汤 周
（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北，武汉，430063）
【摘 要】随着高速铁路（下称高铁）的建成通车及城市道路网的不断外扩，道路与高铁上跨桥立体交叉的情况越来越多，然而采取何种围护方式能够保证下穿道路对高铁运营线路及墩台影响可控并且安全将成为一个崭新的课题，本文主要根据一个工程实例对道路U型槽下穿高铁的围护方案进行设计，并通过计算分析得出方案可行性结论，为类似工程的围护方案设计、研究提供技术参考。
【关键词】道路；U型槽；高铁线路、墩台；围护方案；计算分析
一、前言
近年来，迎来了高铁建设的高峰期，然而随着部分高铁的建成通车以及城市道路网的不断向外辐射，运营线路与道路之间的相互关系也越来越密切，从而导致与道路立体交叉的情况越来越多。
温州苍南县城中北路是市政道路U型槽下穿温福高铁上跨桥的典型例子，下面通过对本工程下穿高铁节点处围护方案的设计及计算结果分析来谈谈个人对此类问题的浅显看法。
二、概况
道路概况：城中北路位于温州苍南县灵溪镇西北部，规划道路路基宽度为24m，全长2.4km，其中机动车道下穿温福高铁段为U型槽结构，结构宽度11m。
铁路概况：温福高铁与道路相交处为对务山特大桥，桥上两股道、平坡、直线段，股道线间距为4.6m。相交角度约为71°，桥梁跨径24m，梁底与现状地面之间的净空高度约为2.5m。道路于13～14号墩之间下穿铁路桥，桥墩基础为桩基承台结构，承台横桥向10.3m、顺桥向5.6m，高度2.0m，基础为6φ1.25m钻孔桩，桩长47m。
周边场地概况：道路所在位置为平原区，地势比较平缓，道路两侧用地主要为住宅类用地农田，河流，池塘、砖窑厂等。
地质概况：典型的温州地区的软土地质，具有含水量高、压缩性高、渗透性小、抗剪强度低等特点。具体土层分布：上部土层主要以杂填土与种植土为主，层厚约为1.0-1.5m；中部土层主要以淤泥土与粘土为主，其中淤泥土层厚约为24-27m，σ0=40kPa；下部土层主要为圆砾及粉质粘土。
三、围护方案选择的主要影响因素
道路U型槽结构下穿高铁不但需保证基坑自身的安全稳定，而且高铁线路及墩台的安全也尤为重要，然而根据《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)的规定，高铁线路及桥墩变形、沉降等控制参数的严格程度远远超过基坑本身，因此，围护方案的选择重点是保证高铁桥梁及墩台的安全。
1．高铁桥墩所在区域的地质条件
地质条件是考虑基坑围护方案最基本的影响因素。通常情况，基坑围护首先都是根据地质条件选择方案，土质相对较好的区域可采用搅拌桩或者高压旋喷墙进行围护，相对较差的区域可采用挖孔桩或钻孔桩围护，必要时还需加设混凝土内支撑或型钢内支撑。
2．基坑开挖深度和宽度
基坑开挖深度和宽度是围护方案选择最直接的影响因素。一般来说，基坑开挖深度和宽度越大，基坑的安全风险越高，越需要选择更为安全可靠的围护结构。例如，软土地区基坑深度大于5m一般考虑较大直径钻孔桩或挖孔桩围护，并在桩顶设置钢筋混凝土横向支撑，视情况增设钢管支撑，基坑宽度较大时应考虑设置钢格构立柱或钻孔桩立柱以保证内支撑的整体稳定。
3．高速铁路的运营情况
高铁线路运营情况也是决定围护方案和施工工艺选择的重要影响因素之一。相比在建或者尚未通车的高速铁路，正在运营的高速铁路围护难度、安全等级、线路及墩台的控制标准更高些，甚至有些情况下运营线路无法采用常规的围护结构+开挖施工的方式进行，可视情况采用沉井、盾构或者带土顶进的施工方法。
4．下穿节点处高铁桥梁跨径及桥下净空
高铁桥梁跨径和桥下净空直接决定围护结构形式选择的难易程度。跨径、桥下净空较大时，结构形式选择就较为简单，且同等围护条件下，对高铁的影响相对较小。跨径和桥下净空均较小时，围护结构视具体情况可采用旋喷桩墙、小直径钻孔桩的围护方式。
围护方案的选定通常需要兼顾以上几个方面，综合分析、详细比选，最终选定能够保证基坑及高铁桥梁安全的合理可行方案。
四、围护方案设计
综上所述，为了保证温福高铁墩台安全并尽量减少施工对其产生的影响，本工程下穿铁路段节点考虑两种方案，方案一：采用小直径钻孔桩围护，现浇U型槽施工方案；方案二：采用高压旋喷桩围护，沉井法施工方案。
1．方案一简述
本方案基坑深度约4.2m，采用Φ60@80钻孔排桩进行围护，桩顶设置一道1.0x0.8m钢筋混凝土圈梁，圈梁连接Φ609横向钢管支撑，钻孔桩外侧设置一排Φ60@45高压旋喷桩止水，钻孔桩桩长20m，高压旋喷桩桩长10m，钢支撑间距5m。
此外，由于温福高速铁路与现状地面之间净空较小（约2.5m），根据桩基施工工艺，Φ60钻孔桩的施工高度要求不小于3.5m，，因此需将对桥墩周边土体开挖至现状地面以下1～1.5m，以保证足够的空间施工围护桩。
U型槽结构地基基础采用Φ60@80钻孔桩处理，桩长16m，间距1.8～2.0m，钻孔桩深入U型槽底板，形成桩板一体结构。
本方案主要特点：对高铁墩台影响时间较长、施工工期较长、施工风险较低、工程造价较低。
2．方案二简述
本方案主要是考虑到高铁桥下净空较小、U型槽结构两侧与桥墩距离较近等原因，采用沉井法施工相对安全、可靠。
下穿铁路节点外侧采用沉井结构，内侧为U型槽结构，施工方案上主要考虑沉井下沉到位后在内侧现浇U型槽。沉井内部设置0.4X0.4m钢筋混凝土支撑，间距为4.0m。
由于现场地质条件较差，铁路承台周边及沉井外侧地基采用Φ60@45密排旋喷桩墙进行处理，沉井结构基础采用Φ60桩长10m高压旋喷桩进行处理。
本方案主要特点：对高铁墩台影响时间较短、施工工期较短、施工风险较高、工程造价较高。
五、计算及结果分析
根据以上两种不同围护方案，选择方案一利用岩土工程软件PLAXIS模拟计算，通过计算得出高铁墩台的变形、位移及沉降等结果，并以此分析该方案对高铁墩台保护的有效性与安全性，具体情况如下：
1．计算模型及边界条件
计算模型：几何对象采用平面应变模型。桥墩承台和钻孔桩计算中采用弹性板单元模拟。钻孔桩与周围土体之间的摩阻力通过设置接触面单元并选取虚拟厚度因子及强度折减因子（Rinter）的值来模拟。
边界条件：土体底部施加完全固定约束，两侧施加竖直滑动约束，顶表面为自由边界。
计算模型简图
2．计算参数
土体的物理力学参数：数值计算模型按实际分层情况模拟，土体自上而下分为3层，土体采用摩尔-库伦模型，物理力学参数按照地勘报告实际选取。
结构尺寸及计算荷载：高铁承台、桥墩、桩均采用实际尺寸，承台顶荷载主要考虑桥墩自重，主梁恒载，通过计算得出均布面荷载约为120KN/m2。
3．计算工况
1）初始工况：土体初始应力状态计算；
2）围护结构施工完成后基坑开挖至U型槽垫层底面；
3）U型槽施工完毕，运营阶段；
4．计算结果
承台位移计算结果详见下表：
墩号 水平位移（mm）竖向位移（mm）总位移（mm）
承台 13号墩 0.20 -0.22 0.30
14号墩 -0.24 -0.24 0.35
5．结果分析
1）数值分析结果表明：运营阶段，13、14号墩台变形非常微小。相邻墩台沉降差为0.02mm，小于《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)7.3.10条规定的限值，墩台及基础产生的变形在可控及允许范围内。
2）采用小直径钻孔桩、外设高压旋喷桩止水、内设钢支撑的围护方案从技术角度分析合理可行。
六、结论
1．软土地区地下通道下穿高铁桥围护方案设计、研究的基本思路：以地质条件、基坑深度等因素为前提，以保证高铁桥梁的安全为核心，以选择围护结构形式为重点，再以理论计算分析为手段进行方案可行性验证。
2．提供了软土地区地下通道下穿高铁桥围护方案研究的一种设计理念，举一反三，为其他类似工程提供技术参考。
参考文献：
[1]《高速铁路设计规范》(TB10621-2014).中国铁道出版社.2014.12
[2]《浙江省建筑基坑支护规程》(DB33/T1008-2000).2000.10
[3]王晓谋,《基础工程》.人民交通出版社.2003.8.
论文作者:汤周
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年11月供稿
论文发表时间:2016/1/26
标签：高铁论文; 基坑论文; 方案论文; 钻孔论文; 沉井论文; 结构论文; 桥墩论文; 《工程建设标准化》2015年11月供稿论文;