管線開挖對既有城際鐵路橋梁的影響研究

王文東

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043）

隨著我國城市的快速發展，臨近既有城際鐵路的城市規劃會對其橋梁結構造成一定的影響。最為常見的影響方式主要有新建道路下穿既有城際鐵路、臨近建筑物的施工擾動，以及城市地下空間的開發等[1]，這些方式都極大地影響著既有城際鐵路橋梁的安全，因此通過正確科學的研究方法對其評估已顯得愈發重要[2]。

近年來，諸多學者對鐵路橋梁受臨近基坑開挖的影響進行了大量研究，文獻[3-5]分別分析了新建道路、地鐵隧道下穿以及臨近新建橋梁對既有鐵路橋梁的影響，通過科學論斷得出了合理的結論。然而，臨近既有城際鐵路沿線的長距離管道施工對橋梁結構的影響分析，現有文獻研究較少。

本文選取臨近管線開挖的某既有城際鐵路橋梁為工程背景，考慮到管線開挖沿鐵路沿線距離長，開挖類型多，施工過程較為復雜等因素的影響，本文采用有限元對其進行模擬，對不同開挖方式、管道開挖深度以及開挖施工階段等進行深入分析，其相關結論可為類似工程提供科學依據與參考。

1 工程概況

某城際鐵路與管線并行段范圍為2.2 km，該段城際鐵路位于直徑R=2 000 m 及R=2 500 m 的圓曲線上，其主要高架橋梁采用30 m 和25 m 預應力簡支梁，橋墩采用矩形花瓶型實體墩，基礎為?120 cm 鉆孔灌注摩擦樁基礎。

梁部采用預制組合小箱梁并置，橋面總寬度為10.3 m，單片箱梁底寬為1.7 m，外側挑臂為1.75 m，裸梁高度為1.8 m，混凝土標號采用C50。橋墩為花瓶實體墩，墩身縱×橫尺寸主要采用2.8 m×3.2 m，混凝土標號C40。承臺采用六面配筋，厚度2.5 m，承臺平面尺寸主要為5.5 m×5.5 m、6.2 m×7.4 m、6.6 m×8.8 m。樁基分段通長配筋，樁頭段配筋率為1%。其結構如圖1 所示。

圖1 城際鐵路高架橋

該區間地層主要由第四系全新統人工填土、沖積黃土狀土、粉細砂、中砂和第四系上更新統沖積粉質黏土、中砂、粉細砂構成。場地地層總體分布穩定，各層地基土的均勻性較好，承載力從上至下逐漸增高，工程性能較好。

2 有限元模型

本文采用三維Midas-GTS 軟件進行有限元計算分析，根據理論基礎，建立“地層-結構”三維模型進行模擬分析。土體簡化為各土層均呈勻質水平層狀分布且同一土層為各向同性，其相關地質參數按土工試驗報告確定。土層采用摩爾-庫倫彈塑性模型，橋梁結構采用彈性模型。

根據管線工程和城際鐵路設計資料，結合實際情況，本文建立3 種類型，分別為管道一般埋深、管道最大埋深以及管道處設置井坑，模型模擬范圍內橋梁均為30 m預應力簡支梁。為充分考慮周圍構筑物對鐵路樁基礎的影響，順鐵路線路方向計算長度取300 m，垂直鐵路線路方向取300 m。計算模型如圖2 所示。

圖2 MIDAS GTS NX 類型三整體模型

考慮到橋墩未模擬鋼筋，為簡化計算模型，橋梁上部結構自重與二期恒載等以均布荷載形式加載在承臺頂面。根據管道施工步驟，施工階段模擬為初始應力狀態的天然地基工況、結構位移清零的橋梁既有工況、開挖最不利的管線開挖工況、基坑回填的開挖回填工況等4 個階段。

3 結果分析

本文主要通過對橋梁工后沉降值、附加橫向位移和附加縱向位移等計算結果進行分析，研究管線開挖對橋梁的影響。

3.1 井坑設置對橋梁位移的影響

為分析管道處設置與不設置井坑兩種開挖類型對橋梁位移的影響，選取類型一和類型三模型，這兩種類型管頂埋深約1.60 m，管道中心線距橋梁承臺約9.1 m，均采用45°放坡開挖。其中類型一和類型三基坑基底寬度分別為2.9 m 和5.6 m，類型三的井坑基坑底位于機場城際承臺底之上約0.93 m，井坑外輪廓尺寸為5.6 m×5.5 m，位于兩橋墩之間。

根據計算結果，可以發現第三施工階段即基坑開挖階段對橋梁位移影響最大。選取基坑開挖對橋梁位移影響最不利的4 個橋墩，由基坑開挖引起的橋墩墩頂附加縱向、橫向以及豎向位移見表1。由表1 可知，由基坑開挖引起的類型一與類型三橋梁墩頂最大附加縱向位移分別為0.29 mm 與0.53 mm、最大附加橫向位移為0.55 mm 與0.86 mm、最大附加豎向位移分別為1.97 mm 與2.05 mm。

通過表1 可知，在管頂埋深以及管道中心線距橋梁距離基本一致的情況下，相比較未設置井坑的開挖類型，設置井坑的開挖類型對橋梁的附加變形影響更為嚴重，分析原因主要是由于設置井坑導致基坑基底寬度增大，致使基坑放坡范圍變大，本文選取的井坑尺寸為5.6 m×5.5 m，由設置井坑導致基坑變大的類型與未設置井坑相比，橋梁縱、橫、豎向位移分別增大82.8%、56.4%以及4.0%，可見設置井坑對橋梁附加縱向位移和附加橫向位移影響更為明顯，對附加豎向位移基本沒有影響。

表1 類型一、三墩頂附加位移 單位：mm

3.2 管道最大埋深對橋梁位移的影響

根據工程背景，模型選取的類型二為管道最大埋深，其管頂埋深約4.1 m，基坑基底寬度與類型一一致，均為2.9 m，工作坑長度沿橋梁平行分布約38 m，區間橋梁跨度30 m。

通過有限元模擬計算，基坑開挖階段對橋梁變形影響最大，表2 為第三施工階段基坑開挖對橋梁墩頂附加位移的影響結果。由表2 可知，橋梁墩頂最大附加縱向位移為0.38 mm、最大附加橫向位移為1.14 mm、最大附加豎向位移為2.31 mm。

表2 類型二墩頂附加位移 單位：mm

對比類型一計算結果，基坑開挖較深的類型三最大附加縱、橫以及豎向位移均大，其中附加橫向位移差值最大，附加縱向位移與附加豎向位移差距不大，基本接近。

3.3 不同方向附加位移分析

對3 種模型的附加縱向位移、附加橫向位移以及附加豎向位移進行綜合分析，結合圖3（a）-（c）不同方向附加位移圖，通過數據可以明顯發現，基坑開挖引起的橋梁墩頂附加豎向位移最大，其最大附加變形達到2.0 mm 左右；基坑開挖對墩頂附加縱向位移影響最小，最大附加變形約為0.4 mm，其值較小基本不會對橋梁結構造成較大影響；基坑開挖對墩頂附加橫向位移較附加豎向位移偏小，但其值較大不容忽略，最大值達到1.0 mm 左右。

圖3 不同方向附加位移圖

通過對不同方向附加位移分析后可知，基坑開挖對橋梁結構的豎向位移影響最為明顯，其次為橫向位移，最后為縱向位移。因此，在基坑開挖時，應重點關注監測橋梁結構的豎向和橫向位移。

4 結論

本文通過有限元模擬管線開挖對既有城際鐵路橋梁的影響研究，主要得到以下結論：

（1）臨近鐵路橋梁結構進行管線工程的基坑開挖，當基坑開挖最大時對橋梁結構的附加位移影響最大。

（2）基坑開挖對橋梁結構的附加豎向位移影響最為嚴重，其次為對附加橫向位移的影響，附加豎、橫向變形值較大，在施工時應重點關注。對于附加縱向位移，基坑開挖對其影響不明顯。

（3）當管線平行鐵路橋梁沿線開挖時，基坑位置處設置井坑會導致基坑基底底寬加大，相比未設置井坑而言，設置井坑的基坑開挖會加大對橋梁的影響程度，特別對于附加縱向位移和附加橫向位移影響更為明顯。