橋梁跨越既有輸水管影響分析

閆 達(dá)

（天津市政工程設(shè)計研究總院有限公司，天津 300392）

南水北調(diào)工程是大型人工修筑水利工程，需要較高的防護(hù)等級。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市不斷擴(kuò)張，各種配套設(shè)施不斷完善，不可避免會有建筑物與南水北調(diào)工程存在交叉[1]。目前對此類交叉工程的研究主要有方案對比[1～2]、安全影響評價[3～4]等；沒有對具體方案與實測數(shù)據(jù)的對比。

本文對某處橋梁跨越南水北調(diào)輸水管方案進(jìn)行論述并對理論和監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析，同時對橋梁施工及運營期間南水北調(diào)配套輸水管應(yīng)急搶修進(jìn)行了論述，為此類工程的設(shè)計、搶修等工作提供一定的借鑒。

1 橋梁跨越輸水管方案確定

河北省某道路工程跨越南水北調(diào)配套輸水管，管徑為700 mm，覆土2 m 左右。地層自上而下依次為耕植土、新近沉積黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、中砂、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、粉砂、中砂、粉質(zhì)黏土。

由于《其他工程跨越下穿鄰接河北省南水北調(diào)配套工程設(shè)計及安全評價技術(shù)要求》規(guī)定，跨越工程下部結(jié)構(gòu)距管道外輪廓不得＜5 m 且不對配套工程產(chǎn)生安全危害，為配套工程巡視、檢修、更換等提供必要條件；因此擬定橋梁方式[2]跨越南水北調(diào)配套輸水管。橋梁跨徑布置1×16 m，上部采用16 m預(yù)應(yīng)力混凝土后張板梁，下部結(jié)構(gòu)為樁柱式橋臺。橋臺與輸水管外壁最小凈距為6.45 m，考慮了管道維修開挖面對橋梁的影響，樁基設(shè)計已考慮開挖后樁基周邊土地松散造成的影響。成橋后，梁底距離地面約1.78 m，梁底距離輸水管管頂約3.9 m，滿足管道的維修要求。見圖1。

圖1 橋梁跨越方案立面

2 橋梁跨越輸水管分析

為確保輸水管運行安全，需論證橋梁施工及運營過程中土壓力變化對輸水管道的影響。采用Midas GTS NX 有限元分析軟件，對輸水管、樁基、地層進(jìn)行整體三維有限元計算。樁及輸水管道按照彈性材料進(jìn)行模擬，地層根據(jù)地勘報告采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。

2.1 計算假定

模擬計算時，考慮土體損傷效應(yīng)對彈性模量的影響并滿足以下簡化假設(shè)：

1）地層作為層狀彈性層，每層都是由同一種各向同性的土體介質(zhì)組成，有相同的力學(xué)性質(zhì)；

2）用連續(xù)函數(shù)表示土體應(yīng)力、變形等物理量的變化規(guī)律，不考慮土體顆粒或巖石本身的變形，不考慮孔隙變形及其填充物的影響；

3）考慮地層中的原始應(yīng)力，即在運動方程中考慮土體的地應(yīng)力；

4）將橋梁、橋臺、路基等各種荷載以作用力方式進(jìn)行加載。

2.2 計算模型

沿橋梁汽車行駛方向為X 方向，鉛垂向上為Z 正方向，水平橫向為Y 方向。模型區(qū)域為65 m×60 m×30 m（X×Y×Z）。見圖2。

圖2 有限元模型

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 樁基施工階段

樁基開挖完成、地表作用施工車輛荷載為樁基施工階段最不利工作狀態(tài)。為考慮地應(yīng)力對土體材料及結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，對最不利狀態(tài)進(jìn)行分析，設(shè)置2個分析步，依次為平衡地應(yīng)力、施工車輛荷載。樁基施工過程中引起的輸水管總位移為0.2～1.59 mm，應(yīng)力變化為0.06～4.24 MPa，位移和應(yīng)力影響非常小，不會對管道結(jié)構(gòu)的安全造成影響。

2.3.2 橋梁運營階段

為考慮地應(yīng)力對土體材料及結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，對橋梁最大運營荷載設(shè)置3 個分析步，依次為平衡地應(yīng)力、樁基施工完成、施加運營荷載。運營階段引起的輸水管總位移為0.20～6.99 mm，應(yīng)力變化0.8～19.9 MPa，位移和應(yīng)力影響非常小，不會對管道結(jié)構(gòu)的安全造成影響。

3 實際監(jiān)測分析

對輸水管進(jìn)行沉降監(jiān)測，共布設(shè)6個沉降監(jiān)測點。輸水管與橋梁中心線相交點兩側(cè)5 m和1 m處各設(shè)置1個，沿管線上下游6 m位置再各設(shè)置1個。見圖3。

圖3 沉降監(jiān)測點

施工過程中監(jiān)測頻率為2 d 一次，沉降預(yù)警值和控制值分別為7 mm 和10 mm。樁基施工過程中測點最大位移0.83 mm，樁基施工完成至橋面鋪裝完成過程中測點最大位移為2.18 mm，均小于預(yù)警值，其中樁基施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)也小于理論分析值，因此可以認(rèn)為理論分析數(shù)值可靠。見圖4。

圖4 測點累計沉降

4 輸水管道應(yīng)急搶修預(yù)案

4.1 施工期

4.1.1 預(yù)警或報警狀態(tài)

1）通過相關(guān)數(shù)據(jù)分析、結(jié)構(gòu)計算、地質(zhì)調(diào)查和環(huán)境觀測對報警數(shù)據(jù)做出解釋。

2）對重點部位和區(qū)域加密測點并增加監(jiān)測頻率。

4.1.2 惡劣天氣

監(jiān)測過程中遇惡劣氣候條件，如水準(zhǔn)儀無法進(jìn)行工作時，應(yīng)及時加強施工影響范圍內(nèi)巡視。

4.1.3 監(jiān)測點損壞

1）對日常使用的監(jiān)測儀器應(yīng)定期或不定期進(jìn)行校核，確保采集的數(shù)據(jù)真實、可靠。

2）現(xiàn)場儲備相應(yīng)數(shù)量的各類監(jiān)測標(biāo)志和材料并保持完好。

3）施工地段監(jiān)測點，專人進(jìn)行巡視。

4）監(jiān)測基準(zhǔn)點周邊進(jìn)行圍護(hù)，保證穩(wěn)定可靠。

5）監(jiān)測點損壞的應(yīng)立即在原來位置重新埋設(shè)并盡快進(jìn)行觀測，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可靠性。

4.1.4 塌孔

1）施工過程中如出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，應(yīng)根據(jù)鉆桿長度計算擴(kuò)孔器所處位置，同時觀察返漿攜帶出的土塊、顆粒判斷塌孔位置地層條件。退出擴(kuò)孔器，增加洗孔次數(shù)。

2）調(diào)整泥漿配合比，增大泥漿黏度，同時適當(dāng)增加泥漿壓力。

4.2 運營期

公路建成運營期間，養(yǎng)管單位會對跨越段加強巡視和養(yǎng)管，對可能出現(xiàn)的不利情況及時發(fā)現(xiàn)、及時處理，確保南水北調(diào)配套工程的安全運行[5]。

1）監(jiān)測過程中，若地表沉降、水平位移超出預(yù)警值，監(jiān)測單位應(yīng)及時通知建設(shè)單位，建設(shè)單位24 h 內(nèi)告知配套工程管理處，建設(shè)單位應(yīng)采取措施并調(diào)整觀測方案和觀測頻率，以保證測量的即時性、準(zhǔn)確性。

2）跨越工程維護(hù)檢修時，應(yīng)提前向配套工程管理處提出申請并報送檢修方案。檢修方案經(jīng)配套工程管理處批準(zhǔn)后方可實施。檢修期間，應(yīng)接受輸水管道管理單位的監(jiān)督。

3）跨越工程范圍內(nèi)管道出現(xiàn)漏水或破壞等情況，道路管理單位應(yīng)立即告知配套工程管理處，對管道進(jìn)行檢修和維護(hù)。

4）管道搶修與更換。一旦輸水管道出現(xiàn)意外情況，需在12 h 內(nèi)完成搶修。開挖搶修期間，道路進(jìn)行全幅斷交，確保輸水管道順利搶修；道路斷交期間，做好交通導(dǎo)行、管線開挖、道路恢復(fù)等工作。

5 結(jié)語

通過對橋梁跨越南水北調(diào)輸水管的理論計算結(jié)果和實際監(jiān)測結(jié)果對比，實際沉降值較理論值小，較沉降預(yù)警值更??；因此可以認(rèn)為橋梁跨越南水北調(diào)輸水管方案合理，理論分析數(shù)據(jù)可靠。