燃气管道下穿京沪高铁特大桥变形分析

徐 威

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，福建 厦门 361010）

我国是人口大国，公共交通的大力发展成了我国城市建设的里程碑，高铁更是走在世界的前列，营业里程居世界第一。由于高铁运营时速高，因此对线路的平整度要求也高。在既有高铁营业线正下方及周边进行工程项目建设时，特别要注意对高铁进行保护，避免发生重大事故。

我国涉及高铁的项目较多，目前国内与高铁交叉的项目已经取得了较多的经验，如：毛喜云[1]研究了软土地区基坑开挖对高铁岩土应力-应变状态的影响，可以预测高铁的变形趋势与变形幅值；邓称意[2]以短距离小角度的线形方案下穿既有高铁，并从规划、设计、施工及管理方面给出了指导性意见；张艳南[3]提出了隔离桩在下穿高铁项目中能取得有益效果，并通过对比得出，打设隔离桩可以有效地控制变形；徐威[4]通过低填浅挖路基来控制附加荷载，从而进一步减少高铁桥墩的变形，并得出桥墩的变形与荷载距离呈二次抛物线的关系。

文章以燃气管道下穿京沪高铁无锡西特大桥项目为背景，定性、定量地研究了管道基坑施工对无锡西特大桥的影响，可为类似项目提供参考与借鉴。

1 工程概况

此项目燃气管道与京沪高铁交叉里程约为K1201+689.12，高铁为双线、直线，线间距为5.0m，穿越处轨顶标高为22.09m，管道中心线与京沪高铁夹角为90°。管道从无锡特大桥640#、641#桥墩之间穿越，京沪高铁此处为连续梁（40m+64m+40m）跨越S340省道，管道距640#桥墩中心的距离为20.23m，距641#桥墩中心的距离为20.62m。无锡特大桥梁底标高15.1m，墩高13m、10m，分别采用1.25m、1.50m钻孔桩基础，桩长分别为49m和66m。燃气管道与无锡西特大桥平面位置关系图如图1所示。

燃气管道为DN600mm直埋管，外侧采用DN1000保护管进行防护，保护管与燃气管道之间空隙采用混凝土注浆充填。燃气管道顶面距地面的距离按80cm进行控制，底部设置60cm厚的基础与垫层，宽度为140cm。管道基坑深度为2.64～3.55m，坑底宽为3.6m，坑顶宽为12.6m。基坑顶面距640#桥墩的距离为9.78m，距641#桥墩的距离为9.52m。采用明挖法施工，边坡坡率约为1∶1.5，边坡采用C20喷射混凝土进行施工期间的坡面防护。施工期间，在坑底两侧布设排水边沟，防水雨水浸泡基坑。基坑回填应分层进行人工夯实，压实系数不得小于94%。

图1 燃气管道与无锡西特大桥平面位置关系图（单位：m）

2 工程地质条件

此项目地貌属长江冲积平原（Ⅲa），地形平坦、开阔，多辟为农田、旱地，村舍零星分布，地表水系发育。根据地勘资料，下穿段的地层主要为第四系全新统（Q4al）和第四系上更新统（Q3al）。其中，第四系全新统（Q4al）包含（2）1粉质黏土、（2）3粉质黏土；第四系上更新统（Q3al）包括（3）1粉质黏土夹粉土、（5）1黏土等。穿越无锡西特大桥段地质剖面图如图2所示，地层的物理力学参数如表1所示。

表1 地层的物理力学参数

3 有限元分析

3.1 有限元计算模型

图2 穿越无锡西特大桥段地质剖面图（单位：cm）

利用有限元离散思想，以离散的小单元逼近实际工程，再根据边界条件综合求解，得出对网格的划分应粗细均匀或连续渐变。此次分析建立的有限元计算模型如图3所示。模型包括连续梁（40m+64m+40m）及相邻跨28m简支梁。计算过程中，土体、桥桩、承台、桥墩、桥身均采用实体单元；计算模型X方向左侧超过桥梁一跨简支梁计算范围，右侧超过三跨连续梁计算范围，Z方向取60m，Y方向取桥桩下20m；模型四周均为水平向约束，底部为竖向约束；强度校核采用摩尔-库仑（Mohr-Coulomb）强度准则。

图3 三维有限元模型

3.2 施工阶段模拟

京沪高铁无锡西特大桥于2011年5月竣工并开始通车，为周边既有环境中的一部分，因此初始环境恢复包含无锡西特大桥。为此，在地应力平衡后将位移清零，接着根据现场实际施工步序，分析燃气管道基坑开挖、回填对大桥的影响。具体的计算步骤如图4所示。

3.3 变形影响

（1）桥墩的最终变形分析。燃气管道施工完成后，640#桥墩、641#桥墩的变形如图5所示。由图5可以看出：①由于桥墩为钢筋混凝土块体，且截面尺寸较大，桥墩的变形表现为整体倾斜，弯曲变形可以忽略不计。②各个桥墩的变形以水平变形为主，沉降相对较小。其中，640#桥墩的最终沉降为0.047mm，最终水平位移为0.403mm，总变形量为0.406mm；641#桥墩的最终沉降为0.039mm，最终水平位移为0.369mm，总变形量未0.371mm。③受承台尺寸、桩基桩径及桩长的影响，640#桥墩的各个变形量均略大于641#桥墩的变形量。④最大变形位置均出现在承台底面标高处。

（2）桥桩的最终变形分析。燃气管道施工完成后，640#桥桩、641#桥桩的变形如图6所示。由图6可以看出，承台倾向的桩顶变形相对较大，与承台倾向相反的桩顶变形相对较小，桩顶变形与承台变形息息相关。桥桩的变形从上至下大致可分为三段，上部变形较大，中部次之，下部最小，与摩擦桩受力机理吻合。其中，640#桥桩桩顶最终变形量为0.187m，桩底最终变形量为0.006mm；641#桥桩桩顶最终变形量为0.153mm，桩底最终变形量为0.004mm。由于京沪高铁无锡西特大桥采用了较大的承台尺寸、较大的桩径及较长的桩长，有效地将管道基坑施工时产生的附加荷载通过桥桩传递给了深部土层，使桥墩及桥桩的变形均较小，在规范要求的安全范围内。

（3）施工过程中的变形分析。燃气管道在施工过程中，各个施工步序桥墩及桥桩的变形如表2、表3所示。由表2、表3中的数据可以得出如下结论：①管道基坑施工过程中，对京沪高铁无锡西特大桥影响最大的施工步为基坑土方开挖，其机理为土方卸荷破坏了原有的地应力平衡，引起土压力重新分布，从而导致周边土体变形，进一步引起桥墩与桥桩的变形。②基础及垫层施工时，无需机械作业，其附加荷载为材料自重，相对较小，引起的附加变形自然较小。③仅针对燃气管道铺管的工况，几乎不引起变形。④最大的变形量并非为最终变形，而是基坑开挖结束后的变形，后续基础、垫层及管道的施工引起的变形略有增长，待基坑回填夯实后，变形量明显减小。

4 具体措施

图4 施工阶段计算步骤

图5 施工完成后桥墩最终变形

因为有限元计算模型是对实体进行了一定的假设和简化，所以与实际情况存在差异，计算过程与实际施工也会存在一定的偏差，计算结果仅起定性和参考作用。因此，根据有限元的分析规律及工程经验，提出如下具体的针对措施：（1）由于大范围土体扰动和降水会影响范围内的土体后期变形增大，因此建议对基坑周边土体采取加固措施，或尽量减小工程施工而产生的扰动，严禁在基坑外降水，以保障铁路的安全。（2）避免施工期间对场地产生堆载效应；防止施工设备撞击铁路桥墩；严禁重型车辆靠近施工现场，出渣及运输作业可通过小车转换；严禁在现场堆土，渣土应随出随运。（3）在工程施工的过程中都应对京沪高铁的变形加强监测，尽量减小对京沪高铁基础的不利影响，确保京沪高铁的安全。（4）项目施工前建立完善的预警机制及紧急预案，以便应对突发情况。

图5 施工完成后桥墩最终变形

图6 施工完成后桥桩最终变形

表2 各个施工步序桥墩变形

表3 各个施工步序桥桩变形

5 结论

通过分析根据燃气管道与京沪高铁无锡西特大桥的位置关系、地层条件、不同施工步序等建立的有限元计算模型得到的变形结果，可得到如下结论：（1）燃气管道基坑的开挖对京沪高铁无锡西特大桥的影响较小，桥墩与桥桩的变形均在安全范围内。（2）桥墩的变形表现为整体倾斜，弯曲变形可以忽略不计，且水平位移明显大于沉降。（3）桥桩的变形从上至下逐渐减小，与摩擦桩受力机理一致，仅顶部发生微小的弯曲。（4）桥桩与承台接触面上，桥墩倾斜方向的桩基变形较大，反方向变形则较小。（5）燃气管道施工过程中对无锡西特大桥影响最大的施工步为基坑开挖，且最终的变形并非最大的变形，基坑回填压实时，变形量也会明显减小。