某管道下穿工程对高铁桥墩影响的有限元分析

张 赛，周 源，马 涛，叶 彤

(1.安庆职业技术学院 建筑工程学院，安徽 安庆 246003；2.中铁上海工程局集团有限公司，上海 200000)

0 引言

至2020年底，中国高速铁路营业总里程达到3.8万km，居世界第一[1]。高速铁路逐渐成为城市间交通运输的重要通道，各地高速铁路建设项目越来越多。但随着新型城镇化建设的不断深入，给排水、电力通信等管道下穿高速铁路桥梁的情况时有发生，在项目施工过程中会对铁路桥梁桩基及桥墩的稳定性产生一定的影响[2]。为了确保高铁桥梁基础的稳定性，保证高铁的安全行驶，防止发生安全事故，必须在水、电、气、通讯等城市管道设计阶段，对既有高铁桥墩基础开展施工安全分析评估。

在国内众多的高铁建设项目中，下穿工程施工的主体多以管网、道路为主，相关工程技术人员做了很多分析研究工作。如：徐威[3]通过有限元模型模拟了燃气管道在各施工阶段对桥梁主体的影响，但其模型体量较大，且各部分受荷载较复杂，模型建立进行了简化和假设，计算结果仅起定性和参考作用；王浩[4]也通过Midas-GTS分析了顶管下穿对高铁桥墩的影响，其主要偏向于沉降观测点的布设和监测方案的选择；杨俊辉[5]以CFG桩加固软处理下穿施工区域的弱地层，有效降低了各种施工荷载对高铁桥墩的变形影响；朱利明[6]通过实地观测和有限元模拟基坑开挖过程，验证了数值模拟能较好地预估桥墩沉降的趋势和位移量。文章结合某新建综合管道下穿在建高铁特大桥107号-110号桥墩施工项目，根据数值模拟计算结果，分析107号-110号桥墩基础竖向位移和水平变形情况，判断是否存在安全隐患，确定其是否满足相关规范要求，对桥墩基础进行安全评估，并提出规避风险的建设性措施，为类似工程的建设提供参考与借鉴。

1 工程概况

1.1 工程介绍

本项目新建管道沿既有城市公路桥敷设，并从高铁特大桥(60+100+60)m 连续梁中跨108-109号墩之间穿过。拟下穿高铁桥梁的管线分别为管径1 m的压力污水管、直径0.3 m的给水管、4×4(Φ150 mm)强电排管、4×3(Φ110 mm)通信排管，管线与铁路线交角为49°。项目的具体位置如图1所示。通信排管埋于高铁特大桥109号墩侧公路桥上的人行道下方，该位置已有燃气管线，为减小既有燃气管线对新建强排管与燃气管道的影响，将强电排管埋于高铁特大桥108号墩侧公路桥上的人行道下方，污水压力管和给水管则与既有城市公路桥并行，采用管架桥架空敷设，位于高铁特大桥109号墩侧。交叉处高铁桥墩采用圆端形空心墩，108号墩高28.5 m，基础为钻孔灌注桩，采用15根Φ1.8 m钻孔桩，按柱桩设计；109号墩高30 m，采用15根Φ1.8 m钻孔桩，按柱桩设计。下穿处桥墩及基础尺寸参数见表1所示。

图1 项目具体位置图

表1 下穿处桥墩及基础尺寸参数表(单位：m)

压力污水管于里程K0+380附近与高铁特大桥交汇，铁路交叉里程为DK327+011.59。压力污水管道中心标高25.0 m，工作压力0.1 MPa，为低压管道，主管道采用d 1 020 mm×14 mm的焊接钢管。

新建给水管道采用d 325 mm×10 mm的焊接钢管，与压力污水管并行敷设，其管道中心与压力污水管中心的间距为1.35 m。给水管道中心标高24.65 m，工作压力均不高于0.4 MPa。给水管中心线距109号墩承台最小距离3.31 m。

架空管道结构(管架桥)：管架桥跨度为(7+17+4×19.5+17+6.5) m，全长125.5 m，宽度2.5 m，采用1.0 m钻孔灌注桩基础，如表1所示。承台尺寸2 m×4.5 m×0.8 m(宽×长×高)，桩间距2.5 m。最近管架桥基础距高铁特大桥109号墩的桩间距为5.46 m。其中，管架桥水中钻孔桩基础采用抛填片石筑岛施工方案，已完成筑岛。新建工程与桥墩基础相对位置关系图，如图2所示。

图2 新建工程与桥墩基础相对位置关系图(单位：m)

1.2 场地环境条件及地质条件

工程位于沿江冲积平原区及冲积岗地区，地形起伏不大。工程范围内地层情况及地质岩土物理力学性质见表2。

表2 地层情况及地质岩土物理力学性质统计表

2 有限元分析

2.1 有限元计算模型

根据工程相互关系，采用有限元分析软件Midas-GTS进行模拟计算，在Midas-GTS中采用单元生死技术有效地模拟土体的开挖、场地施工情况。岩土的塑性本构模型采取修正摩尔-库伦模型，该模型可有效区别初次加载、卸载-再加载之间的刚度，符合土体特性，得到的计算结果，更接近实际施工监测结果[7]。结合修正摩尔-库伦模型特点，计算参数根据地勘报告进行确定，主要包含黏聚力、内摩擦角、切线和割线模量以及卸载模量等，按照表2取值。

有限元计算采用三维空间模型，土体、既有公路桥、高铁墩台、管道桥桩基础地面以上部分，桩基础采用桩单元模拟，管架桥承台等采用实体单元模拟。为了消除约束边界对计算结果的影响，计算模型范围均距离主体工程50 m以外的范围，土体模型长宽高300 m×150 m×68 m。新建城市管道工程下穿高铁特大桥107-110号桥墩基础模型如图3所示。

图3 有限元计算模型图

2.2 施工过程模拟

通过地质条件的分析，对既有公路桥、新建管道、在建高铁桥墩及土层建立三维实体有限元模型进行数值模拟计算，主要的计算过程简化如下：

2.2.1 初始应力场的模拟

本工程的数值模拟不同于其他结构工程，由于项目周围土体天然沉积，存在多年竖向位移和初始应力场，计算前需进行土体初始地应力场的平衡。通常做法是先计算土体在自重作用下产生的初始位移，再在后续计算中减除，得出实际位移值。此方法存在一定的不足，主要是因为土体材料刚度较小，在自重作用下会产生较大的位移，模拟开挖过程时采取单元激活和杀死，会出现位移变化不协调，造成计算结果不收敛。

Midas-GTS软件能根据实际土体数据计算重力作用下的应力场，并将该应力场定义成初始应力场，与土体上部重力荷载一起加载到原始模型，能得到既满足平衡条件又不违背屈服准则的初始应力场，可以保证各节点的初始位移近似为0[8]。

2.2.2 边界条件

计算时将边界约束条件施加在土体上，在有限元模型的底面、侧面分别限制竖向位移和水平向位移。

2.2.3 计算荷载

计算荷载主要考虑以下几种：①土体自重；②安九高铁桥梁自重；③安九高铁桥梁二期恒载；④既有公路桥自重；⑤筑岛土方自重；⑥管架桥自重、施工支架自重；⑦管道自重；⑧强电、通信排管沟自重。

2.2.4 施工过程模拟

计算是通过单元的生死技术来模拟场地开挖时应力释放过程，根据模型施工流程，在数值模拟中划分多个施工阶段进行模拟[9]，再根据施工阶段的主要任务进行单元移除和激活。模拟具体施工阶段详见表3所示。

表3 计算施工阶段

3 计算分析

计算采用6组工况进行分析，分别为：既有公路桥与在建高铁特大桥初始地应力平衡状态(工况1)；线路一侧筑岛施工满铺荷载(工况2)；管架桥桩基施工、搭设支架承台及上部结构施工集中荷载(工况3)；管架桥上安装管道均布荷载(工况4)；强电、通信排管施工及支架拆除施工荷载(工况5)；管道过水运营均布荷载(工况6)。

文章中符号规定如下：(1)竖向位移负值为向下变形；(2)纵桥向水平位移负值是从铁路大里程向小里程方向变形；(3)横桥向位移负值为从铁路小里程向大里程方向右手侧变形。

为了研究新建管道工程对高铁桥墩基础的位移影响，通过数据提取，桥墩在各工况下高铁桥墩位移云图如图4、图5所示。根据有限元计算结果，其中107号桥墩在各种工况下竖向、纵向、横向位移均为0.000 mm，该桥墩距离施工作业点较远，桥墩未受到施工影响。110号桥墩在各种工况下竖向位移为0.000 mm，纵向位移为0.006 mm，横向位移为-0.002 mm，该桥墩距离施工点超过7 m，产生的纵向与横向位移可以忽略。位移主要产生在108号、109号桥墩。

3.1 高铁桥墩附加竖向位移

图5 某高铁特大桥107号-110号桥墩墩顶竖向位移图

通过图4、图5桥墩基础的附加竖向位移数据可知，108号桥墩竖向位移为0 mm,109号桥在各工况下竖向位移为-0.057 mm～-0.059 mm，主要发生在管架桥施工和管道安装阶段。分析桥墩基础与管网之间的空间关系，108号桥墩附近管道主要沿既有公路桥体设置，109号桥墩距离钢结构管架桥平面距离较近，受到管架桥钢梁架设、横向连接安装等扰动因素的影响，出现竖向位移，但均在规范限制以内。

3.2 高铁桥墩纵向位移

图6 某高铁特大桥桥墩在各工况下纵向位移云图

图7 某高铁特大桥107号-110号桥墩墩顶纵向位移图

由图6、图7可以看出：108号桥墩附加纵向位移为-0.003 mm～-0.004 mm,109号桥墩附加纵向位移为-0.160 mm～-0.171 mm，对比发现109号桥墩纵向位移较大，最大值为-0.171 mm，发生在管道安装阶段。在管道正常过水运营阶段，架体承受管道内水体重力和各方向流体压力荷载，对架体周围土层产生较大荷载，影响高铁桥墩的纵向变形。

3.3 高铁桥墩横向位移

图8 某高铁特大桥桥墩在各工况下横向位移云图

图9 某高铁特大桥107号-110号桥墩墩顶横向位移图

在附加横向位移方面，108号桥墩横向位移为0 mm,109号桥墩附加横向位移为-0.082 mm～-0.084 mm，也发生在管道安装阶段，位移幅度不大。由于大桥桥墩基础采用了较大尺寸的承台和较长的柱桩基础，108号、109号桥墩承台达10.6 m×18.2 m×4.0 m，桩径为1.8 m，桩长从12 m～19.5 m不等，有效地将各工况下的横向荷载传递至更深土层，使横向位移在规范限值范围内。

4 结论与建议

文章以新建管道下穿某高铁特大桥的桥墩为研究对象，借助有限元计算在位置关系、地层条件、不同施工阶段等因素桥墩的位移，得出如下结论与建议措施：

(1)本工程下穿施工期间，对于107号、108号、110号桥墩几乎没有影响；而109号墩处受到的影响相对较大，其原因是管架桥离109号桥墩较近，因此，新建工程施工及运营时对于桥墩产生影响在所难免。但总的来说，即便是受影响最大的109号墩产生的最大变形也只有0.171 mm，基本可以忽略不计，满足《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》(TB 10182-2017)[10]中的规范限值要求，主要原因是下穿处107号-110号墩基础采用的是柱桩形式。

(2) 对于位于安九高铁特大桥108号墩侧的强电排管和109号墩侧的通信排管，因设置于既有公路桥上的人行道下方，其施工及运营均对高铁几乎无影响。

(3) 本工程下穿高铁特大桥107号-110号桥墩基础施工运营产生的风险等级在可控制区间以内，因此本项目设计方案总体合理，满足本次安全评估要求，设计、施工方案可行。

(4) 施工过程存在不可预知、控制因素，因此，施工过程必须对高铁特大桥107号-110号桥墩基础加强进行监测。建议研究制定详细的监测方案提出合理的监测控制指标，加强施工前期的既有数据收集和采集，并将监测工作适当延伸到工程竣工后。对于施工期间内的监控工作应建立及时充分的安全信息交流与共享体系，依托预警体系形成安全联动机制。