橋梁樁基近接既有地埋管道施工運營影響分析

張 磊

(河北省交通規劃設計院 石家莊市 050011)

0 引言

南水北調工程是解決我國北方水資源嚴重短缺的特大型基礎設施項目，是未來我國可持續發展和整個國土整治的關鍵性工程[1]，具有舉足輕重的地位，其他工程交叉南水北調配套工程應對其造成的不利影響降到最低。

設立河北雄安新區是以習近平同志為核心的黨中央作出的一項重大歷史性戰略選擇，是千年大計、國家大事。

目前，雄安新區處于大規模建設期，大量在建及規劃工程與南水北調配套工程發生交叉。按照河北水務集團《其他工程跨越下穿鄰接河北省南水北調配套工程設計及安全評價技術要求》，跨越工程下部結構距南水北調配套工程外輪廓不得小于5m[2]。

依托河北雄安新區重點項目省道S333東延(S042至白溝站)工程，就橋梁施工運營全過程對南水北調配套輸水管道的不利影響[3]進行數值仿真模擬分析，既對河北水務集團《技術要求》中的距離要求進行了理論驗證，也在雄安新區常規地質條件下，當客觀條件受限不得不降低距離要求，減小橋長有效降低工程造價時，提供了解決問題的計算分析方法和理論支撐。

1 工程概況

河北雄安新區骨干路網項目省道S333東延(S042至白溝站)工程為雄安新區重點項目，采用雙向四車道一級公路標準建設，其在雄縣段以1-16m預制密排T梁橋一跨跨越南水北調配套工程保定市雄縣輸水管道。交叉位置處雄縣輸水管道輸水方式為有壓流，采用單排DN800球墨鑄鐵管，流量為0.49m3/s，管頂覆土為1.31m。

橋梁上部結構采用16m密排T梁，梁高1.0m，單幅設置2片邊梁和7片中梁。下部結構采用樁柱式橋臺，樁基直徑1.2m。本工程豎向上橋梁下緣距離現狀地面的最小距離3.06m，距離管頂的最小距離4.37m，橫向上橋臺樁基距離雄縣輸水管道的最小距離為5.14m。

2 建設條件

(1)依據中共中央、國務院批復的《河北雄安新區規劃綱要》，本工程抗震設防基本烈度為8度，地震動峰值加速度系數為0.30g，地震動加速度反應譜特征周期為0.55s，建筑場地類別為Ⅲ類。

(2)輸水管道埋深處為粉土。管線之下地層以粉砂、粉土、粉質黏土、細砂為主。該處土質地基承載力和壓縮模量均較高，土層變形量較小。

(3)地下水位埋深27.8m，地下水位年變化幅度約2m，可不考慮地基土液化問題。

(4)季節性凍土標準凍深為0.6m。

3 數值模擬分析

采用有限元分析軟件，分別對樁基施工[4]、臺后填土[5]以及車輛振動荷載[6]等三方面對輸水管道的影響進行計算分析。

3.1 樁基施工對輸水管道影響計算分析

3.1.1分析計算目標

樁基開挖及灌漿后輸水管道的水平位移、沉降值，樁基施工的相關合理建議。

3.1.2模型簡介

本次計算采用二維有限元模型進行計算，計算模型見圖1。為簡化計算，根據地勘報告，將性質相近的土層歸為一層，共有七層土。其中，土體本構模型采用摩爾-庫倫本構，樁基、橋墩和橋梁梁體采用線彈性體模擬。樁基參數見表1所示。

圖1 計算模型

表1 樁基參數表

在綜合權衡考慮計算精度及計算時間后，根據設計資料，取左右兩側樁基與輸水管道間距為5m，樁間距為4.764m，樁長為30m，考慮到相應的影響范圍，向樁體外側取20m，樁端向下取5m。故模型整體尺寸為：長×寬×高=51.84m×4.764m×35m。

輸水管道位于土體正中，頂部距地面1.35m，截面為外徑0.842m的圓環；樁基為圓樁，左右各六根關于輸水管道對稱布置，樁徑為1m，樁長為30m，樁間距為4.764m。

模型以交叉點為坐標原點，以水管軸向向內為Y軸正向，垂直水管向右為X軸正向，垂直地面為Z軸正向。

模型位移邊界條件：模型底部固定，頂部自由；模型左右兩端沿x方向固定，y、z方向自由；模型前后兩端沿y方向固定，x、z方向自由。

3.1.3施工順序

先施工輸水管道左側樁基，待灌注完成具有一定強度后施工右側樁基。樁基施工完畢后施工橋臺，施工吊裝預制混凝土梁上部結構。上部結構施工完畢后回填臺后填土，施工橋梁附屬結構，最后通車運營。

3.1.4有限元計算步驟簡介

(1)初始階段：生成模型，初始地應力平衡。

(2)第一階段：左側樁基開挖完畢。

(3)第二階段：左側樁基灌注完畢。

(4)第三階段：右側樁基開挖完畢。

(5)第四階段：右側樁基灌注完畢。

3.1.5計算結果

(1)左側樁基開挖階段管道頂部地面變形沉降計算，示意圖見圖2。

圖2 左側樁基開挖階段管道頂部地面變形示意圖

(2)后續共計11項計算結果，分別為：左側樁基開挖階段管道頂點、底部變形沉降計算；左側樁基灌注混凝土完畢時管道頂部地面、管道頂點、管道底部變形沉降計算；右側樁基開挖階段管道頂部地面、管道頂點、管道底部變形沉降計算；右側樁基灌注混凝土完畢時管道頂部地面、管道頂點、管道底部變形沉降計算。

(3)樁基施工階段管道變形沉降最大值計算結果匯總表見表2所示。

表2 樁基施工階段管道變形沉降最大值計算結果匯總表

3.1.6本工況主要計算結論

(1)橋梁樁基施工時，最大水平位移發生在管道頂部地面上，數值為-0.72mm；最大豎向位移發生在管道底點，數值為-4.10mm。

(2)上述最大位移和沉降值，滿足審查專家10mm以內的要求，對既有輸水管道的影響在可接受范圍內。

3.2 臺后填土對輸水管道產生的影響

在計算樁基施工對輸水管道影響的模型基礎上，建立橋臺、橋梁上部結構，并考慮臺后填土作用。分析計算臺后填土對輸水管道產生的影響。計算模型見圖3。

圖3 計算模型

通過計算臺后填土作用下的管道頂部豎向位移、水平位移和管道底部豎向位移、水平位移，分析臺后填土對輸水管道的影響，見圖4。為精細化研究臺后填土對管道影響，將填土施工過程細化為3個施工過程狀態；其中，狀態1為初始狀態，狀態2為填土到路線設計高程一半高度狀態，狀態3為填土到路線設計高程狀態。

圖4 管道頂部、底部豎向水平位移示意圖

本工況主要計算結論：施工路堤、橋梁墩臺和梁體后，管道頂部豎向位移從0mm變化為-2.90mm，水平位移從0mm變化為-0.40mm。管道底部豎向位移從0mm變化為-2.80mm，水平位移從0mm變化為-0.45mm。最大位移和沉降值，滿足審查專家10mm以內的要求，對既有輸水管道的影響在可接受范圍內。

3.3 車輛振動荷載對輸水管道產生的影響

樁基剖面豎向位移圖見圖5，從圖5可知，施加車輛荷載以后，路堤沉降最大值為21.71mm，但是由于梁體和樁基的剛性支撐，沉降主要分布在路堤兩側，橋梁梁底即樁基內側沉降并不大。

圖5 樁基剖面豎向位移圖

在分析計算臺后填土對輸水管道產生的影響模型的基礎上，施加車輛荷載，分析車輛振動荷載對輸水管道產生的影響，見圖6。

圖6 管道頂部、底部豎向水平位移示意圖

施工路堤、橋梁墩臺和梁體工況與本工況累加后主要計算結論：加載車輛荷載后，管道頂部豎向位移從-2.90mm變化為-0.65mm，水平位移從-0.40mm變化為0.10mm；管道底部豎向位移從-2.80mm變化為-0.65mm，水平位移從-0.45mm變化為0.10mm。即管道向上抬升2.25mm，水平向右產生位移0.55mm。施加車輛荷載后，路堤兩端豎向位移大于橋梁梁體豎向位移，土體由兩端擠向中部，使得樁間土向上擠壓，因此管道出現上抬現象。兩個工況累加后，最大位移和沉降值滿足審查專家10mm以內的要求，對既有輸水管道的影響在可接受范圍內。

4 結論與建議

綜上，施工橋梁樁基工況，管道豎向位移為-4.10mm，即產生沉降4.10mm；施工路堤、橋梁墩臺和梁體工況與加載車輛荷載工況累加，兩個階段管道累計豎向位移為-0.65mm，即產生累計沉降0.65mm。因此，所有施工工況過程累加后，管道的總累計豎向位移為-4.75mm，即產生總累計沉降4.75mm，總沉降量滿足審查專家的要求，滿足南水北調配套工程雄縣輸水管道的運營要求。

由此可見，在雄安新區的建設條件下，河北水務集團《其他工程跨越下穿鄰接河北省南水北調配套工程設計及安全評價技術要求》中關于跨越工程下部結構距南水北調配套工程外輪廓不得小于5m的要求，是合理的，既有效降低對管道運營的不利影響，又經濟適用。同時，對于雄安新區后續跨越工程，當客觀條件受限不得不降低距離要求，減小橋長時，也為管道與樁基礎的最小距離計算分析提供了有效的方法和理論支撐。