燃气管线保护涵基坑开挖对临近高铁影响数值仿真分析

齐成龙,张 军

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)



燃气管线保护涵基坑开挖对临近高铁影响数值仿真分析

齐成龙,张 军

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

由于城市建设与铁路事业的发展，导致临近高铁路线的工程日益增多，此类工程的基坑施工会对临近高铁产生影响，然而运营期的高铁对于变形控制极为严格。为了确保铁路运营安全，针对这种现象，以某中压燃气管线保护涵下穿大西高铁桥梁为背景，建立三维数值仿真分析模型，对基坑施工全过程进行分析模拟。得到以下结论：基坑防护桩施打结束以后，临近高铁桥墩总沉降值达到最大；“开挖至坑底”施工阶段对各桥墩竖向变形及水平变形影响最大，该阶段结束时高铁桥墩产生最大的附加水平变形和附加不均匀沉降。

基坑；高铁桥梁；防护桩；有限元；变形；沉降

近年我国铁路事业蓬勃发展，普速、高速铁路网络遍布各地，城市建设与铁路的交叉不可避免，市政、公路、燃气管道下穿铁路路基、桥梁的情况日益增多。对于燃气管线来说，作为风险源，需要采取一定的防护措施，从而将风险等级降至最低。文献[1]要求穿越铁路或二级及二级以上公路时，应采用在套管或涵洞之内敷设穿越管段。文献[2]要求铁路线路两侧设立铁路线路安全保护区，在工程实践当中，对于燃气管线下穿铁路的情况，一般采取将安全保护区范围作为设置套管或涵洞的区域。同时，文献[3]对防护结构的尺寸及埋置深度作了具体规定。

燃气管线保护涵穿越高铁桥梁需要基坑开挖及回填，使得高铁线下的土体区域受力平衡被打破，引起土体应力重分布，最终对高铁的路基和桥梁，乃至线上轨道结构产生附加沉降和水平变形影响。然而运营期的高铁对于变形控制极为严格。文献[4]明确给出了工后沉降的定义、路基和桥梁工后沉降量及差异沉降量限值要求，铺轨工程完成以后，基础设施产生的沉降量为工后沉降，对于时速350 km无砟轨道，控制的墩台均匀沉降为20 mm，相邻墩台的沉降差为5 mm。文献[5]规定了时速350 km无砟轨道客运专线在经常保养状况下的静态高低及水平容许偏差管理值为4 mm，经常保养Ⅰ级状况下的动态高低容许偏差管理值为4 mm、动态水平容许偏差管理值为5 mm。因此，高铁桥梁下的基坑工程对于高铁工程结构的影响不容忽视，必须准确评估基坑施工过程及施工顺序对高铁桥梁以及轨道结构的影响，合理优化基坑防护设计、施工工艺，并尽可能地将影响控制在极小的范围内，以避免影响铁路运营的安全性和舒适性，确保高铁运营安全。

针对基坑开挖问题，国内外采用的计算软件较多，常用的有限元模拟分析软件有ANSYS、PLAXIS、MIDAS-GTS和FLAC等。其中，PLAXIS-3D程序是一款功能强大的通用岩土有限元计算软件，现在已广泛应用于各种复杂岩土工程项目的有限元分析中，该程序内嵌的HS和HSS本构模型对于开挖类问题具有独特的优势，在建筑基坑、地铁基坑等开挖支护分析中大量应用，广受认可。同时该程序提供了独特的Embedded桩单元，可模拟包含大量桩构件的大型桩筏基础。本文以某燃气管道下穿大西高铁工程为背景，运用PLAXIS-3D软件建立三维数值分析模型，对该处基坑施工过程进行了数值仿真模拟，分析基坑施工过程对既有临近高铁的影响，以期对类似工程有所借鉴。

1 工程背景

1.1 工程概况

下穿体为中压燃气管线，管道直径400 mm，设计压力0.4 MPa，下穿位置处高铁为32 m简支箱梁，管道与大西高铁正交，从跨度中间穿过。管道保护结构为1～3.0 m框架箱涵，设计长度为45.06 m，每节15 m，中间设2道3 cm宽沉降缝。箱涵设计断面顶板厚0.50 m，边墙厚0.40 m，涵洞顶板埋深1.48 m。

图1 保护涵与既有高铁位置关系(单位：cm)

图2 保护涵横断面图(单位：cm)

1.2 场地工程地质条件

表1 土层物理力学参数统计表

1.3 基坑支护设计方案

本项目基坑开挖深度4.8 m，基坑防护结构平面布置如图3所示。涵洞施工时，对保护涵基坑两侧采用单排直径1.0 m，桩长9.0 m的钻孔桩进行防护，每排桩内的桩中心距1.20 m。钻孔桩嵌入深度5.19 m，桩顶设1.0 m高的冠梁，使防护桩形成一整体。在冠梁处，用Φ500 mm×12 mm钢管内撑进行支护，间距3 m，预加压力为30 kN。

图3 基坑防护平面布置图

本工程地下水位较浅，工作坑四周采用两排高压旋喷桩搭接而成的水泥土墙止水帷幕防水，水泥土墙由两排直径为0.6 m的高压旋喷桩搭接而成，搭接长度0.2 m，形成厚度为1.0 m的水泥土墙，每根旋喷桩的桩长9.0m。基坑开挖前在围护结构四周设截水沟。基底采用旋喷桩封底，桩径0.6 m，桩间距0.5 m，桩长1.7 m，以确保工作坑的安全无水作业。施工结束时，两侧防护桩、旋喷桩止水帷幕、旋喷桩封底作为永久结构保留(见图4)。

2 三维数值仿真模拟

2.1 建模原则

模型宽度250 m、长度250 m、深度100 m，采用土体硬化模型(HS)来模拟土的本构关系，桥梁基础为线弹性实体单元，大西高铁桩基础采用embedd单元，基坑防护桩根据刚度等效原则使用板单元模拟。桥梁上部结构对土体的作用以均布荷载形式模拟，土体水平四周边界采用水平约束，底边界采用固定约束。模型当中包括基坑相邻的4个桥墩，三维空间有限元模型如图5所示。

图4 防护结构断面图(单位：cm)

图5 三维模型图

在实际工程中，由于天然土层在土体自重和周围建筑荷载作用下，已经固结沉降完毕，在此基础上进行基坑开挖，需要将已经固结沉降完成的原状土作为后续开挖步的初始状态，因此，在利用有限元模拟基坑开挖过程时，若要达到天然土层的初始状态，必须平衡初始地应力，使得在土体模型中只存在初始应力场而不出现初始位移[9]。本次计算时，首先计算土层的初始应力，重置土层位移为零，然后将既有大西高铁桥梁结构物按现状作为初始状态加载，最后在此基础上建立管线保护涵基坑开挖及防护模型，计算土层的应力及位移变化情况，进而考查土层变形对大西高铁桥梁基础的影响。

具体加载过程如表2所示。

表2 施工过程工况表

2.2 计算结果分析

本部分重点研究基坑施工过程对高铁桥墩沉降、水平变形和轨道平顺度的影响。

2.2.1 施工对高铁桥墩总沉降和附加不均匀沉降的影响

图6、图7所示分别为各桥墩基础总沉降及附加不均匀沉降时程曲线，总沉降考虑了高铁桥墩自身沉降的叠加，附加沉降仅由3～8荷载步引起。各桥墩不均匀沉降为该桥墩与其相邻墩沉降差的最大值。可以看出，距离管线最近的两个桥墩总沉降最大，各桥墩附加不均匀沉降差异很小。具体施工阶段：防护桩施工引起高铁桥墩沉降；开挖至0.5 m深度时，土体卸载，桥墩隆起；加横撑导致桥墩沉降；开挖至基坑底部，土体卸载，桥墩隆起；涵洞主体浇筑及基坑回填为竖向加载作用，均导致高铁桥墩沉降。

从具体数值来看，基坑防护桩施打结束后在96号墩出现最大总沉降值13.11 mm，满足20 mm规范限值，第6荷载步即“开挖至坑底”施工阶段对各桥墩竖向变形影响最大，截止到该施工阶段结束，97、98号墩的附加不均匀沉降值最大，为2.4 mm，满足5 mm不均匀沉降限值要求。

图6 各桥墩基础总沉降时程曲线

图7 各桥墩基础附加不均匀沉降时程曲线

图8 各桥墩基础附加总水平位移时程曲线

2.2.2 施工对高铁桥墩附加水平变形的影响

图8所示为各桥墩基础附加水平位移时程曲线，附加水平位移仅由3～8荷载步引起。图8中，当水平位移偏向大里程方向时为正，可以看出：施打防护桩过程中各墩产生偏向基坑方向的水平位移；开挖至0.5 m深度时，产生远离基坑方向的水平位移；加横撑施工过程产生偏向基坑方向的水平位移；开挖至基坑底部过程中，产生远离基坑方向的水平位移；涵洞主体浇筑及基坑回填阶段，产生偏向基坑方向的水平位移。

观察具体数值，第6荷载步，即“开挖至坑底”施工阶段对各墩水平位移影响最大，该阶段结束时，96号墩的附加总水平位移最大，为1.12 mm。

2.2.3 施工对高铁轨道平顺性影响结果

整个施工过程，轨道与桥梁的变化规律相同，对高铁竖向及水平变形影响最大的施工阶段为开挖至坑底阶段，该施工阶段结束时，高铁桥墩附加不均匀沉降和附加总水平位移均达到最大，分别为2.4 mm和1.12 mm，小于4 mm轨道水平容许偏差限值，同时小于静态4 mm和动态5 mm的高低容许偏差管理值，满足文献[5]的评估标准。

3 结论

本文以某中压燃气管线下穿大西高铁桥梁为工程背景，按照实际施工方法，运用PLAXIS3D软件建立三维数值分析模型，对高铁下基坑开挖、支护、回填过程进行了数值仿真分析，主要得到以下结论：

(1)基坑防护桩施打结束以后，临近高铁桥墩总沉降值达到最大，为13.11 mm，满足文献[4]的要求，“开挖至坑底”施工阶段对各桥墩竖向变形及水平变形影响最大，该阶段结束时高铁桥墩产生最大的附加水平变形和附加不均匀沉降，分别为2.4 mm和1.12 mm，满足文献[5]的要求。

(2)本文数值仿真分析模型，是在旋喷桩止水帷幕、封底等措施施工完好的条件下建立的，因此，在施工过程中，应严格控制止水措施的质量。建议增加对高铁桥梁和轨道的动态监测，确定合理的预警限值以保证高铁的调试和运营安全。

[1]GB50423-2007.油气输送管道穿越工程设计规范[S].

[2]中华人民共和国国务院639号令.铁路安全管理条例[S].

[3]TB10063-2007(2012年版).铁路工程设计防火规范[S].

[4]TB10621-2009.高速铁路设计规范[S].

[5]铁运[2012]83号.高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)[S].

[6]李林.盾构施工地层形变及盾构穿越桩群三维数值模拟及试验研究[D].天津：天津大学，2008.

[7]吴建奇，李文彪，肖波，等.基于PLAXIS 软件的深基坑变形与内力分析[J].铁道建筑，2014(7)：80-82.

[8]禚一，张军，宋顺忱.软土地区基坑开挖对临近高铁影响数值仿真分析[J]. 铁道工程学报,2014(2):41-47.

Numerical simulation of influence of gas pipeline culvert foundation pit excavation on adjacent high-speed railway

QI Cheng-long, ZHANG Jun

(BridgeDesignDepartment,No. 3RailwaySurveyandDesignInstituteGroupCorporation,Tianjin300142,China)

Because of the urban construction and railway development, crossing phenomenon give rise to more and more adjacent-railway project. The foundation pit excavation of such projects can lead to an influence on high-speed railway close to it. Deformation control of operating high-speed railway is very strictly. To ensure the operation safety, in view of this appearance, this essay erects a 3D numerical simulation and analysis model based on one mid-pressure gas pipeline culvert underpass DAXI high-speed railway bridge. And the whole construction process of the foundation pit is simulated. The following conclusions are obtained: the whole settlement of the adjacent pier achieves maximum when the fender pile construction comes to an end; the “excavation to the bottom” construction step influence the vertical and horizontal deformation most. At the end of this stage, maximum additional horizontal deformation and vertical additional uneven settlement emerge.

foundation pit; high-speed railway bridge; fender pile; finite element; deformation; settlement

2015-01-11

齐成龙(1986-)，男，吉林公主岭人，硕士，工程师。

1674-7046(2015)02-0026-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.02.006

TU984.12

A