頂管下穿既有鐵路橋梁的擾動分析

張 帥

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

隨著城市規劃的日益完善，路網分布呈現密集化，由于早期我國城市基本生活設施并不完善，與之而來的新增市政管線的施工與道路、橋梁以及軌道交通出現不可避免的交叉分布風險，成為一大施工難題，新建工程施工會對鄰近既有構筑物穩定性造成影響，進而影響交通安全。為保證既有結構的安全和減小對現狀交通的影響，絕大多數新建管線結構選擇下穿通過，以最大限度地減小對土體及既有結構的擾動。其中管線下穿既有結構的方式大致分為定向鉆法、頂管、盾構及明挖、暗挖等。

文章以臺州市南片水資源優化利用工程下穿臺州市域鐵路S1 線商海北街特大橋為工程背景，對頂管施工引起橋梁變形情況展開研究，為市政管線下穿既有市域鐵路橋梁可行性研究提供一定的理論依據，也對類似工程提供一定參考。目前國內外相關學者對頂管也已開展了很多研究，但多數側重于頂管施工對周圍地層的擾動情況，缺乏對周邊建筑物穩定性的研究，其中馬鳳偉以西安市某市政管線為背景，對頂管施工對高鐵橋梁的影響展開研究，并給出地表變形控制方法；李金書以天津萬匯路電力管線穿越高鐵橋梁為背景，最終得出橋墩附加位移值并給出相關建議。另有大量研究指出新建工程與既有結構凈距、交叉角度、地層參數及地下水分布情況均為影響既有結構安全的決定性因素。

1 工程概況

臺州市南片水資源優化利用工程（路橋至椒江供水管線路橋段）是解決臺州市城市供水供需矛盾，提高“城市韌性”的重要舉措之一。工程管線總長度約10.10 km，管材主要采用鋼管，本工程為總體工程的涉市域鐵路專項節點工程，在管道穿越S1 線商海北街特大橋時決定采用頂管的方式通過。

臺州市域鐵路S1 線全長52.568 km，其中地下線長17.47 km、高架線長29.511 km，山嶺隧道4座長度為4.812 km，全線設站15 座，其中地下站7 座，高架站8 座，最高運行時速140km/h。給水管道從商海北街特大橋62#～63#墩之間通過，頂管與市域鐵路相交點里程為S1DK16+722.380，斜交角57.7°，橋下凈空9.232 m，管道下穿處市域鐵路62#、63#墩上部結構采用雙線連續梁。

新建直徑為1-DN1800 的III 型鋼筋混凝土管作為DN1400 供水管道的外護套管，護套管施工采用頂管施工工藝，泥水平衡法頂進施工；護套管頂進時，應在承壓面上加設襯墊，防止承壓面混凝土受壓破損；襯墊應與管材配套供應，并應固定在承壓面上；DN1400 給水管布置在D1800 護套管內，空隙部分采用水泥砂漿填筑填實。頂管工作井與接收井均采用C30 鋼筋混凝土沉井結構，壁厚0.7 m，沉井外側、底部及出入洞口位置采用Φ700@500 mm 雙軸攪拌樁圍護。

文章主要圍繞臺州市南片水資源優化利用工程工作井和接收井施工以及頂管下穿S1 線商海北街特大橋對62#、63#橋墩造成的影響展開分析。

2 變形控制標準

橋墩承受上部橋梁荷載，過大的變形將導致鐵路橋梁平順度不滿足要求，尤其對于此類連續橋梁可能會對結構耐久性產生影響，甚至可能使結構發生破壞，危及行車安全。因文章研究工程為下穿市域鐵路橋梁，同屬于鐵路和軌道交通范疇，因此通過閱讀相關文獻，參照鐵路營業線結構變形控制標準TB10314-2021《鄰近鐵路營業線施工安全監測技術規程》和臺州市軌道交通相關變形控制標準DB33/T 1139-2017《城市軌道交通結構安全保護技術規程》綜合制定變形控制標準，62#～63#墩墩臺豎向位移控制值為+3/-8 mm；橫向和縱向水平位移控制值為±7 mm。

3 有限元分析

3.1 理論分析

鐵路橋梁下施工會引起周圍一定范圍內土體擾動繼而對橋墩、樁基發生二次沉降或隆起變形，頂管推進所導致的地表變形在三維上表現為一個凹形沉降槽，這使得處于不同位置的橋梁樁基會有不同的沉降，即出現基礎的不均勻沉降現象。另外，樁周土體會產生水平方向的位移和應力變化，樁基會由于一側的加載和卸載而在水平方向上失去平衡，樁基將產生相應的水平位移，引起樁基發生彎矩變化、扭曲、傾斜等，從而使上部高架結構發生傾斜、變形或破壞，影響甚至危及鐵路橋的行車安全。

3.2 計算模型

在巖土力學有關領域的數值分析應用中，常用的方法主要為有限單元法和離散單元法等，綜合考慮本工程實際情況，最終采用有限元分析法，利用大型巖土有限元軟件MIDASGTSNX，建立包括巖土、62#～63#橋墩、承臺、樁基、頂管、工作井和接收井結構的模型，根據實際施工方案，進行分步模擬分析新建供水管道對鐵路橋梁的影響。其中地層、承臺、雙軸攪拌樁及橋墩采用四面體實體單元和六面體實體單元結合并在突變位置五面體實體單元加以過渡的混合網格進行模擬，樁基采用一維梁單元進行模擬，頂管和工作井襯砌采用二維板單元進行模擬，鐵路橋梁等效荷載和水壓力以面荷載的形式添加，約束采用垂直與邊界的位移約束，頂面為自由約束，詳見圖1、圖2。

圖1 計算模型

圖2 新建工程與既有結構相對位置關系圖

3.3 基本參數

參考臺州市域鐵路S1 線商海北街特大橋的詳勘報告并結合供水管道的地勘報告選取，橋墩、承臺及樁基參照《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》中相關內容進行選取，如表1 所示。

表1 計算參數

3.4 施工工序

文章按照新建管道工程實際施工順序采用分步驟施工方式模擬，計算步與施工條件如表2 所示。

表2 計算模擬工序

4 變形結果分析

通過數值模擬，得到新建供水管道及工作井施工對臺州市域鐵路S1 線商海北街特大橋62#～63#橋墩和周圍土體的影響情況。

各施工階段結束后臺州市域鐵路S1 線62#～63#橋墩墩頂各方向附加位移如圖3、圖4 所示。

圖3 62#墩頂附加位移曲線

圖4 63#墩頂附加位移曲線

由以上數值模擬結果可知，工作井加固可增加周圍土體抗變形能力，管道施工所引起鐵路橋梁墩臺變形主要以X 和Y 方向（即臺州市域鐵路S1 線線路方向和垂直線路方向）變形為主，所有階段施工完成后，62#墩X 和Y 方向位移分別為-0.0332 mm和0.076 6 mm，63#墩X和Y 方向位移分別為-0.189 0mm和-0.236 1mm；62#墩和63#墩Z方向位移分別為-0.022 mm 和-0.081 6 mm，和其余兩個方向位移相比較小，綜合分析三個方向位移，頂管施工對63#墩影響相對較大，但遠小于相應的安全控制標準，在施工過程中要加強監測。

5 結論

通過對臺州市南片水資源優化利用工程下穿S1線商海北街特大橋62#～63#橋墩數值計算研究，得出如下結論。

（1）新建工程施工會引起周圍一定范圍內土體隆起或沉降；但供水管道施工對臺州市域鐵路S1 線商海北街特大橋62#～63#墩造成的影響相對較小。

（2）新建工程各階段施工完成后，既有橋梁墩臺位移以X 和Y 方向位移為主，Z 方向位移較小，但造成的影響均在各項限值要求范圍內，能夠保證施工期間S1 線商海北街特大橋62#～63#橋墩的運營安全。

（3）本次結果是在頂管工作井、接收井合理施工的情況下得出，在實際施工過程中嚴禁在安全保護區范圍及沉井周圍堆載、降水，在頂管施工前應設置施工試驗段并保證在市域鐵路影響范圍內施工的連續性，以盡可能減小對橋梁樁基周邊地層的擾動。

（4）數值計算及成果為特定的土層參數下展開，可為類似新建工程穿越既有結構的設計和施工提供一定的參考，參考時可根據工程實際地層條件補充采取相應加固措施。