桥梁桩基近接既有地埋管道施工运营影响分析

张 磊

(河北省交通规划设计院 石家庄市 050011)

0 引言

南水北调工程是解决我国北方水资源严重短缺的特大型基础设施项目，是未来我国可持续发展和整个国土整治的关键性工程[1]，具有举足轻重的地位，其他工程交叉南水北调配套工程应对其造成的不利影响降到最低。

设立河北雄安新区是以习近平同志为核心的党中央作出的一项重大历史性战略选择，是千年大计、国家大事。

目前，雄安新区处于大规模建设期，大量在建及规划工程与南水北调配套工程发生交叉。按照河北水务集团《其他工程跨越下穿邻接河北省南水北调配套工程设计及安全评价技术要求》，跨越工程下部结构距南水北调配套工程外轮廓不得小于5m[2]。

依托河北雄安新区重点项目省道S333东延(S042至白沟站)工程，就桥梁施工运营全过程对南水北调配套输水管道的不利影响[3]进行数值仿真模拟分析，既对河北水务集团《技术要求》中的距离要求进行了理论验证，也在雄安新区常规地质条件下，当客观条件受限不得不降低距离要求，减小桥长有效降低工程造价时，提供了解决问题的计算分析方法和理论支撑。

1 工程概况

河北雄安新区骨干路网项目省道S333东延(S042至白沟站)工程为雄安新区重点项目，采用双向四车道一级公路标准建设，其在雄县段以1-16m预制密排T梁桥一跨跨越南水北调配套工程保定市雄县输水管道。交叉位置处雄县输水管道输水方式为有压流，采用单排DN800球墨铸铁管，流量为0.49m3/s，管顶覆土为1.31m。

桥梁上部结构采用16m密排T梁，梁高1.0m，单幅设置2片边梁和7片中梁。下部结构采用桩柱式桥台，桩基直径1.2m。本工程竖向上桥梁下缘距离现状地面的最小距离3.06m，距离管顶的最小距离4.37m，横向上桥台桩基距离雄县输水管道的最小距离为5.14m。

2 建设条件

(1)依据中共中央、国务院批复的《河北雄安新区规划纲要》，本工程抗震设防基本烈度为8度，地震动峰值加速度系数为0.30g，地震动加速度反应谱特征周期为0.55s，建筑场地类别为Ⅲ类。

(2)输水管道埋深处为粉土。管线之下地层以粉砂、粉土、粉质黏土、细砂为主。该处土质地基承载力和压缩模量均较高，土层变形量较小。

(3)地下水位埋深27.8m，地下水位年变化幅度约2m，可不考虑地基土液化问题。

(4)季节性冻土标准冻深为0.6m。

3 数值模拟分析

采用有限元分析软件，分别对桩基施工[4]、台后填土[5]以及车辆振动荷载[6]等三方面对输水管道的影响进行计算分析。

3.1 桩基施工对输水管道影响计算分析

3.1.1分析计算目标

桩基开挖及灌浆后输水管道的水平位移、沉降值，桩基施工的相关合理建议。

3.1.2模型简介

本次计算采用二维有限元模型进行计算，计算模型见图1。为简化计算，根据地勘报告，将性质相近的土层归为一层，共有七层土。其中，土体本构模型采用摩尔-库伦本构，桩基、桥墩和桥梁梁体采用线弹性体模拟。桩基参数见表1所示。

图1 计算模型

表1 桩基参数表

在综合权衡考虑计算精度及计算时间后，根据设计资料，取左右两侧桩基与输水管道间距为5m，桩间距为4.764m，桩长为30m，考虑到相应的影响范围，向桩体外侧取20m，桩端向下取5m。故模型整体尺寸为：长×宽×高=51.84m×4.764m×35m。

输水管道位于土体正中，顶部距地面1.35m，截面为外径0.842m的圆环；桩基为圆桩，左右各六根关于输水管道对称布置，桩径为1m，桩长为30m，桩间距为4.764m。

模型以交叉点为坐标原点，以水管轴向向内为Y轴正向，垂直水管向右为X轴正向，垂直地面为Z轴正向。

模型位移边界条件：模型底部固定，顶部自由；模型左右两端沿x方向固定，y、z方向自由；模型前后两端沿y方向固定，x、z方向自由。

3.1.3施工顺序

先施工输水管道左侧桩基，待灌注完成具有一定强度后施工右侧桩基。桩基施工完毕后施工桥台，施工吊装预制混凝土梁上部结构。上部结构施工完毕后回填台后填土，施工桥梁附属结构，最后通车运营。

3.1.4有限元计算步骤简介

(1)初始阶段：生成模型，初始地应力平衡。

(2)第一阶段：左侧桩基开挖完毕。

(3)第二阶段：左侧桩基灌注完毕。

(4)第三阶段：右侧桩基开挖完毕。

(5)第四阶段：右侧桩基灌注完毕。

3.1.5计算结果

(1)左侧桩基开挖阶段管道顶部地面变形沉降计算，示意图见图2。

图2 左侧桩基开挖阶段管道顶部地面变形示意图

(2)后续共计11项计算结果，分别为：左侧桩基开挖阶段管道顶点、底部变形沉降计算；左侧桩基灌注混凝土完毕时管道顶部地面、管道顶点、管道底部变形沉降计算；右侧桩基开挖阶段管道顶部地面、管道顶点、管道底部变形沉降计算；右侧桩基灌注混凝土完毕时管道顶部地面、管道顶点、管道底部变形沉降计算。

(3)桩基施工阶段管道变形沉降最大值计算结果汇总表见表2所示。

表2 桩基施工阶段管道变形沉降最大值计算结果汇总表

3.1.6本工况主要计算结论

(1)桥梁桩基施工时，最大水平位移发生在管道顶部地面上，数值为-0.72mm；最大竖向位移发生在管道底点，数值为-4.10mm。

(2)上述最大位移和沉降值，满足审查专家10mm以内的要求，对既有输水管道的影响在可接受范围内。

3.2 台后填土对输水管道产生的影响

在计算桩基施工对输水管道影响的模型基础上，建立桥台、桥梁上部结构，并考虑台后填土作用。分析计算台后填土对输水管道产生的影响。计算模型见图3。

图3 计算模型

通过计算台后填土作用下的管道顶部竖向位移、水平位移和管道底部竖向位移、水平位移，分析台后填土对输水管道的影响，见图4。为精细化研究台后填土对管道影响，将填土施工过程细化为3个施工过程状态；其中，状态1为初始状态，状态2为填土到路线设计高程一半高度状态，状态3为填土到路线设计高程状态。

图4 管道顶部、底部竖向水平位移示意图

本工况主要计算结论：施工路堤、桥梁墩台和梁体后，管道顶部竖向位移从0mm变化为-2.90mm，水平位移从0mm变化为-0.40mm。管道底部竖向位移从0mm变化为-2.80mm，水平位移从0mm变化为-0.45mm。最大位移和沉降值，满足审查专家10mm以内的要求，对既有输水管道的影响在可接受范围内。

3.3 车辆振动荷载对输水管道产生的影响

桩基剖面竖向位移图见图5，从图5可知，施加车辆荷载以后，路堤沉降最大值为21.71mm，但是由于梁体和桩基的刚性支撑，沉降主要分布在路堤两侧，桥梁梁底即桩基内侧沉降并不大。

图5 桩基剖面竖向位移图

在分析计算台后填土对输水管道产生的影响模型的基础上，施加车辆荷载，分析车辆振动荷载对输水管道产生的影响，见图6。

图6 管道顶部、底部竖向水平位移示意图

施工路堤、桥梁墩台和梁体工况与本工况累加后主要计算结论：加载车辆荷载后，管道顶部竖向位移从-2.90mm变化为-0.65mm，水平位移从-0.40mm变化为0.10mm；管道底部竖向位移从-2.80mm变化为-0.65mm，水平位移从-0.45mm变化为0.10mm。即管道向上抬升2.25mm，水平向右产生位移0.55mm。施加车辆荷载后，路堤两端竖向位移大于桥梁梁体竖向位移，土体由两端挤向中部，使得桩间土向上挤压，因此管道出现上抬现象。两个工况累加后，最大位移和沉降值满足审查专家10mm以内的要求，对既有输水管道的影响在可接受范围内。

4 结论与建议

综上，施工桥梁桩基工况，管道竖向位移为-4.10mm，即产生沉降4.10mm；施工路堤、桥梁墩台和梁体工况与加载车辆荷载工况累加，两个阶段管道累计竖向位移为-0.65mm，即产生累计沉降0.65mm。因此，所有施工工况过程累加后，管道的总累计竖向位移为-4.75mm，即产生总累计沉降4.75mm，总沉降量满足审查专家的要求，满足南水北调配套工程雄县输水管道的运营要求。

由此可见，在雄安新区的建设条件下，河北水务集团《其他工程跨越下穿邻接河北省南水北调配套工程设计及安全评价技术要求》中关于跨越工程下部结构距南水北调配套工程外轮廓不得小于5m的要求，是合理的，既有效降低对管道运营的不利影响，又经济适用。同时，对于雄安新区后续跨越工程，当客观条件受限不得不降低距离要求，减小桥长时，也为管道与桩基础的最小距离计算分析提供了有效的方法和理论支撑。