DN3000原水干管頂管施工對高鐵橋梁的影響分析

0 引言

高速列車由于具有快捷舒適、平穩安全、節能環保的特征，深受當代人們的歡迎。高鐵線路一般采用高架橋梁型式，由于高鐵列車行車速度快，高鐵橋梁對于沉降、變形極為敏感。隨著城市發展，市政管線下穿高鐵橋梁的情況會越來越多，管線下穿高鐵橋梁施工不可避免會造成周圍土層變形，進而影響高鐵橋梁正常使用甚至造成重大安全事故，所以新建市政管線實施過程中如何確保高鐵正常運營是設計的重點。本文以鄭開同城東部供水工程鄭州東部原水干管工程下穿鄭開城際鐵路為例，模擬了管線防護涵頂管施工過程，分析了管線頂管施工對高鐵橋梁的影響，并提出合理的保護方案。

1 工程概況

擬建原水干管與鄭開城際鐵路交叉點位于鄭州市鄭開大道與京港澳高速交叉口向東約500m處附近現狀金柳路西側。擬建DN3000原水干管于鄭開城際鐵路鄭州特大橋202～203號橋墩之間穿越，與鐵路交角為89°，穿越處鐵路運營里程為K008+785.85。

2 頂管法工程設計

2.1 結構形式及規模

管線防護涵采用直徑為4.14m的鋼筋混凝土圓管涵，柔性鋼承口型Ⅲ級管，孔徑3.5m，圓管壁厚0.32m，節長2.5m，共34節，防護涵全長85m。防護結構與原水管道之間空隙充砂注漿填實。高鐵橋下防護涵頂覆土厚度約6.5m。防護涵位于細砂夾粉土層，地基承載力特征值fa0=170kPa。

根據《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》8.0.7～8.0.10條相關規定，大直徑管道采用頂管法下穿高速鐵路時，為降低對鐵路橋墩影響，可先在管道外側設置鋼筋混凝土隔離樁，隔離樁頂設置冠梁，布設范圍應超出高速鐵路橋梁承臺兩端各1.5倍管道外徑。設計原水管道套管內徑3.5m、外徑4.14m，下穿高速鐵路段，套管兩側設置直徑0.8m@1.0m，長16m的鉆孔灌注樁，樁身距離管道1m，鐵路橋下布設27.0m，滿足鐵路規范相關要求。

2.2 沉井設計

本工程出發井設置在鐵路南側，尺寸為φ11m的圓形井，壁厚0.8～1.0m，井高13.8m；接收井設置在鐵路北側，尺寸為φ8m的圓形井，壁厚0.8～1.0m，井高14.3m。工作井洞口及井背設置3排Φ60cm@40cm水泥攪拌樁，水泥攪拌樁長14m。出發井、接收井井壁距鄭開城際鐵路鄭州特大橋橋梁投影垂直距離分別為33.33m和34.09m。

3 穿越處鄭州特大橋概況

鄭開城際鐵路鄭州特大橋全長約27km，交叉處橋位位于鄭州市金水區，鐵路區間為鄭州東站至綠博園站。橋址區多辟為耕地，間有村莊。該處鐵路為電氣化鐵路，設計速度200km/h，有砟軌道，線間距4.4m，橋墩采用雙線圓端形實心橋墩，下部基礎為摩擦樁基礎，行列式布置，樁徑1m。

4 工程地質

擬建場地地貌單元屬黃河沖洪積泛濫平原，地勢稍有起伏。據勘察揭露，地層自上而下結構分層較明顯，巖性分布依次為：雜填土粉土、粉質粘土、粉砂、粉質粘土、細砂夾粉土、細砂。

本次設計防護工程位于細砂夾粉土層內，地基承載力170kPa，滿足設計要求。勘察期間鄭開城際節點場地地下水在現自然地面下約5.3m，標高約為78.00m。如表1所示。

表1 計算土層參數

5 控制標準的制定

根據國家鐵路局發布的《公路與市政工程下穿高鐵技術規程》（TB 10182-2017）3.0.3條規定：受下穿工程影響的高鐵橋梁橋墩位移限值應符合下列規定，如表2。

表2 墩頂位移控制標準/mm

6 施工影響預測

6.1 計算模型

采用Midas GTS NX大型巖土工程計算軟件進行分析計算，分析管道工程在施工階段鄭州特大橋201～204號橋墩的影響。如圖1所示。

圖1 模型示意圖

鐵路荷載等級：ZK活載；

橋梁主要建筑材料：材料彈模按高鐵橋梁設計采用的《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》（TB10092-2017）辦理。如表3。

表3 鋼筋混凝土材料參數

6.2 計算結果

頂管防護涵施工下穿引起高鐵橋墩豎向位移圖及趨勢圖如圖2所示。

圖2 高鐵橋墩豎向位移云圖

頂管防護涵施工下穿引起高鐵橋墩順橋向位移云圖如圖3所示。

圖3 高鐵橋墩豎向位移趨勢圖

6.3 結果分析

鄭開同城東部供水工程鄭州東部原水干管工程（一期）采用機械頂管法施工下穿鄭開城際鐵路鄭州特大橋，對鄭州特大橋201～204號墩位移、樁基承載力等均有一定的影響，鄭州特大橋201～204號橋墩豎向、順橋向、橫橋向附加位移最大值分別為-0.126mm、0.142mm、0.173mm，均滿足《公路與市政工程下穿高鐵技術規程》（TB 10182-2017）中表3.03規定的3mm限值要求。

6.4 主要施工措施

通過前述的理論計算分析，管線防護涵施工對鄭開城際高鐵影響較小，能滿足鄭開城際高鐵正常保養的要求。建議在施工中采取以下措施加強對鄭開城際高鐵的保護：

①頂管施工過程中，應嚴格檢測頂管機的位置、姿態，并及時修正其位置、姿態；②頂進前必須完成各種防護設施的施工，頂進時控制好頂力和頂進方向；③施工過程中嚴禁在鐵路兩側各50m范圍內堆載，以避免因堆載而引起鐵路的沉降或變形；④基坑開挖過程中應嚴格控制基坑變形，如需支撐時應做到先撐后挖，及時支撐；⑤基坑開挖后應及時施工，避免長期暴露，以免影響基坑的安全穩定。

7 結語

綜上所述，通過分析及計算驗證，在核實場地工程地質及水文地質情況、完善機械頂進法施工工藝、細化沉井水下封底施工設計、施工過程中做好基坑及高鐵橋墩變形監測、采取軌道及鐵路設施的保護措施后，本工程的建設及運營對交叉處高鐵橋的影響較小，風險可控。