顶管施工对既有高速铁路桥梁的影响分析

吴 宏 杰

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

1 工程概况

1.1 防护涵及高速铁路桥梁概况

污水管防护涵为1-2.0 m钢筋混凝土圆形涵，涵管内径2.0 m，外径2.4 m，每节长2.5 m，涵管混凝土采用C40钢筋混凝土，本工程共顶进22节，防护涵全长55.0 m。防护涵采用泥水平衡顶管机施工，施工完成后及时涵后注浆。

防护涵于高铁桥梁第9号～10号墩正中间位置穿过，与高速铁路中心线夹角为90°，8号墩～11号墩桥跨设置均为32 m简支箱梁桥。高速铁路两侧分别设置工作井及接收井，其中工作井长度为8.0 m，宽度为6.2 m，深8.93 m。工作坑采用28根18 m长φ1.0 m钻孔灌注桩防护，钻孔桩桩顶设顶宽1.2 m钢筋混凝土冠梁。防护涵接收井长度为8.0 m，宽度为6.2 m，深7.60 m。工作坑采用28根15 m长φ1.0 m钻孔灌注桩防护，钻孔桩桩顶设顶宽1.2 m钢筋混凝土冠梁。

顶管下穿处高铁为设计时速250 km/h双线铁路，线间距4.6 m，本次以临近顶管施工的8号～11号桥墩作为研究对象，进行建模分析。防护涵与既有铁路的位置关系，见图1。

1.2 场地条件

该区地表分布有粉质黏土、黏土、中砂、砾砂组成，各地层岩性特征、厚度和分布情况描述如下：

1)粉质黏土：层厚1.5 m左右，Ⅱ级普通土。承载力σ0=160 kPa。

2)粉质黏土：埋深2 m～2.5 m，Ⅱ级普通土。承载力σ0=120 kPa。

3)中砂：埋深1.2 m～1.7 m，Ⅱ级普通土。承载力σ0=150 kPa。

4)中砂：埋深1.2 m～1.7 m，Ⅰ级普通土。承载力σ0=330 kPa。

5)粉质黏土：埋深1.0 m左右，Ⅱ级普通土。承载力σ0=120 kPa。

6)砂砾：埋深8 m以上，该层未钻穿，Ⅰ级普通土。承载力σ0=430 kPa。

2 建模分析

2.1 模型建立

采用Midas GTS建立三维模型，为便于描述，首先给出计算模型中拟采用的坐标系：顺桥梁方向大里程作为坐标系X轴正向；垂直桥梁方向，即以面向大里程左侧作为坐标系Y轴正向；竖直方向向上作为坐标系Z轴。计算模型取其有效影响范围，即模型沿X轴方向取230 m，沿Y轴方向取245 m，土层深度取37 m(见图2)。

计算模型中土体采用三维混合网格模拟；顶进防护涵采用板单元模拟；高铁桥墩、桩基础采用梁单元模拟；高铁桥梁承台、挖方采用三维实体单元模拟。梁部荷载根据设计荷载换算为集中力荷载施加在桥墩上。土体采用修正摩尔—库仑模型来模拟土的本构关系，土体模型顶面不设约束条件，底面设置Z方向约束，其他面均采用法向约束(见图3)。为保证计算模型收敛同时提高计算效率，对开挖部分的土体增加网格密度，而对于远离工作坑和铁路路基的土体区域可粗略划分网格。

2.2 施工阶段划分

将分析过程划分为8个阶段，具体划分情况见表1。

表1 分析过程划分

3 计算结果分析

3.1 桥墩竖向变形结果分析

经计算，工程施工引起的高速铁路桥墩8号～11号墩墩顶各阶各施工阶段的变形曲线见图4。

通过分析可知，防护涵施工过程中8号～11号墩累计附加最大沉降值发生在9号、10号墩通水运营阶段，最大附加沉降值为-0.033 mm；累计最大附加隆起发生在9号、10号墩防护涵顶进阶段，最大附加隆起值为0.008 mm；满足TB 10182—2017公路与市政工程下穿高速铁路技术规程[7]3.0.3 受下穿工程影响的高速铁路桥梁墩台顶位移控制标准值，有砟轨道竖向位移不大于3 mm的规定。

3.2 桥墩顺桥向变形结果分析

经计算，工程施工引起的8号～11号墩墩顶各阶段附加顺桥向水平位移曲线见图5。

通过图5可知，工程施工过程中8号～10号墩累计附加顺桥向变形最大值发生在10号墩通水运营阶段，最大变形值为-0.08 mm，向小里程方向变形。满足参考文献[7]中受下穿工程影响的高速铁路桥梁墩台顶位移控制标准值，即有砟轨道顺桥向位移不大于3 mm的规定。

3.3 桥墩顺桥向变形结果分析

经计算，工程施工引起的8号～11号墩墩顶各阶段附加横桥向水平位移曲线见图6。

通过图6可知，工程施工过程中8号～11号墩累计附加横桥向变形最大值发生在10号墩保护圆管注浆加固阶段，最大变形值为0.003 mm，向面向铁路大里程左侧变形。满足参考文献[7]中受下穿工程影响的高速铁路桥梁墩台顶位移控制指标，即有砟轨道横桥向位移不大于3 mm的规定。

3.4 基础结构安全性检算

结合高铁桥梁桩基设计及附加影响大小，针对施工期间产生的附加内力，重新检算高铁桥梁基础强度，检算结果见表2。

表2 桩基强度检算结果

从检算结果表中可以看出，由于顶进工程施工产生的附加内力，对9号、10号墩桩基轴向力影响较大，增加值分别为2.1 kN，2.42 kN，但均在允许承载力范围之内，满足设计要求。

4 结论与建议

污水管防护涵顶进工程穿越高速铁路桥施工会对铁路桥梁基础产生一定的附加影响，经过理论计算和有限元模拟分析，得出如下主要结论及建议：

1)防护涵施工过程中，高铁桥梁影响范围内各墩产生的累计附加沉降、累计附加隆起，累计附加顺桥向变形，累计附加横桥向变形均满足参考文献[7]中受下穿工程影响的高速铁路桥梁墩台顶位移控制标准值的规定；

2)防护涵顶进施工对距离施工点较近的9号、10号墩桩基承载力有一定影响，桩基承载力有一定程度增加，但是在允许承载力范围之内，满足设计要求；

3)为了减少基坑开挖对桥墩基础的影响，保证列车运营安全，基坑开挖后应尽快施工主体结构并及时回填，严禁基坑长时间暴露在外，回填土需按相关要求压实；

4)施工过程中加强对基坑变形的监测，控制坑外土体扰动，以降低对高铁基础的附加影响；

5)施工中不得在铁路桥梁下及两侧各50 m范围内堆载，以避免引起桥墩基础附加沉降的发生；

6)施工时不得在铁路桥梁200 m范围进行开采地下水，防止因地下水位降低引起高速铁路桥梁沉降。