顶管下穿运营高速铁路桥梁安全影响分析

李金书

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)

1 引言

近年来，随着城市规模的不断扩大和铁路行业的飞速发展，越来越多的管线与铁路营业线交叉。为了保证铁路营业线的运营安全，一般管线都采用下穿的方式穿越铁路营业线。针对管线下穿铁路营业线所产生的影响，国内学者已经做了大量研究。徐威[1]建立三维有限元模型研究热力管道采用顶管的方式穿越新、老京沪线所产生的影响，计算结果表明:采用顶管穿越新、老京沪线可以有效地控制铁路营业线的沉降，满足铁路运营的安全要求。王浩[2]等人利用有限元软件建立2D模型研究顶管下穿津秦高铁对既有桥墩变形产生的影响，并提出了桥墩变形监测具体方案，监测结果表明桥墩变形在允许范围内。大量的研究成果表明新建下穿工程的结构形式及其与既有铁路的交叉角度工点地区的地质参数等均会影响既有铁路结构产生的附加变形[3－12]。随着顶管下穿铁路营业线研究成果的不断丰富，顶管下穿铁路营业线技术得到了广泛应用。

2 工程概况

天津市西青区万汇路220 kV电力管线与京沪高铁和津秦客专下行联络线交叉。交叉点处地势整体平坦开阔，场地现状多为林地、荒地及铁路保护区，附近有市政道路，交通较为便利。地质以软土层为主，存在粉质黏土、粉土、粉砂土等不良地质层，且有一定程度的地面沉降。经详细研究对比分析，本工程拟采用顶管的方式下穿京沪高铁和津秦客专下行联络线。

京沪高铁设计时速350 km，双线无砟轨道；津秦客专下行联络线设计时速200 km，为单线有砟轨道。两者并行南北走向，线间距约45 m。新建电力管线于京沪高铁天津特大桥1 498～1 499号桥墩之间穿过，交角82.3°，交叉处为24 m简支箱梁，电力管线在桥下埋深4.88 m，与承台最小净距4.39 m，与桩基最小净距5.40 m；新建电力管线于津秦客专下行联络线1号桥16～17号桥墩之间穿过，交角89°，交叉处为32 m简支箱梁，电力管线在桥下埋深5.98 m，与承台最小净距6.00 m，与桩基最小净距7.12 m[3－5]。

新建电力管线采用钢筋混凝土套管，混凝土强度等级C50，内径2.40 m、外径2.86 m，壁厚0.23 m，轴向长度102.86 m。顶管形式下穿铁路营业线，顶进方向由东向西，控制顶力为12 746 kN，计算顶力最大7 932 kN。顶管位于基本承载力为120 kPa的粉土层内。工作井位于京沪高铁安保区外与卉康道交口处西侧的林地内，接收井位于津秦客专下行联络线西侧安保区外的空地上[6]。

3 有限元分析

3.1 计算原理

高速铁路桥下施工下穿工程时，加载工况会引起工层压缩，带动桥墩产生附加沉降而桥下缷载施工(如挖土)会引起土体在一定程度上隆起，进而带动桥墩上浮。

3.2 计算模型

采用Midas-GTS建立三维空间模型进行数值模拟计算，分别建立京沪高铁天津特大桥1 497～1 500号桥墩基础、津秦客专下行联络线1号桥15～18号桥墩基础及新建电力管线模型，如图1所示。土体、墩台和高压旋喷桩采用实体单元模拟，咬合支护钻孔桩和顶管采用板单元模拟，铁路桥梁桩基础采用桩单元模拟。边界约束条件施加在土体上，在模型底面限制竖向位移，在模型侧面限制水平方向位移。计算荷载主要考虑土体自重、铁路桥墩之间的桥梁自重、二恒、新建工程及防护工程自重[7－9]。

图1 计算模型

3.3 计算参数

材料参数采用铁路桥梁地勘报告中给出的土体物理力学参数实测值，如表1所示。

表1 各土层物理力学参数

3.3 计算步骤

参照新建工程实际施工步骤，数值模拟计算具体施工阶段如表2所示。

表2 施工阶段

4 计算结果汇总分析

4.1 计算结果汇总

提取新建工程施工引起京沪高铁天津特大桥1 497～1 500号桥墩基础、津秦客专下行联络线1号桥15～18号桥墩基础墩顶累计沉降云图如图2所示。

图2 墩顶累计沉降位移云图

各施工阶段京沪高铁天津特大桥1 497～1 500号桥墩基础、津秦客专下行联络线1号桥15～18号桥墩基础各方向的墩顶变形曲线如图3～图8所示。

图3 天津特大桥1 497号～1 500号墩墩顶附加竖向位移曲线

图4 天津特大桥1 497号～1 500号墩墩顶附加纵向位移曲线

图5 天津特大桥1497号～1500号墩墩顶附加横向位移曲线

图6 下行联络线1号桥15号～18号墩墩顶附加竖向位移曲线

图7 下行联络线1号桥15号～18号墩墩顶附加纵向位移曲线

图8 下行联络线1号桥15号～18号墩墩顶附加横向位移曲线

由图3～图8可知，新建工程施工对津秦客专下行联络线1号桥影响相对较大，对京沪高铁天津特大桥影响相对较小；引起京沪高铁天津特大桥1 497～1 500号桥墩基础、津秦客专下行联络线1号桥15～18号桥墩基础横向变形相对较大，竖向和纵向变形相对较小[10－12]。

新建工程施工引起京沪高铁天津特大桥最大附加竖向、纵向和横向位移均出现在1 498号桥墩基础，分别为－0.653 mm、－0.459 mm和－0.923 mm(均发生在工作竖井及接收竖井土体回填施工阶段)；引起津秦客专下行联络线1号桥最大附加竖向、纵向和横向位移均出现在16号桥墩基础，分别为－1.013 mm(发生在工作竖井及接收竖井土体回填阶段)、1.041 mm(发生在工作竖井及接收竖井土体回填阶段)和1.586 mm(发生在咬合支护钻孔桩及高压旋喷桩施工阶段)。

4.2 铁路桥梁变形标准

根据«公路与市政工程下穿高速铁路技术规程»(TB 10182—2017)14相关条文要求，京沪高铁天津特大桥和津秦客专下行联络线1号桥受下穿新建工程引起桥墩各个方向上的位移控制值分别为2 mm和3 mm。

根据«邻近铁路营业线施工安全监测技术规程»(TB 10314—2021)13要求，确定变形预警值、报警值和控制值，具体监控量测控制指标如表3、表4所示[13]。

表3 京沪高铁天津特大桥位移控制指标建议

表4 津秦客专下行联络线1号桥位移控制指标建议

4.3 计算结果分析

整理数值模拟计算结果与规范规定的变形标准并进行对比，如表5、表6所示。可以看出，在整个施工过程中引起京沪高铁天津特大桥1 497～1 500号墩、津秦客专下行联络线1号桥15～18号墩产生的附加位移值均满足«公路与市政工程下穿高速铁路技术规程»(TB 10182—2017)[14]要求的墩顶附加变形要求。

表5 京沪高铁天津特大桥1 497号～1 500号墩墩顶最大附加位移

表6 津秦客专下行联络线1号桥15号～18号墩墩顶最大附加位移

(1)本工程各个阶段引起的京沪高铁天津特大桥1 497号～1 500号桥墩、津秦客专下行联络线1号桥15号～18号桥墩基础总附加竖向位移、附加纵向位移以及附加横向位移均满足规程限值要求。

(2)本工程实施引起京沪高铁天津特大桥1 498、1 499号桥墩沉降较大，产生的竖向最大附加位移达到－0.653 mm，但小于规范2 mm的附加位移限值要求，能够满足施工安全；1 497、1 500号桥墩沉降较小，产生的竖向最大附加位移小于0.3 mm，对土体仅产生轻微扰动。可以认为本项目实施对京沪高铁天津特大桥其他桥墩基本无影响。

(3)本工程实施引起津秦客专下行联络线1号桥16、17号桥墩沉降较大，产生的竖向最大附加位移达到－1.013 mm，但小于规范3 mm的附加位移限值，能够满足施工安全要求；15、18号桥墩沉降较小，产生的竖向最大附加位移小于0.2 mm，对土体仅产生轻微扰动。可以认为本项目实施对津秦客专下行联络线1号桥其他桥墩基本无影响。

5 结论及建议

新建电力管线工程以顶管形式下穿京沪高铁天津特大桥、津秦客专下行联络线1号桥，通过分析，得出主要结论:新建电力管线工程以顶管形式下穿京沪高铁天津特大桥、津秦客专下行联络线1号桥，能够保证其安全运营。本文研究成果可以为类似工程设计施工提供参考，但需注意的是土层参数对施工过程模拟的准确性起决定性作用，本工程所采用的土层参数均建立在地勘资料的基础上，京沪高铁天津特大桥1 497号～1 500号桥墩、津秦客专下行联络线1号桥15号～18号墩的变形应以现场实测数据为准。施工过程中，需实时观测京沪高铁天津特大桥1 497号～1 500号桥墩、津秦客专下行联络线1号桥15号～18号桥墩单日附加竖向位移监控数据，若位移过大，需要及时调整施工进度并采取相应的施工措施。另外，电力管线工程本身的施工质量应当作为安全风险防控的主要手段之一。