穿運營高速鐵路橋梁安全影響探析

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摘要:為研究軟土地區頂管下穿既有鐵路營業線橋梁對其產生的影響，本文采用Midas-GTS有限元分析軟件，對天津市萬匯路220kV電力管線頂管下穿京滬高鐵、津秦客專下行聯絡線施工過程進行三維數值模擬，得出鐵路橋墩基礎附加變形情況。京滬高鐵天津特大橋最大附加豎向、縱向和橫向位移均出現在1498號橋墩基礎，分別為－0．653mm、－0．459mm和－0．923mm;津秦客專下行聯絡線1號橋最大附加豎向、縱向和橫向位移均出現在16號橋墩基礎，分別為－1．013mm、1．041mm和1．586mm，計算結果滿足現行規程限值要求，能夠保證鐵路安全運營。

關鍵詞:橋梁軟土地區下穿頂管安全性有限元分析

1引言

近年來，隨著城市規模的不斷擴大和鐵路行業的飛速發展，越來越多的管線與鐵路營業線交叉。為了保證鐵路營業線的運營安全，一般管線都采用下穿的方式穿越鐵路營業線。針對管線下穿鐵路營業線所產生的影響，國內學者已經做了大量研究。徐威［1］建立三維有限元模型研究熱力管道采用頂管的方式穿越新、老京滬線所產生的影響，計算結果表明:采用頂管穿越新、老京滬線可以有效地控制鐵路營業線的沉降，滿足鐵路運營的安全要求。王浩［2］等人利用有限元軟件建立2D模型研究頂管下穿津秦高鐵對既有橋墩變形產生的影響，并提出了橋墩變形監測具體方案，監測結果表明橋墩變形在允許范圍內。大量的研究成果表明新建下穿工程的結構形式及其與既有鐵路的交叉角度工點地區的地質參數等均會影響既有鐵路結構產生的附加變形［3－12］。隨著頂管下穿鐵路營業線研究成果的不斷豐富，頂管下穿鐵路營業線技術得到了廣泛應用。

2工程概況

天津市西青區萬匯路220kV電力管線與京滬高鐵和津秦客專下行聯絡線交叉。交叉點處地勢整體平坦開闊，場地現狀多為林地、荒地及鐵路保護區，附近有市政道路，交通較為便利。地質以軟土層為主，存在粉質黏土、粉土、粉砂土等不良地質層，且有一定程度的地面沉降。經詳細研究對比分析，本工程擬采用頂管的方式下穿京滬高鐵和津秦客專下行聯絡線。京滬高鐵設計時速350km，雙線無砟軌道;津秦客專下行聯絡線設計時速200km，為單線有砟軌道。兩者并行南北走向，線間距約45m。新建電力管線于京滬高鐵天津特大橋1498～1499號橋墩之間穿過，交角82．3°，交叉處為24m簡支箱梁，電力管線在橋下埋深4．88m，與承臺最小凈距4．39m，與樁基最小凈距5．40m;新建電力管線于津秦客專下行聯絡線1號橋16～17號橋墩之間穿過，交角89°，交叉處為32m簡支箱梁，電力管線在橋下埋深5．98m，與承臺最小凈距6．00m，與樁基最小凈距7．12m［3－5］。新建電力管線采用鋼筋混凝土套管，混凝土強度等級C50，內徑2．40m、外徑2．86m，壁厚0．23m，軸向長度102．86m。頂管形式下穿鐵路營業線，頂進方向由東向西，控制頂力為12746kN，計算頂力最大7932kN。頂管位于基本承載力為120kPa的粉土層內。工作井位于京滬高鐵安保區外與卉康道交口處西側的林地內，接收井位于津秦客專下行聯絡線西側安保區外的空地上［6］。

3有限元分析

3．1計算原理

高速鐵路橋下施工下穿工程時，加載工況會引起工層壓縮，帶動橋墩產生附加沉降而橋下缷載施工(如挖土)會引起土體在一定程度上隆起，進而帶動橋墩上浮。

3．2計算模型

采用Midas-GTS建立三維空間模型進行數值模擬計算，分別建立京滬高鐵天津特大橋1497～1500號橋墩基礎、津秦客專下行聯絡線1號橋15～18號橋墩基礎及新建電力管線模型，如圖1所示。土體、墩臺和高壓旋噴樁采用實體單元模擬，咬合支護鉆孔樁和頂管采用板單元模擬，鐵路橋梁樁基礎采用樁單元模擬。邊界約束條件施加在土體上，在模型底面限圖1計算模型制豎向位移，在模型側面限制水平方向位移。計算荷載主要考慮土體自重、鐵路橋墩之間的橋梁自重、二恒、新建工程及防護工程自重［7－9］。3．3計算參數材料參數采用鐵路橋梁地勘報告中給出的土體物理力學參數實測值，如表1所示。

4計算結果匯總分析

4．1計算結果匯總

提取新建工程施工引起京滬高鐵天津特大橋1497～1500號橋墩基礎、津秦客專下行聯絡線1號橋15～18號橋墩基礎墩頂累計沉降云圖如圖2所示。各施工階段京滬高鐵天津特大橋1497～1500號橋墩基礎、津秦客專下行聯絡線1號橋15～18號橋墩基礎各方向的墩頂變形曲線如圖3～圖8所示。由圖3～圖8可知，新建工程施工對津秦客專下行聯絡線1號橋影響相對較大，對京滬高鐵天津特大橋影響相對較小;引起京滬高鐵天津特大橋1497～1500號橋墩基礎、津秦客專下行聯絡線1號橋15～18號橋墩基礎橫向變形相對較大，豎向和縱向變形相對較小［10－12］。新建工程施工引起京滬高鐵天津特大橋最大附加豎向、縱向和橫向位移均出現在1498號橋墩基礎，分別為－0．653mm、－0．459mm和－0．923mm(均發生在工作豎井及接收豎井土體回填施工階段);引起津秦客專下行聯絡線1號橋最大附加豎向、縱向和橫向位移均出現在16號橋墩基礎，分別為－1．013mm(發生在工作豎井及接收豎井土體回填階段)、1．041mm(發生在工作豎井及接收豎井土體回填階段)和1．586mm(發生在咬合支護鉆孔樁及高壓旋噴樁施工階段)。

4．2鐵路橋梁變形標準

根據《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》(TB10182—2017)14相關條文要求，京滬高鐵天津特大橋和津秦客專下行聯絡線1號橋受下穿新建工程引起橋墩各個方向上的位移控制值分別為2mm和3mm。根據《鄰近鐵路營業線施工安全監測技術規程》(TB10314—2021)13要求，確定變形預警值、報警值和控制值，具體監控量測控制指標如表3、表4所示［13］。

4．3計算結果分析

整理數值模擬計算結果與規范規定的變形標準并進行對比，如表5、表6所示。可以看出，在整個施工過程中引起京滬高鐵天津特大橋1497～1500號墩、津秦客專下行聯絡線1號橋15～18號墩產生的附加位移值均滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》(TB10182—2017)［14］要求的墩頂附加變形要求。(1)本工程各個階段引起的京滬高鐵天津特大橋1497號～1500號橋墩、津秦客專下行聯絡線1號橋15號～18號橋墩基礎總附加豎向位移、附加縱向位移以及附加橫向位移均滿足規程限值要求。(2)本工程實施引起京滬高鐵天津特大橋1498、1499號橋墩沉降較大，產生的豎向最大附加位移達到－0．653mm，但小于規范2mm的附加位移限值要求，能夠滿足施工安全;1497、1500號橋墩沉降較小，產生的豎向最大附加位移小于0．3mm，對土體僅產生輕微擾動?？梢哉J為本項目實施對京滬高鐵天津特大橋其他橋墩基本無影響。(3)本工程實施引起津秦客專下行聯絡線1號橋16、17號橋墩沉降較大，產生的豎向最大附加位移達到－1．013mm，但小于規范3mm的附加位移限值，能夠滿足施工安全要求;15、18號橋墩沉降較小，產生的豎向最大附加位移小于0．2mm，對土體僅產生輕微擾動?？梢哉J為本項目實施對津秦客專下行聯絡線1號橋其他橋墩基本無影響。

5結論及建議

新建電力管線工程以頂管形式下穿京滬高鐵天津特大橋、津秦客專下行聯絡線1號橋，通過分析，得出主要結論:新建電力管線工程以頂管形式下穿京滬高鐵天津特大橋、津秦客專下行聯絡線1號橋，能夠保證其安全運營。本文研究成果可以為類似工程設計施工提供參考，但需注意的是土層參數對施工過程模擬的準確性起決定性作用，本工程所采用的土層參數均建立在地勘資料的基礎上，京滬高鐵天津特大橋1497號～1500號橋墩、津秦客專下行聯絡線1號橋15號～18號墩的變形應以現場實測數據為準。施工過程中，需實時觀測京滬高鐵天津特大橋1497號～1500號橋墩、津秦客專下行聯絡線1號橋15號～18號橋墩單日附加豎向位移監控數據，若位移過大，需要及時調整施工進度并采取相應的施工措施。另外，電力管線工程本身的施工質量應當作為安全風險防控的主要手段之一。

作者:李金書 單位:中鐵第五勘察設計院集團有限公司