等結構加強支撐的材料、堵漏材料。⑥應儲備用于加固的鋼材、水泥、沙、編織袋等。⑦基坑外地面下陷、建筑物嚴重傾斜、管線斷裂時，應立即停止基坑開挖，支撐加固建筑物、構筑物，并采用有效措施補充地層損失。⑧相鄰鐵路路基、鐵路擋墻變形嚴重時，應立即停止施工，采用邊墻外堆沙袋，控制路基和擋墻變形，防止路基失穩(wěn)，線下補充道碴，保證軌道線型。5、施工監(jiān)測現(xiàn)場監(jiān)控量測是施工的監(jiān)控手段，應貫穿整個施工過程中，以便隨時反饋施工過程中的力學動態(tài)及地層變化情況，及時調整頂進參數(shù)，合理安排施工工期?，F(xiàn)場監(jiān)控量測內容主要包括地表下沉、附近構筑物的沉降、位移、變形、土層壓力、鋼筋應力等。所有監(jiān)測項目必須在盡早的時間測得穩(wěn)定的初始值。在實際施工中，應根據(jù)實際情況，會同鐵路有關管養(yǎng)部門對警戒值、注意值進行分析、使用、修正（放寬或從嚴）。應用探討根據(jù)建設條件，擬建道路下穿高鐵主要有橋梁結構（樁板橋）、支護+路基以及路基+半U形槽復合結構三種方案，通過本案例的計算分析，并結合《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規(guī)程》（TB10182-2017），可得出，當?shù)缆沸熊嚨肋吘€距離鐵路