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(nèi)徑2.0 m，外徑2.4 m，每節(jié)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(jié)，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(qū)地表分布有粉質(zhì)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(zhì)黏土：層厚1.5 m左右，Ⅱ級普通土。承載力σ0=160 kPa。

2)粉質(zhì)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(zhì)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(wǎng)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(jù)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(wǎng)格密度，而對于遠離工作坑和鐵路路基的土體區(qū)域可粗略劃分網(wǎng)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(jīng)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(fā)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(fā)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(guī)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(guī)定。

3.2 橋墩順橋向變形結果分析

經(jīng)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(fā)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(guī)定。

3.3 橋墩順橋向變形結果分析

經(jīng)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(fā)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(guī)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(chǎn)生的附加內(nèi)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(chǎn)生的附加內(nèi)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(nèi)，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(chǎn)生一定的附加影響，經(jīng)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(nèi)各墩產(chǎn)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(guī)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(nèi)，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(jiān)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(nèi)堆載，以避免引起橋墩基礎附加沉降的發(fā)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。