桥梁跨越既有输水管影响分析

闫 达

（天津市政工程设计研究总院有限公司，天津 300392）

南水北调工程是大型人工修筑水利工程，需要较高的防护等级。随着社会经济的发展，城市不断扩张，各种配套设施不断完善，不可避免会有建筑物与南水北调工程存在交叉[1]。目前对此类交叉工程的研究主要有方案对比[1～2]、安全影响评价[3～4]等；没有对具体方案与实测数据的对比。

本文对某处桥梁跨越南水北调输水管方案进行论述并对理论和监测结果进行对比分析，同时对桥梁施工及运营期间南水北调配套输水管应急抢修进行了论述，为此类工程的设计、抢修等工作提供一定的借鉴。

1 桥梁跨越输水管方案确定

河北省某道路工程跨越南水北调配套输水管，管径为700 mm，覆土2 m 左右。地层自上而下依次为耕植土、新近沉积黏土、粉质黏土、粉土、粉细砂、粉质黏土、粉土、粉砂、中砂、粉质黏土、粉细砂、粉质黏土、粉砂、中砂、粉质黏土。

由于《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》规定，跨越工程下部结构距管道外轮廓不得＜5 m 且不对配套工程产生安全危害，为配套工程巡视、检修、更换等提供必要条件；因此拟定桥梁方式[2]跨越南水北调配套输水管。桥梁跨径布置1×16 m，上部采用16 m预应力混凝土后张板梁，下部结构为桩柱式桥台。桥台与输水管外壁最小净距为6.45 m，考虑了管道维修开挖面对桥梁的影响，桩基设计已考虑开挖后桩基周边土地松散造成的影响。成桥后，梁底距离地面约1.78 m，梁底距离输水管管顶约3.9 m，满足管道的维修要求。见图1。

图1 桥梁跨越方案立面

2 桥梁跨越输水管分析

为确保输水管运行安全，需论证桥梁施工及运营过程中土压力变化对输水管道的影响。采用Midas GTS NX 有限元分析软件，对输水管、桩基、地层进行整体三维有限元计算。桩及输水管道按照弹性材料进行模拟，地层根据地勘报告采用摩尔-库仑本构模型进行模拟。

2.1 计算假定

模拟计算时，考虑土体损伤效应对弹性模量的影响并满足以下简化假设：

1）地层作为层状弹性层，每层都是由同一种各向同性的土体介质组成，有相同的力学性质；

2）用连续函数表示土体应力、变形等物理量的变化规律，不考虑土体颗粒或岩石本身的变形，不考虑孔隙变形及其填充物的影响；

3）考虑地层中的原始应力，即在运动方程中考虑土体的地应力；

4）将桥梁、桥台、路基等各种荷载以作用力方式进行加载。

2.2 计算模型

沿桥梁汽车行驶方向为X 方向，铅垂向上为Z 正方向，水平横向为Y 方向。模型区域为65 m×60 m×30 m（X×Y×Z）。见图2。

图2 有限元模型

2.3 结果分析

2.3.1 桩基施工阶段

桩基开挖完成、地表作用施工车辆荷载为桩基施工阶段最不利工作状态。为考虑地应力对土体材料及结构内力的影响，对最不利状态进行分析，设置2个分析步，依次为平衡地应力、施工车辆荷载。桩基施工过程中引起的输水管总位移为0.2～1.59 mm，应力变化为0.06～4.24 MPa，位移和应力影响非常小，不会对管道结构的安全造成影响。

2.3.2 桥梁运营阶段

为考虑地应力对土体材料及结构内力的影响，对桥梁最大运营荷载设置3 个分析步，依次为平衡地应力、桩基施工完成、施加运营荷载。运营阶段引起的输水管总位移为0.20～6.99 mm，应力变化0.8～19.9 MPa，位移和应力影响非常小，不会对管道结构的安全造成影响。

3 实际监测分析

对输水管进行沉降监测，共布设6个沉降监测点。输水管与桥梁中心线相交点两侧5 m和1 m处各设置1个，沿管线上下游6 m位置再各设置1个。见图3。

图3 沉降监测点

施工过程中监测频率为2 d 一次，沉降预警值和控制值分别为7 mm 和10 mm。桩基施工过程中测点最大位移0.83 mm，桩基施工完成至桥面铺装完成过程中测点最大位移为2.18 mm，均小于预警值，其中桩基施工过程中的监测数据也小于理论分析值，因此可以认为理论分析数值可靠。见图4。

图4 测点累计沉降

4 输水管道应急抢修预案

4.1 施工期

4.1.1 预警或报警状态

1）通过相关数据分析、结构计算、地质调查和环境观测对报警数据做出解释。

2）对重点部位和区域加密测点并增加监测频率。

4.1.2 恶劣天气

监测过程中遇恶劣气候条件，如水准仪无法进行工作时，应及时加强施工影响范围内巡视。

4.1.3 监测点损坏

1）对日常使用的监测仪器应定期或不定期进行校核，确保采集的数据真实、可靠。

2）现场储备相应数量的各类监测标志和材料并保持完好。

3）施工地段监测点，专人进行巡视。

4）监测基准点周边进行围护，保证稳定可靠。

5）监测点损坏的应立即在原来位置重新埋设并尽快进行观测，保证数据的连续性和可靠性。

4.1.4 塌孔

1）施工过程中如出现塌孔现象，应根据钻杆长度计算扩孔器所处位置，同时观察返浆携带出的土块、颗粒判断塌孔位置地层条件。退出扩孔器，增加洗孔次数。

2）调整泥浆配合比，增大泥浆黏度，同时适当增加泥浆压力。

4.2 运营期

公路建成运营期间，养管单位会对跨越段加强巡视和养管，对可能出现的不利情况及时发现、及时处理，确保南水北调配套工程的安全运行[5]。

1）监测过程中，若地表沉降、水平位移超出预警值，监测单位应及时通知建设单位，建设单位24 h 内告知配套工程管理处，建设单位应采取措施并调整观测方案和观测频率，以保证测量的即时性、准确性。

2）跨越工程维护检修时，应提前向配套工程管理处提出申请并报送检修方案。检修方案经配套工程管理处批准后方可实施。检修期间，应接受输水管道管理单位的监督。

3）跨越工程范围内管道出现漏水或破坏等情况，道路管理单位应立即告知配套工程管理处，对管道进行检修和维护。

4）管道抢修与更换。一旦输水管道出现意外情况，需在12 h 内完成抢修。开挖抢修期间，道路进行全幅断交，确保输水管道顺利抢修；道路断交期间，做好交通导行、管线开挖、道路恢复等工作。

5 结语

通过对桥梁跨越南水北调输水管的理论计算结果和实际监测结果对比，实际沉降值较理论值小，较沉降预警值更小；因此可以认为桥梁跨越南水北调输水管方案合理，理论分析数据可靠。