某管道下穿工程對高鐵橋墩影響的有限元分析

張 賽，周 源，馬 濤，葉 彤

(1.安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，安徽 安慶 246003；2.中鐵上海工程局集團有限公司，上海 200000)

0 引言

至2020年底，中國高速鐵路營業(yè)總里程達到3.8萬km，居世界第一[1]。高速鐵路逐漸成為城市間交通運輸?shù)闹匾ǖ?，各地高速鐵路建設(shè)項目越來越多。但隨著新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷深入，給排水、電力通信等管道下穿高速鐵路橋梁的情況時有發(fā)生，在項目施工過程中會對鐵路橋梁樁基及橋墩的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響[2]。為了確保高鐵橋梁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，保證高鐵的安全行駛，防止發(fā)生安全事故，必須在水、電、氣、通訊等城市管道設(shè)計階段，對既有高鐵橋墩基礎(chǔ)開展施工安全分析評估。

在國內(nèi)眾多的高鐵建設(shè)項目中，下穿工程施工的主體多以管網(wǎng)、道路為主，相關(guān)工程技術(shù)人員做了很多分析研究工作。如：徐威[3]通過有限元模型模擬了燃氣管道在各施工階段對橋梁主體的影響，但其模型體量較大，且各部分受荷載較復(fù)雜，模型建立進行了簡化和假設(shè)，計算結(jié)果僅起定性和參考作用；王浩[4]也通過Midas-GTS分析了頂管下穿對高鐵橋墩的影響，其主要偏向于沉降觀測點的布設(shè)和監(jiān)測方案的選擇；楊俊輝[5]以CFG樁加固軟處理下穿施工區(qū)域的弱地層，有效降低了各種施工荷載對高鐵橋墩的變形影響；朱利明[6]通過實地觀測和有限元模擬基坑開挖過程，驗證了數(shù)值模擬能較好地預(yù)估橋墩沉降的趨勢和位移量。文章結(jié)合某新建綜合管道下穿在建高鐵特大橋107號-110號橋墩施工項目，根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，分析107號-110號橋墩基礎(chǔ)豎向位移和水平變形情況，判斷是否存在安全隱患，確定其是否滿足相關(guān)規(guī)范要求，對橋墩基礎(chǔ)進行安全評估，并提出規(guī)避風(fēng)險的建設(shè)性措施，為類似工程的建設(shè)提供參考與借鑒。

1 工程概況

1.1 工程介紹

本項目新建管道沿既有城市公路橋敷設(shè)，并從高鐵特大橋(60+100+60)m 連續(xù)梁中跨108-109號墩之間穿過。擬下穿高鐵橋梁的管線分別為管徑1 m的壓力污水管、直徑0.3 m的給水管、4×4(Φ150 mm)強電排管、4×3(Φ110 mm)通信排管，管線與鐵路線交角為49°。項目的具體位置如圖1所示。通信排管埋于高鐵特大橋109號墩側(cè)公路橋上的人行道下方，該位置已有燃氣管線，為減小既有燃氣管線對新建強排管與燃氣管道的影響，將強電排管埋于高鐵特大橋108號墩側(cè)公路橋上的人行道下方，污水壓力管和給水管則與既有城市公路橋并行，采用管架橋架空敷設(shè)，位于高鐵特大橋109號墩側(cè)。交叉處高鐵橋墩采用圓端形空心墩，108號墩高28.5 m，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，采用15根Φ1.8 m鉆孔樁，按柱樁設(shè)計；109號墩高30 m，采用15根Φ1.8 m鉆孔樁，按柱樁設(shè)計。下穿處橋墩及基礎(chǔ)尺寸參數(shù)見表1所示。

圖1 項目具體位置圖

表1 下穿處橋墩及基礎(chǔ)尺寸參數(shù)表(單位：m)

壓力污水管于里程K0+380附近與高鐵特大橋交匯，鐵路交叉里程為DK327+011.59。壓力污水管道中心標(biāo)高25.0 m，工作壓力0.1 MPa，為低壓管道，主管道采用d 1 020 mm×14 mm的焊接鋼管。

新建給水管道采用d 325 mm×10 mm的焊接鋼管，與壓力污水管并行敷設(shè)，其管道中心與壓力污水管中心的間距為1.35 m。給水管道中心標(biāo)高24.65 m，工作壓力均不高于0.4 MPa。給水管中心線距109號墩承臺最小距離3.31 m。

架空管道結(jié)構(gòu)(管架橋)：管架橋跨度為(7+17+4×19.5+17+6.5) m，全長125.5 m，寬度2.5 m，采用1.0 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，如表1所示。承臺尺寸2 m×4.5 m×0.8 m(寬×長×高)，樁間距2.5 m。最近管架橋基礎(chǔ)距高鐵特大橋109號墩的樁間距為5.46 m。其中，管架橋水中鉆孔樁基礎(chǔ)采用拋填片石筑島施工方案，已完成筑島。新建工程與橋墩基礎(chǔ)相對位置關(guān)系圖，如圖2所示。

圖2 新建工程與橋墩基礎(chǔ)相對位置關(guān)系圖(單位：m)

1.2 場地環(huán)境條件及地質(zhì)條件

工程位于沿江沖積平原區(qū)及沖積崗地區(qū)，地形起伏不大。工程范圍內(nèi)地層情況及地質(zhì)巖土物理力學(xué)性質(zhì)見表2。

表2 地層情況及地質(zhì)巖土物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計表

2 有限元分析

2.1 有限元計算模型

根據(jù)工程相互關(guān)系，采用有限元分析軟件Midas-GTS進行模擬計算，在Midas-GTS中采用單元生死技術(shù)有效地模擬土體的開挖、場地施工情況。巖土的塑性本構(gòu)模型采取修正摩爾-庫倫模型，該模型可有效區(qū)別初次加載、卸載-再加載之間的剛度，符合土體特性，得到的計算結(jié)果，更接近實際施工監(jiān)測結(jié)果[7]。結(jié)合修正摩爾-庫倫模型特點，計算參數(shù)根據(jù)地勘報告進行確定，主要包含黏聚力、內(nèi)摩擦角、切線和割線模量以及卸載模量等，按照表2取值。

有限元計算采用三維空間模型，土體、既有公路橋、高鐵墩臺、管道橋樁基礎(chǔ)地面以上部分，樁基礎(chǔ)采用樁單元模擬，管架橋承臺等采用實體單元模擬。為了消除約束邊界對計算結(jié)果的影響，計算模型范圍均距離主體工程50 m以外的范圍，土體模型長寬高300 m×150 m×68 m。新建城市管道工程下穿高鐵特大橋107-110號橋墩基礎(chǔ)模型如圖3所示。

圖3 有限元計算模型圖

2.2 施工過程模擬

通過地質(zhì)條件的分析，對既有公路橋、新建管道、在建高鐵橋墩及土層建立三維實體有限元模型進行數(shù)值模擬計算，主要的計算過程簡化如下：

2.2.1 初始應(yīng)力場的模擬

本工程的數(shù)值模擬不同于其他結(jié)構(gòu)工程，由于項目周圍土體天然沉積，存在多年豎向位移和初始應(yīng)力場，計算前需進行土體初始地應(yīng)力場的平衡。通常做法是先計算土體在自重作用下產(chǎn)生的初始位移，再在后續(xù)計算中減除，得出實際位移值。此方法存在一定的不足，主要是因為土體材料剛度較小，在自重作用下會產(chǎn)生較大的位移，模擬開挖過程時采取單元激活和殺死，會出現(xiàn)位移變化不協(xié)調(diào)，造成計算結(jié)果不收斂。

Midas-GTS軟件能根據(jù)實際土體數(shù)據(jù)計算重力作用下的應(yīng)力場，并將該應(yīng)力場定義成初始應(yīng)力場，與土體上部重力荷載一起加載到原始模型，能得到既滿足平衡條件又不違背屈服準(zhǔn)則的初始應(yīng)力場，可以保證各節(jié)點的初始位移近似為0[8]。

2.2.2 邊界條件

計算時將邊界約束條件施加在土體上，在有限元模型的底面、側(cè)面分別限制豎向位移和水平向位移。

2.2.3 計算荷載

計算荷載主要考慮以下幾種：①土體自重；②安九高鐵橋梁自重；③安九高鐵橋梁二期恒載；④既有公路橋自重；⑤筑島土方自重；⑥管架橋自重、施工支架自重；⑦管道自重；⑧強電、通信排管溝自重。

2.2.4 施工過程模擬

計算是通過單元的生死技術(shù)來模擬場地開挖時應(yīng)力釋放過程，根據(jù)模型施工流程，在數(shù)值模擬中劃分多個施工階段進行模擬[9]，再根據(jù)施工階段的主要任務(wù)進行單元移除和激活。模擬具體施工階段詳見表3所示。

表3 計算施工階段

3 計算分析

計算采用6組工況進行分析，分別為：既有公路橋與在建高鐵特大橋初始地應(yīng)力平衡狀態(tài)(工況1)；線路一側(cè)筑島施工滿鋪荷載(工況2)；管架橋樁基施工、搭設(shè)支架承臺及上部結(jié)構(gòu)施工集中荷載(工況3)；管架橋上安裝管道均布荷載(工況4)；強電、通信排管施工及支架拆除施工荷載(工況5)；管道過水運營均布荷載(工況6)。

文章中符號規(guī)定如下：(1)豎向位移負值為向下變形；(2)縱橋向水平位移負值是從鐵路大里程向小里程方向變形；(3)橫橋向位移負值為從鐵路小里程向大里程方向右手側(cè)變形。

為了研究新建管道工程對高鐵橋墩基礎(chǔ)的位移影響，通過數(shù)據(jù)提取，橋墩在各工況下高鐵橋墩位移云圖如圖4、圖5所示。根據(jù)有限元計算結(jié)果，其中107號橋墩在各種工況下豎向、縱向、橫向位移均為0.000 mm，該橋墩距離施工作業(yè)點較遠，橋墩未受到施工影響。110號橋墩在各種工況下豎向位移為0.000 mm，縱向位移為0.006 mm，橫向位移為-0.002 mm，該橋墩距離施工點超過7 m，產(chǎn)生的縱向與橫向位移可以忽略。位移主要產(chǎn)生在108號、109號橋墩。

3.1 高鐵橋墩附加豎向位移

圖5 某高鐵特大橋107號-110號橋墩墩頂豎向位移圖

通過圖4、圖5橋墩基礎(chǔ)的附加豎向位移數(shù)據(jù)可知，108號橋墩豎向位移為0 mm,109號橋在各工況下豎向位移為-0.057 mm～-0.059 mm，主要發(fā)生在管架橋施工和管道安裝階段。分析橋墩基礎(chǔ)與管網(wǎng)之間的空間關(guān)系，108號橋墩附近管道主要沿既有公路橋體設(shè)置，109號橋墩距離鋼結(jié)構(gòu)管架橋平面距離較近，受到管架橋鋼梁架設(shè)、橫向連接安裝等擾動因素的影響，出現(xiàn)豎向位移，但均在規(guī)范限制以內(nèi)。

3.2 高鐵橋墩縱向位移

圖6 某高鐵特大橋橋墩在各工況下縱向位移云圖

圖7 某高鐵特大橋107號-110號橋墩墩頂縱向位移圖

由圖6、圖7可以看出：108號橋墩附加縱向位移為-0.003 mm～-0.004 mm,109號橋墩附加縱向位移為-0.160 mm～-0.171 mm，對比發(fā)現(xiàn)109號橋墩縱向位移較大，最大值為-0.171 mm，發(fā)生在管道安裝階段。在管道正常過水運營階段，架體承受管道內(nèi)水體重力和各方向流體壓力荷載，對架體周圍土層產(chǎn)生較大荷載，影響高鐵橋墩的縱向變形。

3.3 高鐵橋墩橫向位移

圖8 某高鐵特大橋橋墩在各工況下橫向位移云圖

圖9 某高鐵特大橋107號-110號橋墩墩頂橫向位移圖

在附加橫向位移方面，108號橋墩橫向位移為0 mm,109號橋墩附加橫向位移為-0.082 mm～-0.084 mm，也發(fā)生在管道安裝階段，位移幅度不大。由于大橋橋墩基礎(chǔ)采用了較大尺寸的承臺和較長的柱樁基礎(chǔ)，108號、109號橋墩承臺達10.6 m×18.2 m×4.0 m，樁徑為1.8 m，樁長從12 m～19.5 m不等，有效地將各工況下的橫向荷載傳遞至更深土層，使橫向位移在規(guī)范限值范圍內(nèi)。

4 結(jié)論與建議

文章以新建管道下穿某高鐵特大橋的橋墩為研究對象，借助有限元計算在位置關(guān)系、地層條件、不同施工階段等因素橋墩的位移，得出如下結(jié)論與建議措施：

(1)本工程下穿施工期間，對于107號、108號、110號橋墩幾乎沒有影響；而109號墩處受到的影響相對較大，其原因是管架橋離109號橋墩較近，因此，新建工程施工及運營時對于橋墩產(chǎn)生影響在所難免。但總的來說，即便是受影響最大的109號墩產(chǎn)生的最大變形也只有0.171 mm，基本可以忽略不計，滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》(TB 10182-2017)[10]中的規(guī)范限值要求，主要原因是下穿處107號-110號墩基礎(chǔ)采用的是柱樁形式。

(2) 對于位于安九高鐵特大橋108號墩側(cè)的強電排管和109號墩側(cè)的通信排管，因設(shè)置于既有公路橋上的人行道下方，其施工及運營均對高鐵幾乎無影響。

(3) 本工程下穿高鐵特大橋107號-110號橋墩基礎(chǔ)施工運營產(chǎn)生的風(fēng)險等級在可控制區(qū)間以內(nèi)，因此本項目設(shè)計方案總體合理，滿足本次安全評估要求，設(shè)計、施工方案可行。

(4) 施工過程存在不可預(yù)知、控制因素，因此，施工過程必須對高鐵特大橋107號-110號橋墩基礎(chǔ)加強進行監(jiān)測。建議研究制定詳細的監(jiān)測方案提出合理的監(jiān)測控制指標(biāo)，加強施工前期的既有數(shù)據(jù)收集和采集，并將監(jiān)測工作適當(dāng)延伸到工程竣工后。對于施工期間內(nèi)的監(jiān)控工作應(yīng)建立及時充分的安全信息交流與共享體系，依托預(yù)警體系形成安全聯(lián)動機制。