兰鸿翔
（杭州铁路设计院有限责任公司，浙江 杭州 310000）
随着我国越来越多的高速铁路建成投入运营，其他新建市政道路的施工将会与高速铁路产生交叉，因此对于新建工程下穿高速铁路的方案研究是一项重要的工作。李悄[1]等人针对软土地区公路下穿高速铁路方案引起的变形进行分析，得出采用路基下穿并减小和换填路基填方的方式可减小对高速铁路的变形影响；
孙宗磊[2]等人针对新建高速铁路下穿京沪高铁不同桥墩方案对京沪高铁桥梁沉降进行分析，结果表明实体墩方案铁路桥梁影响较小；
解建超[3]针对下穿高速铁路U 型槽结构采用不同路基填料和不同桩基长度引起高铁桥梁附加变形分析，结果表明轻质混凝土填料和增加桩长可减小铁路桥梁附加变形。现以某新建市政道路下穿铁路桥梁不同方案引起的桥梁附加变形进行分析，为其他类似工程提供参考。
1.1 新建市政道路概况
某新建市政道路现状为双向两车道，现拓宽为双向四车道，设计速度50 km/h，两侧设置机非混行道和人行道，机动车道分别从既有某高速铁路14#～15#、15#～16#桥墩、某高速铁路5#～6# 桥墩之间穿越；
北侧辅道某高速铁路12#～13# 桥墩、某高速铁路4#～5# 桥墩下穿越；
南侧辅道从既有某高速铁路17#～18# 桥墩、某高速铁路6#～7# 桥墩之间穿越，如图1 所示，具体铁路设计参数如表1 所列（为便于区分将上述高速铁路分别命名为1#高速铁路和2# 高速铁路）。
图1 道路下穿铁路平面图
表1 1# 高速铁路、2# 高速铁路桥梁设计参数表
1.2 地质资料
桥址沿线主要为江滩地貌，沿线地基土浅部主要为一套全新统海积、冲海积地层，土层厚度、分布及性质均较稳定，土层自上而下为：杂填土、暗塘土、黏质粉土、砂质粉土夹粉砂、粉砂、粉质黏土、中砂、砾砂，地下水位2.0～3.8 m，具体土层参数如表2 所列。
表2 土层参数表
1.3 桩板结构下穿铁路的方案
新建道路下机动车道桩板结构布跨采用5.0 m一跨，板厚0.8 m，宽度8.0 m（含两侧防撞护栏宽度），两侧设置6.0 m 的钢筋混凝土搭板；
南北侧机非混行道桩板结构，曲线布置，采用5.0 m 一跨，板厚0.8 m，宽度7.0 m（含两侧防撞护栏宽度），两侧设置6.0 m钢筋混凝土搭板；
桩基采用φ60 cm，长度30 m。桩板结构与既有1#、2# 高速铁路桥墩空间位置关系见图2、图3 所示。
图2 桩板结构与既有1# 高速铁路桥墩空间位置关系图
图3 桩板结构与既有2# 高速铁路桥墩空间位置关系图
2.1 有限元模型建立
理论分析采用大型有限元分析软件Midas GTS NX，结合现场实际情况和保证模型计算的准确性和收敛性，将模型计算范围取：模型尺寸为纵向135 m（高铁运营方向）×横向110 m（道路运营方向）×竖向51 m（土层方向）。
土体采用修正莫尔-库伦模型[4]模拟其本构关系，模型边界条件为：上部边界为自由、四周边界采用水平约束、底部边界采用固定约束[5]。模型中除桩基采用梁单元模拟外，其余结构均采用实体单元模拟，模型中只模拟铁路桥梁下部结构实体，上部结构采用等效荷载来模拟[3]，三维空间有限元模型如图4 所示。
图4 有限元模型图
2.2 施工阶段模拟
建模基本原则及施工阶段主要划分：首先将1#高速铁路、2# 高速铁路两条铁路的结构物作为基本初始状态，计算各土层的初始应力状态；
然后在该状态下建立新建市政道路的桩板结构基础模型（见图5），计算土层应力变化和引起的铁路桥梁附加变形。主要施工阶段划分如表3 所列。
表3 有限元模型工况划分一览表
图5 桩板结构施工阶段模拟图示
2.3 计算结果与分析
根据《高速铁路设计规范》（试行）规定：桥梁下部结构要求工后总沉降不超过20 mm，相邻墩台不均匀沉降不超过5 mm。根据《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》（TB 10182—2017）规定，道路下穿高速铁路无砟轨道时，高速铁路桥墩墩顶位移限制：墩顶横向位移、纵向位移、竖向位移均≤2 mm。
为保证1#高速铁路、2# 高速铁路在施工过程中运营的安全，根据《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》（TB 10182—2017）规定：下穿工程施工过程中，应对高速铁路桥梁进行变形监测。结合项目实际情况和监测精度要求，监测采用自动化监测，监测内容主要包括：
（1）1#和2#高速铁路桥墩的竖向沉降；
（2）1#和2#高速铁路桥墩的水平、纵向变形。
3.1 监测方案
根据实际工程进展情况及铁路监测要求，现场采用的监测方案如下：
在1# 高速铁路与2# 高速铁路的工程涉及沿线自设一个北斗位移监测基准站，分别在1# 高速铁路12#～18# 桥墩和2# 高速铁路4#～7# 桥墩的每个墩顶的四个角点各设置一个监测点，并对监测点采取一定的保护措施，以免影响监测结果。
3.2 监测结果与理论值对比分析
由于监测系统为实时自动化监测，数据不间断采集且桥墩和监测点布置较多，因此该工程仅选取部分每个桥墩代表性数值和关键施工阶段实测数据进行分析对比，具体数据见表4、表5 所列。
表4 自动化监测与理论分析结果对比表（1）单位：mm
表5 自动化监测与理论分析结果对比表（2）单位：mm
根据监测结果与自动化监测结果对比可以看出，两者的数值均在规范允许变化范围内；
两者的变化趋势大体上一致，在桩板结构桩基础施工时，由于周围土体的卸载作用导致最邻近桥墩出现沉降且数值较远处桥墩大，在道路运营时，由于道路车辆的荷载作用，位移变化数值较桩板结构施工时，有所增加但是数值变动幅度不大，这是由于道路运营的车辆荷载通过桩板结构的面板传递给下部结构，且下部结构的整体刚度较大，所以变形不大，这也与模型计算结果有较好的吻合。
针对某新建市政道路下穿铁路桥梁工程进行数值模拟分析并结合自动化监测系统，主要研究结论如下：
（1）新建道路工程采用桩板结构下穿铁路桥梁方案可行，且工程引起的桥梁附加变形均在《高速铁路设计规范》和《高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）》控制标准范围内。
（2）工程采用桩板结构下穿铁路桥梁理论分析结果与自动化监测结果较吻合，变化趋势一致。由于有限元分析采用的桩土模拟作用，土层参数的实际情况会有些许差异，故计算结果与实际也有一定差异，且实测值受到铁路列车运营的影响，具有一定的波动性，进一步验证了理论仿真分析的可靠性。
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