頂管施工對既有高速鐵路橋梁的影響分析

吳 宏 杰

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

1 工程概況

1.1 防護涵及高速鐵路橋梁概況

污水管防護涵為1-2.0 m鋼筋混凝土圓形涵，涵管內徑2.0 m，外徑2.4 m，每節長2.5 m，涵管混凝土采用C40鋼筋混凝土，本工程共頂進22節，防護涵全長55.0 m。防護涵采用泥水平衡頂管機施工，施工完成后及時涵后注漿。

防護涵于高鐵橋梁第9號～10號墩正中間位置穿過，與高速鐵路中心線夾角為90°，8號墩～11號墩橋跨設置均為32 m簡支箱梁橋。高速鐵路兩側分別設置工作井及接收井，其中工作井長度為8.0 m，寬度為6.2 m，深8.93 m。工作坑采用28根18 m長φ1.0 m鉆孔灌注樁防護，鉆孔樁樁頂設頂寬1.2 m鋼筋混凝土冠梁。防護涵接收井長度為8.0 m，寬度為6.2 m，深7.60 m。工作坑采用28根15 m長φ1.0 m鉆孔灌注樁防護，鉆孔樁樁頂設頂寬1.2 m鋼筋混凝土冠梁。

頂管下穿處高鐵為設計時速250 km/h雙線鐵路，線間距4.6 m，本次以臨近頂管施工的8號～11號橋墩作為研究對象，進行建模分析。防護涵與既有鐵路的位置關系，見圖1。

1.2 場地條件

該區地表分布有粉質黏土、黏土、中砂、礫砂組成，各地層巖性特征、厚度和分布情況描述如下：

1)粉質黏土：層厚1.5 m左右，Ⅱ級普通土。承載力σ0=160 kPa。

2)粉質黏土：埋深2 m～2.5 m，Ⅱ級普通土。承載力σ0=120 kPa。

3)中砂：埋深1.2 m～1.7 m，Ⅱ級普通土。承載力σ0=150 kPa。

4)中砂：埋深1.2 m～1.7 m，Ⅰ級普通土。承載力σ0=330 kPa。

5)粉質黏土：埋深1.0 m左右，Ⅱ級普通土。承載力σ0=120 kPa。

6)砂礫：埋深8 m以上，該層未鉆穿，Ⅰ級普通土。承載力σ0=430 kPa。

2 建模分析

2.1 模型建立

采用Midas GTS建立三維模型，為便于描述，首先給出計算模型中擬采用的坐標系：順橋梁方向大里程作為坐標系X軸正向；垂直橋梁方向，即以面向大里程左側作為坐標系Y軸正向；豎直方向向上作為坐標系Z軸。計算模型取其有效影響范圍，即模型沿X軸方向取230 m，沿Y軸方向取245 m，土層深度取37 m(見圖2)。

計算模型中土體采用三維混合網格模擬；頂進防護涵采用板單元模擬；高鐵橋墩、樁基礎采用梁單元模擬；高鐵橋梁承臺、挖方采用三維實體單元模擬。梁部荷載根據設計荷載換算為集中力荷載施加在橋墩上。土體采用修正摩爾—庫侖模型來模擬土的本構關系，土體模型頂面不設約束條件，底面設置Z方向約束，其他面均采用法向約束(見圖3)。為保證計算模型收斂同時提高計算效率，對開挖部分的土體增加網格密度，而對于遠離工作坑和鐵路路基的土體區域可粗略劃分網格。

2.2 施工階段劃分

將分析過程劃分為8個階段，具體劃分情況見表1。

表1 分析過程劃分

3 計算結果分析

3.1 橋墩豎向變形結果分析

經計算，工程施工引起的高速鐵路橋墩8號～11號墩墩頂各階各施工階段的變形曲線見圖4。

通過分析可知，防護涵施工過程中8號～11號墩累計附加最大沉降值發生在9號、10號墩通水運營階段，最大附加沉降值為-0.033 mm；累計最大附加隆起發生在9號、10號墩防護涵頂進階段，最大附加隆起值為0.008 mm；滿足TB 10182—2017公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程[7]3.0.3 受下穿工程影響的高速鐵路橋梁墩臺頂位移控制標準值，有砟軌道豎向位移不大于3 mm的規定。

3.2 橋墩順橋向變形結果分析

經計算，工程施工引起的8號～11號墩墩頂各階段附加順橋向水平位移曲線見圖5。

通過圖5可知，工程施工過程中8號～10號墩累計附加順橋向變形最大值發生在10號墩通水運營階段，最大變形值為-0.08 mm，向小里程方向變形。滿足參考文獻[7]中受下穿工程影響的高速鐵路橋梁墩臺頂位移控制標準值，即有砟軌道順橋向位移不大于3 mm的規定。

3.3 橋墩順橋向變形結果分析

經計算，工程施工引起的8號～11號墩墩頂各階段附加橫橋向水平位移曲線見圖6。

通過圖6可知，工程施工過程中8號～11號墩累計附加橫橋向變形最大值發生在10號墩保護圓管注漿加固階段，最大變形值為0.003 mm，向面向鐵路大里程左側變形。滿足參考文獻[7]中受下穿工程影響的高速鐵路橋梁墩臺頂位移控制指標，即有砟軌道橫橋向位移不大于3 mm的規定。

3.4 基礎結構安全性檢算

結合高鐵橋梁樁基設計及附加影響大小，針對施工期間產生的附加內力，重新檢算高鐵橋梁基礎強度，檢算結果見表2。

表2 樁基強度檢算結果

從檢算結果表中可以看出，由于頂進工程施工產生的附加內力，對9號、10號墩樁基軸向力影響較大，增加值分別為2.1 kN，2.42 kN，但均在允許承載力范圍之內，滿足設計要求。

4 結論與建議

污水管防護涵頂進工程穿越高速鐵路橋施工會對鐵路橋梁基礎產生一定的附加影響，經過理論計算和有限元模擬分析，得出如下主要結論及建議：

1)防護涵施工過程中，高鐵橋梁影響范圍內各墩產生的累計附加沉降、累計附加隆起，累計附加順橋向變形，累計附加橫橋向變形均滿足參考文獻[7]中受下穿工程影響的高速鐵路橋梁墩臺頂位移控制標準值的規定；

2)防護涵頂進施工對距離施工點較近的9號、10號墩樁基承載力有一定影響，樁基承載力有一定程度增加，但是在允許承載力范圍之內，滿足設計要求；

3)為了減少基坑開挖對橋墩基礎的影響，保證列車運營安全，基坑開挖后應盡快施工主體結構并及時回填，嚴禁基坑長時間暴露在外，回填土需按相關要求壓實；

4)施工過程中加強對基坑變形的監測，控制坑外土體擾動，以降低對高鐵基礎的附加影響；

5)施工中不得在鐵路橋梁下及兩側各50 m范圍內堆載，以避免引起橋墩基礎附加沉降的發生；

6)施工時不得在鐵路橋梁200 m范圍進行開采地下水，防止因地下水位降低引起高速鐵路橋梁沉降。