顶管法施工管廊对既有铁路桥梁的影响分析

王天双

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

顶管法指的是利用顶进设备将预制的管道逐渐顶入预定位置，以构成立体通道的施工方法。可以不中断铁路行车，可靠程度和安全性较高，风险可控，在公路、市政工程下穿铁路中有着广泛的应用。针对顶管法下穿桥梁，赵辰通过三维数值建模，得出顶管工程下穿公路施工引起的地层影响主要是上部土体的微小沉降；郝唯以实际工程为例，通过经验公式法和数值模拟法，通过覆土厚度及管廊界面尺寸对比得到最优施工方案；尹冬等提出了顶管法的关键施工技术；高骏主要研究了软土地层顶管法地下通道近接桥梁施工保护方案，采用桥桩桩侧土预加固和超灌触变泥浆减摩的方法，可保证顶管施工过程中近接桥梁结构的安全。林生宁通过分析结构断面，提出了大断面的矩形截面主要满足抗剪要求，代志勇通过对顶管下穿高速公路引起的地面沉降的实际测量，总结出路面沉降主要是由施工引起土体损失造成的。文章依托凤凰谷高压线迁改工程电力管廊下穿广珠城际梅溪特大桥项目，采用有限元模型软件Midas GTS NX建立模型，研究了顶管法施工电力管廊对既有铁路桥梁的影响。

1 项目概况

项目迁改电缆采用钢筋混凝土管廊的形式下穿广珠城际铁路梅溪特大桥，迁改线路位于广珠城际梅溪特大桥109#墩和110#墩之间，与梅溪特大桥上下行线交角为82°，采用外径为4.14 m的钢筋混凝土管廊，全长181 m，顶管法施工；桥梁110孔为简支箱梁，桥梁跨径32.6 m，桥墩采用矩形实体桥墩，桥墩下部基础形式为承台+桩基础，109#桥墩承台尺寸为9 m×5.7 m×2.5 m，110#桥墩承台尺寸为 10.8 m×7.5 m×2.5 m；桩基础采用钻孔灌注桩，嵌岩桩，桩径1.25 m，109#桥墩桩长20 m，110#桥墩桩长26 m。位置平面图如图1所示，立面图如图2所示，地层工程特性见表1。

表1 各地层工程特性指标建议值

图1 平面位置图（单位：m）

图2 立面位置关系图（单位：m）

2 模型建立

利用MIDAS-GTS NX建立三维平面有限元数值模型。在三维建模中，以迁改电缆线路走向为x轴，垂直于迁改电缆线路走向方向为y轴，竖直方向为z轴，x轴与y轴和z轴满足右手法则。计算区域主要根据新建管廊与城际铁路桥梁的相对位置关系，并满足一定边界效应的要求来确定。三维数值模型地层的整体尺寸为100m（x）×100m（y）×60m（z），在计算建模时，地层、承台、管廊及桥墩均采用4节点的四面体实体单元模拟，桩基采用一维梁单元+接触单元模拟，铁路等效荷载直接施加在桥墩上方。整个模型共有单元59 112个，节点11 094个，整体模型如图3所示。

图3 整体模型图

3 结果分析

3.1 施工模拟

本次评估采用分步骤施工方式模拟，计算步与施工条件如表2所示。

表2 计算模拟工序

3.2 位移结果分析

通过数值模拟，得到新建管廊开挖对广珠城际铁路梅溪特大桥109#和110#墩台的影响，主要包括竖向位移（模型z方向）、横向位移（模型x方向）以及纵向位移（模型y方向），取墩台位移变化最大的模型位移云图如图4~6所示。

图4 竖向（z向）位移云图

图5 纵向（y向）位移云图

图6 横向（x向）位移云图

表3 铁路桥梁109#、110#墩台顶面位移结果表

从以上结果可以看出：管廊工程的施工所引起的地层变形以上部土体的沉降为主，随着水平距离越大，土体的沉降逐渐减小，而引起的既有桥梁墩台的位移变化主要以纵向和竖向为主，横向位移则相对较小，其中纵向位移产生了相向位移，根据《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》（TB 10182-2017）中下穿高速铁路时无砟轨道墩台顶安全控制标准，管廊施工对既有桥梁的综合影响较小，不会危害到铁路桥梁的安全，风险可控，方案可行。

从图4 竖向位移云图可以看出，109#桥墩靠近管廊一侧出现沉降，而远离管廊一侧出现了上抬位移，桥墩随着土体产生了转动，因此，在实际的工程施工中，除了需要关注土体的沉降以外，桥墩的转动变形也不容忽视。

由表4可得管廊工程的开挖位于铁路桥桩的力学影响范围区外，铁路桥桩为端承桩，管廊开挖卸载基本不会造成铁路桥桩的地基承载力损失，即对桩基的承载力基本无影响，一般不会对既有桥桩产生危害。

表4 单桩承载力对照表

4 结论

（1）管廊工程的施工所引起的地层变形以上部土体的沉降为主，而引起的既有桥梁墩台的位移变化主要以纵向和竖向为主，均满足规范规定的位移值，因此，管廊工程的施工对轨道的平顺性基本无影响，一般不会影响后期列车运营的安全及舒适要求。

（2）铁路桥桩为端承桩基础，地基承载力主要来源于桩端的微风化花岗岩持力层。因此，管廊工程的施工基本不会造成铁路桥桩的地基承载力损失，即对桩基的承载力基本无影响。