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摘要:為研究軟土地區(qū)頂管下穿既有鐵路營業(yè)線橋梁對其產(chǎn)生的影響，本文采用Midas-GTS有限元分析軟件，對天津市萬匯路220kV電力管線頂管下穿京滬高鐵、津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線施工過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得出鐵路橋墩基礎(chǔ)附加變形情況。京滬高鐵天津特大橋最大附加豎向、縱向和橫向位移均出現(xiàn)在1498號橋墩基礎(chǔ)，分別為－0．653mm、－0．459mm和－0．923mm;津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋最大附加豎向、縱向和橫向位移均出現(xiàn)在16號橋墩基礎(chǔ)，分別為－1．013mm、1．041mm和1．586mm，計(jì)算結(jié)果滿足現(xiàn)行規(guī)程限值要求，能夠保證鐵路安全運(yùn)營。

關(guān)鍵詞:橋梁軟土地區(qū)下穿頂管安全性有限元分析

1引言

近年來，隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大和鐵路行業(yè)的飛速發(fā)展，越來越多的管線與鐵路營業(yè)線交叉。為了保證鐵路營業(yè)線的運(yùn)營安全，一般管線都采用下穿的方式穿越鐵路營業(yè)線。針對管線下穿鐵路營業(yè)線所產(chǎn)生的影響，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)做了大量研究。徐威［1］建立三維有限元模型研究熱力管道采用頂管的方式穿越新、老京滬線所產(chǎn)生的影響，計(jì)算結(jié)果表明:采用頂管穿越新、老京滬線可以有效地控制鐵路營業(yè)線的沉降，滿足鐵路運(yùn)營的安全要求。王浩［2］等人利用有限元軟件建立2D模型研究頂管下穿津秦高鐵對既有橋墩變形產(chǎn)生的影響，并提出了橋墩變形監(jiān)測具體方案，監(jiān)測結(jié)果表明橋墩變形在允許范圍內(nèi)。大量的研究成果表明新建下穿工程的結(jié)構(gòu)形式及其與既有鐵路的交叉角度工點(diǎn)地區(qū)的地質(zhì)參數(shù)等均會影響既有鐵路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加變形［3－12］。隨著頂管下穿鐵路營業(yè)線研究成果的不斷豐富，頂管下穿鐵路營業(yè)線技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。

2工程概況

天津市西青區(qū)萬匯路220kV電力管線與京滬高鐵和津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線交叉。交叉點(diǎn)處地勢整體平坦開闊，場地現(xiàn)狀多為林地、荒地及鐵路保護(hù)區(qū)，附近有市政道路，交通較為便利。地質(zhì)以軟土層為主，存在粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂土等不良地質(zhì)層，且有一定程度的地面沉降。經(jīng)詳細(xì)研究對比分析，本工程擬采用頂管的方式下穿京滬高鐵和津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線。京滬高鐵設(shè)計(jì)時速350km，雙線無砟軌道;津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線設(shè)計(jì)時速200km，為單線有砟軌道。兩者并行南北走向，線間距約45m。新建電力管線于京滬高鐵天津特大橋1498～1499號橋墩之間穿過，交角82．3°，交叉處為24m簡支箱梁，電力管線在橋下埋深4．88m，與承臺最小凈距4．39m，與樁基最小凈距5．40m;新建電力管線于津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋16～17號橋墩之間穿過，交角89°，交叉處為32m簡支箱梁，電力管線在橋下埋深5．98m，與承臺最小凈距6．00m，與樁基最小凈距7．12m［3－5］。新建電力管線采用鋼筋混凝土套管，混凝土強(qiáng)度等級C50，內(nèi)徑2．40m、外徑2．86m，壁厚0．23m，軸向長度102．86m。頂管形式下穿鐵路營業(yè)線，頂進(jìn)方向由東向西，控制頂力為12746kN，計(jì)算頂力最大7932kN。頂管位于基本承載力為120kPa的粉土層內(nèi)。工作井位于京滬高鐵安保區(qū)外與卉康道交口處西側(cè)的林地內(nèi)，接收井位于津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線西側(cè)安保區(qū)外的空地上［6］。

3有限元分析

3．1計(jì)算原理

高速鐵路橋下施工下穿工程時，加載工況會引起工層壓縮，帶動橋墩產(chǎn)生附加沉降而橋下缷載施工(如挖土)會引起土體在一定程度上隆起，進(jìn)而帶動橋墩上浮。

3．2計(jì)算模型

采用Midas-GTS建立三維空間模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分別建立京滬高鐵天津特大橋1497～1500號橋墩基礎(chǔ)、津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋15～18號橋墩基礎(chǔ)及新建電力管線模型，如圖1所示。土體、墩臺和高壓旋噴樁采用實(shí)體單元模擬，咬合支護(hù)鉆孔樁和頂管采用板單元模擬，鐵路橋梁樁基礎(chǔ)采用樁單元模擬。邊界約束條件施加在土體上，在模型底面限圖1計(jì)算模型制豎向位移，在模型側(cè)面限制水平方向位移。計(jì)算荷載主要考慮土體自重、鐵路橋墩之間的橋梁自重、二恒、新建工程及防護(hù)工程自重［7－9］。3．3計(jì)算參數(shù)材料參數(shù)采用鐵路橋梁地勘報告中給出的土體物理力學(xué)參數(shù)實(shí)測值，如表1所示。

4計(jì)算結(jié)果匯總分析

4．1計(jì)算結(jié)果匯總

提取新建工程施工引起京滬高鐵天津特大橋1497～1500號橋墩基礎(chǔ)、津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋15～18號橋墩基礎(chǔ)墩頂累計(jì)沉降云圖如圖2所示。各施工階段京滬高鐵天津特大橋1497～1500號橋墩基礎(chǔ)、津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋15～18號橋墩基礎(chǔ)各方向的墩頂變形曲線如圖3～圖8所示。由圖3～圖8可知，新建工程施工對津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋影響相對較大，對京滬高鐵天津特大橋影響相對較小;引起京滬高鐵天津特大橋1497～1500號橋墩基礎(chǔ)、津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋15～18號橋墩基礎(chǔ)橫向變形相對較大，豎向和縱向變形相對較?。?0－12］。新建工程施工引起京滬高鐵天津特大橋最大附加豎向、縱向和橫向位移均出現(xiàn)在1498號橋墩基礎(chǔ)，分別為－0．653mm、－0．459mm和－0．923mm(均發(fā)生在工作豎井及接收豎井土體回填施工階段);引起津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋最大附加豎向、縱向和橫向位移均出現(xiàn)在16號橋墩基礎(chǔ)，分別為－1．013mm(發(fā)生在工作豎井及接收豎井土體回填階段)、1．041mm(發(fā)生在工作豎井及接收豎井土體回填階段)和1．586mm(發(fā)生在咬合支護(hù)鉆孔樁及高壓旋噴樁施工階段)。

4．2鐵路橋梁變形標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》(TB10182—2017)14相關(guān)條文要求，京滬高鐵天津特大橋和津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋受下穿新建工程引起橋墩各個方向上的位移控制值分別為2mm和3mm。根據(jù)《鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(TB10314—2021)13要求，確定變形預(yù)警值、報警值和控制值，具體監(jiān)控量測控制指標(biāo)如表3、表4所示［13］。

4．3計(jì)算結(jié)果分析

整理數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與規(guī)范規(guī)定的變形標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行對比，如表5、表6所示?？梢钥闯?，在整個施工過程中引起京滬高鐵天津特大橋1497～1500號墩、津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋15～18號墩產(chǎn)生的附加位移值均滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》(TB10182—2017)［14］要求的墩頂附加變形要求。(1)本工程各個階段引起的京滬高鐵天津特大橋1497號～1500號橋墩、津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋15號～18號橋墩基礎(chǔ)總附加豎向位移、附加縱向位移以及附加橫向位移均滿足規(guī)程限值要求。(2)本工程實(shí)施引起京滬高鐵天津特大橋1498、1499號橋墩沉降較大，產(chǎn)生的豎向最大附加位移達(dá)到－0．653mm，但小于規(guī)范2mm的附加位移限值要求，能夠滿足施工安全;1497、1500號橋墩沉降較小，產(chǎn)生的豎向最大附加位移小于0．3mm，對土體僅產(chǎn)生輕微擾動?？梢哉J(rèn)為本項(xiàng)目實(shí)施對京滬高鐵天津特大橋其他橋墩基本無影響。(3)本工程實(shí)施引起津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋16、17號橋墩沉降較大，產(chǎn)生的豎向最大附加位移達(dá)到－1．013mm，但小于規(guī)范3mm的附加位移限值，能夠滿足施工安全要求;15、18號橋墩沉降較小，產(chǎn)生的豎向最大附加位移小于0．2mm，對土體僅產(chǎn)生輕微擾動?？梢哉J(rèn)為本項(xiàng)目實(shí)施對津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋其他橋墩基本無影響。

5結(jié)論及建議

新建電力管線工程以頂管形式下穿京滬高鐵天津特大橋、津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋，通過分析，得出主要結(jié)論:新建電力管線工程以頂管形式下穿京滬高鐵天津特大橋、津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋，能夠保證其安全運(yùn)營。本文研究成果可以為類似工程設(shè)計(jì)施工提供參考，但需注意的是土層參數(shù)對施工過程模擬的準(zhǔn)確性起決定性作用，本工程所采用的土層參數(shù)均建立在地勘資料的基礎(chǔ)上，京滬高鐵天津特大橋1497號～1500號橋墩、津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋15號～18號墩的變形應(yīng)以現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。施工過程中，需實(shí)時觀測京滬高鐵天津特大橋1497號～1500號橋墩、津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋15號～18號橋墩單日附加豎向位移監(jiān)控數(shù)據(jù)，若位移過大，需要及時調(diào)整施工進(jìn)度并采取相應(yīng)的施工措施。另外，電力管線工程本身的施工質(zhì)量應(yīng)當(dāng)作為安全風(fēng)險防控的主要手段之一。

作者:李金書 單位:中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司