燃氣管道下穿京滬高鐵特大橋變形分析

徐 威

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，福建 廈門 361010）

我國是人口大國，公共交通的大力發(fā)展成了我國城市建設(shè)的里程碑，高鐵更是走在世界的前列，營業(yè)里程居世界第一。由于高鐵運營時速高，因此對線路的平整度要求也高。在既有高鐵營業(yè)線正下方及周邊進行工程項目建設(shè)時，特別要注意對高鐵進行保護，避免發(fā)生重大事故。

我國涉及高鐵的項目較多，目前國內(nèi)與高鐵交叉的項目已經(jīng)取得了較多的經(jīng)驗，如：毛喜云[1]研究了軟土地區(qū)基坑開挖對高鐵巖土應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)的影響，可以預(yù)測高鐵的變形趨勢與變形幅值；鄧稱意[2]以短距離小角度的線形方案下穿既有高鐵，并從規(guī)劃、設(shè)計、施工及管理方面給出了指導(dǎo)性意見；張艷南[3]提出了隔離樁在下穿高鐵項目中能取得有益效果，并通過對比得出，打設(shè)隔離樁可以有效地控制變形；徐威[4]通過低填淺挖路基來控制附加荷載，從而進一步減少高鐵橋墩的變形，并得出橋墩的變形與荷載距離呈二次拋物線的關(guān)系。

文章以燃氣管道下穿京滬高鐵無錫西特大橋項目為背景，定性、定量地研究了管道基坑施工對無錫西特大橋的影響，可為類似項目提供參考與借鑒。

1 工程概況

此項目燃氣管道與京滬高鐵交叉里程約為K1201+689.12，高鐵為雙線、直線，線間距為5.0m，穿越處軌頂標(biāo)高為22.09m，管道中心線與京滬高鐵夾角為90°。管道從無錫特大橋640#、641#橋墩之間穿越，京滬高鐵此處為連續(xù)梁（40m+64m+40m）跨越S340省道，管道距640#橋墩中心的距離為20.23m，距641#橋墩中心的距離為20.62m。無錫特大橋梁底標(biāo)高15.1m，墩高13m、10m，分別采用1.25m、1.50m鉆孔樁基礎(chǔ)，樁長分別為49m和66m。燃氣管道與無錫西特大橋平面位置關(guān)系圖如圖1所示。

燃氣管道為DN600mm直埋管，外側(cè)采用DN1000保護管進行防護，保護管與燃氣管道之間空隙采用混凝土注漿充填。燃氣管道頂面距地面的距離按80cm進行控制，底部設(shè)置60cm厚的基礎(chǔ)與墊層，寬度為140cm。管道基坑深度為2.64～3.55m，坑底寬為3.6m，坑頂寬為12.6m。基坑頂面距640#橋墩的距離為9.78m，距641#橋墩的距離為9.52m。采用明挖法施工，邊坡坡率約為1∶1.5，邊坡采用C20噴射混凝土進行施工期間的坡面防護。施工期間，在坑底兩側(cè)布設(shè)排水邊溝，防水雨水浸泡基坑。基坑回填應(yīng)分層進行人工夯實，壓實系數(shù)不得小于94%。

圖1 燃氣管道與無錫西特大橋平面位置關(guān)系圖（單位：m）

2 工程地質(zhì)條件

此項目地貌屬長江沖積平原（Ⅲa），地形平坦、開闊，多辟為農(nóng)田、旱地，村舍零星分布，地表水系發(fā)育。根據(jù)地勘資料，下穿段的地層主要為第四系全新統(tǒng)（Q4al）和第四系上更新統(tǒng)（Q3al）。其中，第四系全新統(tǒng)（Q4al）包含（2）1粉質(zhì)黏土、（2）3粉質(zhì)黏土；第四系上更新統(tǒng)（Q3al）包括（3）1粉質(zhì)黏土夾粉土、（5）1黏土等。穿越無錫西特大橋段地質(zhì)剖面圖如圖2所示，地層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 地層的物理力學(xué)參數(shù)

3 有限元分析

3.1 有限元計算模型

圖2 穿越無錫西特大橋段地質(zhì)剖面圖（單位：cm）

利用有限元離散思想，以離散的小單元逼近實際工程，再根據(jù)邊界條件綜合求解，得出對網(wǎng)格的劃分應(yīng)粗細均勻或連續(xù)漸變。此次分析建立的有限元計算模型如圖3所示。模型包括連續(xù)梁（40m+64m+40m）及相鄰跨28m簡支梁。計算過程中，土體、橋樁、承臺、橋墩、橋身均采用實體單元；計算模型X方向左側(cè)超過橋梁一跨簡支梁計算范圍，右側(cè)超過三跨連續(xù)梁計算范圍，Z方向取60m，Y方向取橋樁下20m；模型四周均為水平向約束，底部為豎向約束；強度校核采用摩爾-庫侖（Mohr-Coulomb）強度準(zhǔn)則。

圖3 三維有限元模型

3.2 施工階段模擬

京滬高鐵無錫西特大橋于2011年5月竣工并開始通車，為周邊既有環(huán)境中的一部分，因此初始環(huán)境恢復(fù)包含無錫西特大橋。為此，在地應(yīng)力平衡后將位移清零，接著根據(jù)現(xiàn)場實際施工步序，分析燃氣管道基坑開挖、回填對大橋的影響。具體的計算步驟如圖4所示。

3.3 變形影響

（1）橋墩的最終變形分析。燃氣管道施工完成后，640#橋墩、641#橋墩的變形如圖5所示。由圖5可以看出：①由于橋墩為鋼筋混凝土塊體，且截面尺寸較大，橋墩的變形表現(xiàn)為整體傾斜，彎曲變形可以忽略不計。②各個橋墩的變形以水平變形為主，沉降相對較小。其中，640#橋墩的最終沉降為0.047mm，最終水平位移為0.403mm，總變形量為0.406mm；641#橋墩的最終沉降為0.039mm，最終水平位移為0.369mm，總變形量未0.371mm。③受承臺尺寸、樁基樁徑及樁長的影響，640#橋墩的各個變形量均略大于641#橋墩的變形量。④最大變形位置均出現(xiàn)在承臺底面標(biāo)高處。

（2）橋樁的最終變形分析。燃氣管道施工完成后，640#橋樁、641#橋樁的變形如圖6所示。由圖6可以看出，承臺傾向的樁頂變形相對較大，與承臺傾向相反的樁頂變形相對較小，樁頂變形與承臺變形息息相關(guān)。橋樁的變形從上至下大致可分為三段，上部變形較大，中部次之，下部最小，與摩擦樁受力機理吻合。其中，640#橋樁樁頂最終變形量為0.187m，樁底最終變形量為0.006mm；641#橋樁樁頂最終變形量為0.153mm，樁底最終變形量為0.004mm。由于京滬高鐵無錫西特大橋采用了較大的承臺尺寸、較大的樁徑及較長的樁長，有效地將管道基坑施工時產(chǎn)生的附加荷載通過橋樁傳遞給了深部土層，使橋墩及橋樁的變形均較小，在規(guī)范要求的安全范圍內(nèi)。

（3）施工過程中的變形分析。燃氣管道在施工過程中，各個施工步序橋墩及橋樁的變形如表2、表3所示。由表2、表3中的數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論：①管道基坑施工過程中，對京滬高鐵無錫西特大橋影響最大的施工步為基坑土方開挖，其機理為土方卸荷破壞了原有的地應(yīng)力平衡，引起土壓力重新分布，從而導(dǎo)致周邊土體變形，進一步引起橋墩與橋樁的變形。②基礎(chǔ)及墊層施工時，無需機械作業(yè)，其附加荷載為材料自重，相對較小，引起的附加變形自然較小。③僅針對燃氣管道鋪管的工況，幾乎不引起變形。④最大的變形量并非為最終變形，而是基坑開挖結(jié)束后的變形，后續(xù)基礎(chǔ)、墊層及管道的施工引起的變形略有增長，待基坑回填夯實后，變形量明顯減小。

4 具體措施

圖4 施工階段計算步驟

圖5 施工完成后橋墩最終變形

因為有限元計算模型是對實體進行了一定的假設(shè)和簡化，所以與實際情況存在差異，計算過程與實際施工也會存在一定的偏差，計算結(jié)果僅起定性和參考作用。因此，根據(jù)有限元的分析規(guī)律及工程經(jīng)驗，提出如下具體的針對措施：（1）由于大范圍土體擾動和降水會影響范圍內(nèi)的土體后期變形增大，因此建議對基坑周邊土體采取加固措施，或盡量減小工程施工而產(chǎn)生的擾動，嚴(yán)禁在基坑外降水，以保障鐵路的安全。（2）避免施工期間對場地產(chǎn)生堆載效應(yīng)；防止施工設(shè)備撞擊鐵路橋墩；嚴(yán)禁重型車輛靠近施工現(xiàn)場，出渣及運輸作業(yè)可通過小車轉(zhuǎn)換；嚴(yán)禁在現(xiàn)場堆土，渣土應(yīng)隨出隨運。（3）在工程施工的過程中都應(yīng)對京滬高鐵的變形加強監(jiān)測，盡量減小對京滬高鐵基礎(chǔ)的不利影響，確保京滬高鐵的安全。（4）項目施工前建立完善的預(yù)警機制及緊急預(yù)案，以便應(yīng)對突發(fā)情況。

圖5 施工完成后橋墩最終變形

圖6 施工完成后橋樁最終變形

表2 各個施工步序橋墩變形

表3 各個施工步序橋樁變形

5 結(jié)論

通過分析根據(jù)燃氣管道與京滬高鐵無錫西特大橋的位置關(guān)系、地層條件、不同施工步序等建立的有限元計算模型得到的變形結(jié)果，可得到如下結(jié)論：（1）燃氣管道基坑的開挖對京滬高鐵無錫西特大橋的影響較小，橋墩與橋樁的變形均在安全范圍內(nèi)。（2）橋墩的變形表現(xiàn)為整體傾斜，彎曲變形可以忽略不計，且水平位移明顯大于沉降。（3）橋樁的變形從上至下逐漸減小，與摩擦樁受力機理一致，僅頂部發(fā)生微小的彎曲。（4）橋樁與承臺接觸面上，橋墩傾斜方向的樁基變形較大，反方向變形則較小。（5）燃氣管道施工過程中對無錫西特大橋影響最大的施工步為基坑開挖，且最終的變形并非最大的變形，基坑回填壓實時，變形量也會明顯減小。