頂管法施工管廊對既有鐵路橋梁的影響分析

王天雙

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

頂管法指的是利用頂進(jìn)設(shè)備將預(yù)制的管道逐漸頂入預(yù)定位置，以構(gòu)成立體通道的施工方法。可以不中斷鐵路行車，可靠程度和安全性較高，風(fēng)險(xiǎn)可控，在公路、市政工程下穿鐵路中有著廣泛的應(yīng)用。針對頂管法下穿橋梁，趙辰通過三維數(shù)值建模，得出頂管工程下穿公路施工引起的地層影響主要是上部土體的微小沉降；郝唯以實(shí)際工程為例，通過經(jīng)驗(yàn)公式法和數(shù)值模擬法，通過覆土厚度及管廊界面尺寸對比得到最優(yōu)施工方案；尹冬等提出了頂管法的關(guān)鍵施工技術(shù)；高駿主要研究了軟土地層頂管法地下通道近接橋梁施工保護(hù)方案，采用橋樁樁側(cè)土預(yù)加固和超灌觸變泥漿減摩的方法，可保證頂管施工過程中近接橋梁結(jié)構(gòu)的安全。林生寧通過分析結(jié)構(gòu)斷面，提出了大斷面的矩形截面主要滿足抗剪要求，代志勇通過對頂管下穿高速公路引起的地面沉降的實(shí)際測量，總結(jié)出路面沉降主要是由施工引起土體損失造成的。文章依托鳳凰谷高壓線遷改工程電力管廊下穿廣珠城際梅溪特大橋項(xiàng)目，采用有限元模型軟件Midas GTS NX建立模型，研究了頂管法施工電力管廊對既有鐵路橋梁的影響。

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目遷改電纜采用鋼筋混凝土管廊的形式下穿廣珠城際鐵路梅溪特大橋，遷改線路位于廣珠城際梅溪特大橋109#墩和110#墩之間，與梅溪特大橋上下行線交角為82°，采用外徑為4.14 m的鋼筋混凝土管廊，全長181 m，頂管法施工；橋梁110孔為簡支箱梁，橋梁跨徑32.6 m，橋墩采用矩形實(shí)體橋墩，橋墩下部基礎(chǔ)形式為承臺(tái)+樁基礎(chǔ)，109#橋墩承臺(tái)尺寸為9 m×5.7 m×2.5 m，110#橋墩承臺(tái)尺寸為 10.8 m×7.5 m×2.5 m；樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，嵌巖樁，樁徑1.25 m，109#橋墩樁長20 m，110#橋墩樁長26 m。位置平面圖如圖1所示，立面圖如圖2所示，地層工程特性見表1。

表1 各地層工程特性指標(biāo)建議值

圖1 平面位置圖（單位：m）

圖2 立面位置關(guān)系圖（單位：m）

2 模型建立

利用MIDAS-GTS NX建立三維平面有限元數(shù)值模型。在三維建模中，以遷改電纜線路走向?yàn)閤軸，垂直于遷改電纜線路走向方向?yàn)閥軸，豎直方向?yàn)閦軸，x軸與y軸和z軸滿足右手法則。計(jì)算區(qū)域主要根據(jù)新建管廊與城際鐵路橋梁的相對位置關(guān)系，并滿足一定邊界效應(yīng)的要求來確定。三維數(shù)值模型地層的整體尺寸為100m（x）×100m（y）×60m（z），在計(jì)算建模時(shí)，地層、承臺(tái)、管廊及橋墩均采用4節(jié)點(diǎn)的四面體實(shí)體單元模擬，樁基采用一維梁單元+接觸單元模擬，鐵路等效荷載直接施加在橋墩上方。整個(gè)模型共有單元59 112個(gè)，節(jié)點(diǎn)11 094個(gè)，整體模型如圖3所示。

圖3 整體模型圖

3 結(jié)果分析

3.1 施工模擬

本次評估采用分步驟施工方式模擬，計(jì)算步與施工條件如表2所示。

表2 計(jì)算模擬工序

3.2 位移結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬，得到新建管廊開挖對廣珠城際鐵路梅溪特大橋109#和110#墩臺(tái)的影響，主要包括豎向位移（模型z方向）、橫向位移（模型x方向）以及縱向位移（模型y方向），取墩臺(tái)位移變化最大的模型位移云圖如圖4~6所示。

圖4 豎向（z向）位移云圖

圖5 縱向（y向）位移云圖

圖6 橫向（x向）位移云圖

表3 鐵路橋梁109#、110#墩臺(tái)頂面位移結(jié)果表

從以上結(jié)果可以看出：管廊工程的施工所引起的地層變形以上部土體的沉降為主，隨著水平距離越大，土體的沉降逐漸減小，而引起的既有橋梁墩臺(tái)的位移變化主要以縱向和豎向?yàn)橹鳎瑱M向位移則相對較小，其中縱向位移產(chǎn)生了相向位移，根據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB 10182-2017）中下穿高速鐵路時(shí)無砟軌道墩臺(tái)頂安全控制標(biāo)準(zhǔn)，管廊施工對既有橋梁的綜合影響較小，不會(huì)危害到鐵路橋梁的安全，風(fēng)險(xiǎn)可控，方案可行。

從圖4 豎向位移云圖可以看出，109#橋墩靠近管廊一側(cè)出現(xiàn)沉降，而遠(yuǎn)離管廊一側(cè)出現(xiàn)了上抬位移，橋墩隨著土體產(chǎn)生了轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，在實(shí)際的工程施工中，除了需要關(guān)注土體的沉降以外，橋墩的轉(zhuǎn)動(dòng)變形也不容忽視。

由表4可得管廊工程的開挖位于鐵路橋樁的力學(xué)影響范圍區(qū)外，鐵路橋樁為端承樁，管廊開挖卸載基本不會(huì)造成鐵路橋樁的地基承載力損失，即對樁基的承載力基本無影響，一般不會(huì)對既有橋樁產(chǎn)生危害。

表4 單樁承載力對照表

4 結(jié)論

（1）管廊工程的施工所引起的地層變形以上部土體的沉降為主，而引起的既有橋梁墩臺(tái)的位移變化主要以縱向和豎向?yàn)橹?，均滿足規(guī)范規(guī)定的位移值，因此，管廊工程的施工對軌道的平順性基本無影響，一般不會(huì)影響后期列車運(yùn)營的安全及舒適要求。

（2）鐵路橋樁為端承樁基礎(chǔ)，地基承載力主要來源于樁端的微風(fēng)化花崗巖持力層。因此，管廊工程的施工基本不會(huì)造成鐵路橋樁的地基承載力損失，即對樁基的承載力基本無影響。