管线开挖对既有城际铁路桥梁的影响研究

王文东

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043）

随着我国城市的快速发展，临近既有城际铁路的城市规划会对其桥梁结构造成一定的影响。最为常见的影响方式主要有新建道路下穿既有城际铁路、临近建筑物的施工扰动，以及城市地下空间的开发等[1]，这些方式都极大地影响着既有城际铁路桥梁的安全，因此通过正确科学的研究方法对其评估已显得愈发重要[2]。

近年来，诸多学者对铁路桥梁受临近基坑开挖的影响进行了大量研究，文献[3-5]分别分析了新建道路、地铁隧道下穿以及临近新建桥梁对既有铁路桥梁的影响，通过科学论断得出了合理的结论。然而，临近既有城际铁路沿线的长距离管道施工对桥梁结构的影响分析，现有文献研究较少。

本文选取临近管线开挖的某既有城际铁路桥梁为工程背景，考虑到管线开挖沿铁路沿线距离长，开挖类型多，施工过程较为复杂等因素的影响，本文采用有限元对其进行模拟，对不同开挖方式、管道开挖深度以及开挖施工阶段等进行深入分析，其相关结论可为类似工程提供科学依据与参考。

1 工程概况

某城际铁路与管线并行段范围为2.2 km，该段城际铁路位于直径R=2 000 m 及R=2 500 m 的圆曲线上，其主要高架桥梁采用30 m 和25 m 预应力简支梁，桥墩采用矩形花瓶型实体墩，基础为Ø120 cm 钻孔灌注摩擦桩基础。

梁部采用预制组合小箱梁并置，桥面总宽度为10.3 m，单片箱梁底宽为1.7 m，外侧挑臂为1.75 m，裸梁高度为1.8 m，混凝土标号采用C50。桥墩为花瓶实体墩，墩身纵×横尺寸主要采用2.8 m×3.2 m，混凝土标号C40。承台采用六面配筋，厚度2.5 m，承台平面尺寸主要为5.5 m×5.5 m、6.2 m×7.4 m、6.6 m×8.8 m。桩基分段通长配筋，桩头段配筋率为1%。其结构如图1 所示。

图1 城际铁路高架桥

该区间地层主要由第四系全新统人工填土、冲积黄土状土、粉细砂、中砂和第四系上更新统冲积粉质黏土、中砂、粉细砂构成。场地地层总体分布稳定，各层地基土的均匀性较好，承载力从上至下逐渐增高，工程性能较好。

2 有限元模型

本文采用三维Midas-GTS 软件进行有限元计算分析，根据理论基础，建立“地层-结构”三维模型进行模拟分析。土体简化为各土层均呈匀质水平层状分布且同一土层为各向同性，其相关地质参数按土工试验报告确定。土层采用摩尔-库伦弹塑性模型，桥梁结构采用弹性模型。

根据管线工程和城际铁路设计资料，结合实际情况，本文建立3 种类型，分别为管道一般埋深、管道最大埋深以及管道处设置井坑，模型模拟范围内桥梁均为30 m预应力简支梁。为充分考虑周围构筑物对铁路桩基础的影响，顺铁路线路方向计算长度取300 m，垂直铁路线路方向取300 m。计算模型如图2 所示。

图2 MIDAS GTS NX 类型三整体模型

考虑到桥墩未模拟钢筋，为简化计算模型，桥梁上部结构自重与二期恒载等以均布荷载形式加载在承台顶面。根据管道施工步骤，施工阶段模拟为初始应力状态的天然地基工况、结构位移清零的桥梁既有工况、开挖最不利的管线开挖工况、基坑回填的开挖回填工况等4 个阶段。

3 结果分析

本文主要通过对桥梁工后沉降值、附加横向位移和附加纵向位移等计算结果进行分析，研究管线开挖对桥梁的影响。

3.1 井坑设置对桥梁位移的影响

为分析管道处设置与不设置井坑两种开挖类型对桥梁位移的影响，选取类型一和类型三模型，这两种类型管顶埋深约1.60 m，管道中心线距桥梁承台约9.1 m，均采用45°放坡开挖。其中类型一和类型三基坑基底宽度分别为2.9 m 和5.6 m，类型三的井坑基坑底位于机场城际承台底之上约0.93 m，井坑外轮廓尺寸为5.6 m×5.5 m，位于两桥墩之间。

根据计算结果，可以发现第三施工阶段即基坑开挖阶段对桥梁位移影响最大。选取基坑开挖对桥梁位移影响最不利的4 个桥墩，由基坑开挖引起的桥墩墩顶附加纵向、横向以及竖向位移见表1。由表1 可知，由基坑开挖引起的类型一与类型三桥梁墩顶最大附加纵向位移分别为0.29 mm 与0.53 mm、最大附加横向位移为0.55 mm 与0.86 mm、最大附加竖向位移分别为1.97 mm 与2.05 mm。

通过表1 可知，在管顶埋深以及管道中心线距桥梁距离基本一致的情况下，相比较未设置井坑的开挖类型，设置井坑的开挖类型对桥梁的附加变形影响更为严重，分析原因主要是由于设置井坑导致基坑基底宽度增大，致使基坑放坡范围变大，本文选取的井坑尺寸为5.6 m×5.5 m，由设置井坑导致基坑变大的类型与未设置井坑相比，桥梁纵、横、竖向位移分别增大82.8%、56.4%以及4.0%，可见设置井坑对桥梁附加纵向位移和附加横向位移影响更为明显，对附加竖向位移基本没有影响。

表1 类型一、三墩顶附加位移 单位：mm

3.2 管道最大埋深对桥梁位移的影响

根据工程背景，模型选取的类型二为管道最大埋深，其管顶埋深约4.1 m，基坑基底宽度与类型一一致，均为2.9 m，工作坑长度沿桥梁平行分布约38 m，区间桥梁跨度30 m。

通过有限元模拟计算，基坑开挖阶段对桥梁变形影响最大，表2 为第三施工阶段基坑开挖对桥梁墩顶附加位移的影响结果。由表2 可知，桥梁墩顶最大附加纵向位移为0.38 mm、最大附加横向位移为1.14 mm、最大附加竖向位移为2.31 mm。

表2 类型二墩顶附加位移 单位：mm

对比类型一计算结果，基坑开挖较深的类型三最大附加纵、横以及竖向位移均大，其中附加横向位移差值最大，附加纵向位移与附加竖向位移差距不大，基本接近。

3.3 不同方向附加位移分析

对3 种模型的附加纵向位移、附加横向位移以及附加竖向位移进行综合分析，结合图3（a）-（c）不同方向附加位移图，通过数据可以明显发现，基坑开挖引起的桥梁墩顶附加竖向位移最大，其最大附加变形达到2.0 mm 左右；基坑开挖对墩顶附加纵向位移影响最小，最大附加变形约为0.4 mm，其值较小基本不会对桥梁结构造成较大影响；基坑开挖对墩顶附加横向位移较附加竖向位移偏小，但其值较大不容忽略，最大值达到1.0 mm 左右。

图3 不同方向附加位移图

通过对不同方向附加位移分析后可知，基坑开挖对桥梁结构的竖向位移影响最为明显，其次为横向位移，最后为纵向位移。因此，在基坑开挖时，应重点关注监测桥梁结构的竖向和横向位移。

4 结论

本文通过有限元模拟管线开挖对既有城际铁路桥梁的影响研究，主要得到以下结论：

（1）临近铁路桥梁结构进行管线工程的基坑开挖，当基坑开挖最大时对桥梁结构的附加位移影响最大。

（2）基坑开挖对桥梁结构的附加竖向位移影响最为严重，其次为对附加横向位移的影响，附加竖、横向变形值较大，在施工时应重点关注。对于附加纵向位移，基坑开挖对其影响不明显。

（3）当管线平行铁路桥梁沿线开挖时，基坑位置处设置井坑会导致基坑基底底宽加大，相比未设置井坑而言，设置井坑的基坑开挖会加大对桥梁的影响程度，特别对于附加纵向位移和附加横向位移影响更为明显。