管道頂進防護套管施工對既有高鐵橋梁的影響

董 艷 彪

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300000)

新建天然氣管道穿越既有高速鐵路橋梁時，經(jīng)常采用頂進防護套管法施工。防護套管施工會引起地層變形和變位，導(dǎo)致既有高速鐵路橋梁發(fā)生變形和變位，進而引起橋梁受力的變化。

本文以某燃氣管道采用頂進防護套管法施工穿越既有高速鐵路橋梁為例，分析燃氣管道頂進防護套管工程施工對既有高速鐵路橋梁的影響。通過對高速鐵路橋梁沉降變形及結(jié)構(gòu)安全進行分析計算，從設(shè)計角度給出優(yōu)化建議，確保高鐵的運營安全。

1 工程概況

新建燃氣管線管道采用DN508直縫雙面埋弧焊鋼管，管材等級為L360M，壁厚為9.5 mm，運行壓力3.8 MPa，設(shè)計壓力為4.0 MPa；采用頂進1-1.55 m鋼筋混凝土圓管進行防護，采用聚乙烯三層復(fù)合結(jié)構(gòu)加強級防腐加犧牲陽極聯(lián)合保護措施。

燃氣管道于既有鐵路特大橋368號～369號橋墩之間下穿，交叉角度為90°，防護套管中心線與相鄰橋墩間凈距離分別為14.7 m和15.7 m，與相鄰橋墩承臺間凈距離均為13.3 m；管頂位于368號橋墩承臺底以下1.84 m，位于369號橋墩承臺底以上1.16 m，交叉處套管管頂埋深為4.93 m，管頂最小埋深為3 m。頂進工作坑位于鐵路安全保護區(qū)之外，基坑距離鐵路限界最近距離為30.6 m。既有高鐵現(xiàn)場圖見圖1，管道與鐵路交叉平面見圖2。

2 既有鐵路特大橋設(shè)計概況

既有鐵路特大橋367號～370號墩之間采用32 m簡支梁，橋墩采用圓端型實體墩，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

結(jié)合橋址處的地質(zhì)條件，鐵路特大橋367號～370號墩橋梁基礎(chǔ)設(shè)計既要滿足橋梁承載力及橋墩變形的要求，同時要滿足高速鐵路的沉降要求。既有橋基礎(chǔ)設(shè)計如表1，表2所示。

表1 既有鐵路特大橋367號～370號橋墩基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)表(一)

表2 既有鐵路特大橋367號～370號橋墩基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)表(二)

3 防護套管設(shè)計

3.1 涵長的確定原則

防護套管兩端出入口作業(yè)面均位于鐵路安全保護區(qū)以外并按梁體投影以外30 m布置作業(yè)坑，確保本工程及后續(xù)天然氣管道鋪設(shè)施工不影響鐵路的行車安全。

本防護套管采用30節(jié)圓管，全部頂進，每節(jié)圓管長3.0 m，防護套管全長30×3 m=90 m。

3.2 覆土厚度

橋下地面至防護套管管頂?shù)木嚯x為4.9 m，天然排水溝溝底至防護套管管頂?shù)木嚯x3.0 m。

3.3 注漿及沖砂

注漿固化范圍為全部頂進涵節(jié)、圓管外側(cè)1 m環(huán)形范圍；注漿形式為管內(nèi)注漿，頂進涵節(jié)需預(yù)留注漿孔。注漿前需將頂管兩端進行封堵。注漿加固圖見圖3。

天然氣管道鋪設(shè)完畢后，防護套管內(nèi)采用吹砂填筑方式，出入口砌磚封堵。吹砂填實圖見圖4。

4 燃氣管道工作坑設(shè)計

本防護套管在既有高速鐵路右側(cè)設(shè)工作坑，采用帶機頭頂進作業(yè)，左側(cè)安全保護區(qū)和架空線安全距離(5 m)以外設(shè)接收坑。

為確保工作坑、接收坑的安全穩(wěn)定，基坑均采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁防護。鉆孔防護樁的樁徑采用100 cm，樁間距130 cm，樁間掛網(wǎng)噴射混凝土；兩作業(yè)坑的防護樁樁長均采用14 m，樁頂均采用封閉式鋼筋混凝土冠梁連接，冠梁寬度1.40 m、冠梁高度1.0 m。

工作坑、接收坑止水帷幕單根樁長均為12 m，其中空旋1 m；止水帷幕采用水泥砂漿攪拌樁，樁徑均為60 cm，相鄰的樁需搭接，樁間距為40 cm。

工作坑底板(或稱滑板)采用50 cm厚C25混凝土封底，工作坑底板以下采用3.0 m深旋噴樁封底，樁徑為60 cm，樁間距為100 cm。工作坑底板頂部設(shè)集水井4口，便于頂進期間管端引入的地下水或雨水排除。

5 研究原理及方法

巖土工程中存在的開挖問題主要是指基坑、隧道等的開挖[1]。這些開挖的施工過程通常較為復(fù)雜，如分步驟開挖，支擋結(jié)構(gòu)的施工等，常規(guī)的分析方法處理起來非常困難，在工程中往往借助有限元軟件對支擋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形、周邊土體的位移以及鄰近既有建筑物的變形等進行分析[2]。針對燃氣管道防護套管施工問題，國內(nèi)外應(yīng)用較多的是借助有限元軟件進行計算分析，此種方法可以模擬各種復(fù)雜的材料本構(gòu)關(guān)系，易于處理非均勻介質(zhì)問題、模擬各向異性材料，進行非線性求解分析，模擬各種復(fù)雜的邊界條件[3]。本文采用成熟的通用大型巖土工程軟件Midas GTS-NX建立有限元模型進行數(shù)值仿真模擬分析。

6 有限元模型建立

6.1 有限元模型

依照地質(zhì)資料，依據(jù)土層類型將施工場地的分層土簡化為若干個土層，并依據(jù)此既有鐵路特大橋地質(zhì)資料確定土層相關(guān)地質(zhì)參數(shù)，土層地質(zhì)參數(shù)。土體模型認為各土層均呈勻質(zhì)水平層狀分布且同一土層為各向同性[4]。模型長度為140 m，寬度120 m，深度70 m，土體采用修正摩爾—庫侖模型來模擬土的本構(gòu)關(guān)系，橋梁樁基、防護樁采用1D梁單元模擬，防護套管、旋噴樁采用2D板單元模擬，其他均采用3D實體單元模擬，橋梁的上部結(jié)構(gòu)均以荷載形式加載在橋墩上來模擬，土體水平四周邊界采用水平約束，底邊界采用豎向約束[5]。三維空間有限元土體模型如圖5所示。

6.2 施工過程模擬

根據(jù)本工程設(shè)計、施工情況，施工過程模擬步驟按照8個階段進行，分別為：平衡地應(yīng)力并位移清零→建立鐵路特大橋相關(guān)結(jié)構(gòu)→位移清零→基坑防護→基坑開挖→頂管施工→注漿加固→管道鋪設(shè)[6]。具體施工過程模擬內(nèi)容如表3所示。

表3 施工階段及內(nèi)容

整個施工過程各階段的有限元模型如圖6～圖12所示。

7 計算結(jié)果分析

燃氣管道防護套管施工是在既有橋梁運營的基礎(chǔ)上進行模擬計算，第一階段為既有橋梁現(xiàn)狀。在第一階段的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程設(shè)計圖紙中的位置及施工過程分別進行基坑防護、基坑開挖、頂管施工、注漿加固及管道鋪設(shè)。

7.1 高鐵橋梁沉降變形影響模擬分析

根據(jù)有限元分析軟件Midas GTS-NX建立整體三維有限元模型進行計算分析，各施工階段對既有鐵路特大橋的沉降變形影響結(jié)果如表4～表9所示。

表4 墩頂階段附加沉降計算結(jié)果 mm

表5 墩頂階段累計附加沉降計算結(jié)果 mm

表6 疊加初始設(shè)計值后墩頂累計附加沉降計算結(jié)果 mm

表7 相鄰墩頂階段附加差異沉降計算結(jié)果 mm

表8 相鄰墩頂階段累計附加差異沉降計算結(jié)果 mm

表9 疊加初始設(shè)計值后相鄰墩頂累計附加差異沉降計算結(jié)果 mm

根據(jù)表4～表6計算結(jié)果可知：墩頂階段附加沉降最大值為-0.108 mm，墩頂階段累計附加沉降最大值為-0.130 mm，因此由于本施工引起的鐵路特大橋墩頂附加沉降值滿足TB 10182—2017公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程中2 mm的沉降限值要求[7]。疊加初始設(shè)計值后最大總沉降為-10.921 mm，疊加初始設(shè)計沉降值后總沉降滿足TB 10002—2017鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范中20 mm限值要求[8]。

根據(jù)表7～表9計算結(jié)果可知：相鄰墩頂階段附加差異沉降最大值為0.117 mm，相鄰墩頂階段累積附加差異沉降最大值為0.140 mm，疊加初始設(shè)計值后最大總差異沉降為0.584 mm，因此本施工階段引起的鐵路特大橋墩頂差異沉降滿足TB 10002—2017鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范中5 mm的限值要求。

7.2 高鐵橋梁橫向水平變形影響模擬分析

根據(jù)有限元分析軟件Midas GTS-NX建立整體三維有限元模型進行計算分析，各施工階段對鐵路特大橋的橫向變形影響結(jié)果如表10～表12所示。

表10 階段附加橫向變形計算結(jié)果 mm

表11 階段累計附加橫向水平變形計算結(jié)果 mm

表12 疊加初始設(shè)計值后累計橫向水平變形計算結(jié)果 mm

根據(jù)表10～表12計算結(jié)果可知：各施工階段引起鐵路特大橋墩頂階段附加橫向水平變形最大值為0.022 mm，階段累計附加橫向變形值為0.022 mm，因此由于本工程施工引起的附加橫向水平變形滿足TB 10182—2017公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程中2 mm限值要求。疊加初始設(shè)計值后最大橫向水平變形為5.557 mm，總橫向水平變形滿足TB 10002—2017鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范中16.35 mm限值要求。

7.3 高鐵橋梁縱向水平變形影響模擬分析

根據(jù)有限元分析軟件Midas GTS-NX建立整體三維有限元模型進行計算分析，各施工階段對鐵路特大橋的縱向變形影響結(jié)果如表13～表15所示。

表13 階段附加縱向變形計算結(jié)果 mm

表14 階段累計附加縱向水平變形計算結(jié)果 mm

表15 疊加初始設(shè)計值后階段累計附加縱向水平變形計算結(jié)果 mm

根據(jù)表13～表15計算結(jié)果可知：各施工階段引起鐵路特大橋墩頂附加縱向水平變形最大值為0.248 mm，階段累計附加縱向變形值為-0.225 mm，因此由于本工程施工引起的附加縱向水平變形滿足TB 10182—2017公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程中2 mm限值要求。疊加初始設(shè)計值后最大縱向水平變形為-6.616 mm，總縱向水平變形滿足TB 10002—2017鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范中28.06 mm限值要求。

7.4 結(jié)構(gòu)安全性計算

針對施工及運營期間產(chǎn)生的附加力，重新檢算橋梁樁基單樁承載力并檢算其配筋，檢算結(jié)果如表16所示。

表16 樁基強度檢算

經(jīng)檢算，樁基配筋面積均滿足要求，樁基單樁承載力略有增加，最大增加1.17 kN，小于單樁容許承載力，因此鐵路特大橋樁基強度滿足要求，不會影響鐵路后期運營安全。

8 結(jié)語

1)本文采用成熟的通用大型巖土工程軟件Midas GTS-NX建立三維有限元模型對頂進防護套管工程施工對下穿高鐵橋梁的影響進行數(shù)值仿真模擬分析，實踐證明此方法簡便、易行，可達到預(yù)期分析效果。

2)天然氣管道穿越高速鐵路頂進防護套管工程下穿鐵路特大橋?qū)Ω哞F橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生一定的附加影響。

3)頂進防護套管工程施工使鐵路特大橋墩頂產(chǎn)生差異沉降，最大總差異沉降為0.584 mm；總沉降有所增大，最大總沉降為-10.921 mm；總沉降及差異沉降均滿足規(guī)范中限值要求。

4)頂進防護套管工程施工使鐵路特大橋墩頂產(chǎn)生附加橫向水平位移，最大橫向水平變形量為0.022 mm，滿足規(guī)范限制要求；總橫向水平變形增大，最大橫向水平變形為5.557 mm，滿足規(guī)范限制要求。

5)頂進防護套管工程施工使鐵路特大橋墩頂產(chǎn)生附加縱向水平位移，附加最大縱向水平變形量為-0.225 mm，滿足規(guī)范限制要求；總縱向水平變形增大，最大縱向水平變形為-6.616 mm，滿足規(guī)范限制要求。

6)頂進防護套管工程施工使鐵路特大橋樁基單樁承載力略有增加，最大增加1.17 kN，小于單樁容許承載力，樁基強度滿足要求。經(jīng)檢算，樁基配筋面積均滿足要求，不會影響鐵路后期運營安全。

7)通過以上分析，天然氣管道穿越津秦高速鐵路頂進防護套管工程設(shè)計、施工方案可行?？紤]到各類風險的客觀存在，建議后續(xù)建設(shè)施工中應(yīng)制訂相關(guān)專項應(yīng)急預(yù)案和現(xiàn)場處置方案。施工中應(yīng)對工作 坑周圍橋梁結(jié)構(gòu)的變形和沉降進行監(jiān)測。超過警戒值時及時采取對應(yīng)措施。