張 磊

(河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院 石家莊市 050011)

0 引言

南水北調(diào)工程是解決我國(guó)北方水資源嚴(yán)重短缺的特大型基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，是未來(lái)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展和整個(gè)國(guó)土整治的關(guān)鍵性工程[1]，具有舉足輕重的地位，其他工程交叉南水北調(diào)配套工程應(yīng)對(duì)其造成的不利影響降到最低。

設(shè)立河北雄安新區(qū)是以習(xí)近平同志為核心的黨中央作出的一項(xiàng)重大歷史性戰(zhàn)略選擇，是千年大計(jì)、國(guó)家大事。

目前，雄安新區(qū)處于大規(guī)模建設(shè)期，大量在建及規(guī)劃工程與南水北調(diào)配套工程發(fā)生交叉。按照河北水務(wù)集團(tuán)《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(jì)及安全評(píng)價(jià)技術(shù)要求》，跨越工程下部結(jié)構(gòu)距南水北調(diào)配套工程外輪廓不得小于5m[2]。

依托河北雄安新區(qū)重點(diǎn)項(xiàng)目省道S333東延(S042至白溝站)工程，就橋梁施工運(yùn)營(yíng)全過(guò)程對(duì)南水北調(diào)配套輸水管道的不利影響[3]進(jìn)行數(shù)值仿真模擬分析，既對(duì)河北水務(wù)集團(tuán)《技術(shù)要求》中的距離要求進(jìn)行了理論驗(yàn)證，也在雄安新區(qū)常規(guī)地質(zhì)條件下，當(dāng)客觀條件受限不得不降低距離要求，減小橋長(zhǎng)有效降低工程造價(jià)時(shí)，提供了解決問(wèn)題的計(jì)算分析方法和理論支撐。

1 工程概況

河北雄安新區(qū)骨干路網(wǎng)項(xiàng)目省道S333東延(S042至白溝站)工程為雄安新區(qū)重點(diǎn)項(xiàng)目，采用雙向四車(chē)道一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，其在雄縣段以1-16m預(yù)制密排T梁橋一跨跨越南水北調(diào)配套工程保定市雄縣輸水管道。交叉位置處雄縣輸水管道輸水方式為有壓流，采用單排DN800球墨鑄鐵管，流量為0.49m3/s，管頂覆土為1.31m。

橋梁上部結(jié)構(gòu)采用16m密排T梁，梁高1.0m，單幅設(shè)置2片邊梁和7片中梁。下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式橋臺(tái)，樁基直徑1.2m。本工程豎向上橋梁下緣距離現(xiàn)狀地面的最小距離3.06m，距離管頂?shù)淖钚【嚯x4.37m，橫向上橋臺(tái)樁基距離雄縣輸水管道的最小距離為5.14m。

2 建設(shè)條件

(1)依據(jù)中共中央、國(guó)務(wù)院批復(fù)的《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》，本工程抗震設(shè)防基本烈度為8度，地震動(dòng)峰值加速度系數(shù)為0.30g，地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期為0.55s，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)。

(2)輸水管道埋深處為粉土。管線(xiàn)之下地層以粉砂、粉土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂為主。該處土質(zhì)地基承載力和壓縮模量均較高，土層變形量較小。

(3)地下水位埋深27.8m，地下水位年變化幅度約2m，可不考慮地基土液化問(wèn)題。

(4)季節(jié)性?xún)鐾翗?biāo)準(zhǔn)凍深為0.6m。

3 數(shù)值模擬分析

采用有限元分析軟件，分別對(duì)樁基施工[4]、臺(tái)后填土[5]以及車(chē)輛振動(dòng)荷載[6]等三方面對(duì)輸水管道的影響進(jìn)行計(jì)算分析。

3.1 樁基施工對(duì)輸水管道影響計(jì)算分析

3.1.1分析計(jì)算目標(biāo)

樁基開(kāi)挖及灌漿后輸水管道的水平位移、沉降值，樁基施工的相關(guān)合理建議。

3.1.2模型簡(jiǎn)介

本次計(jì)算采用二維有限元模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型見(jiàn)圖1。為簡(jiǎn)化計(jì)算，根據(jù)地勘報(bào)告，將性質(zhì)相近的土層歸為一層，共有七層土。其中，土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)，樁基、橋墩和橋梁梁體采用線(xiàn)彈性體模擬。樁基參數(shù)見(jiàn)表1所示。

圖1 計(jì)算模型

表1 樁基參數(shù)表

在綜合權(quán)衡考慮計(jì)算精度及計(jì)算時(shí)間后，根據(jù)設(shè)計(jì)資料，取左右兩側(cè)樁基與輸水管道間距為5m，樁間距為4.764m，樁長(zhǎng)為30m，考慮到相應(yīng)的影響范圍，向樁體外側(cè)取20m，樁端向下取5m。故模型整體尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=51.84m×4.764m×35m。

輸水管道位于土體正中，頂部距地面1.35m，截面為外徑0.842m的圓環(huán)；樁基為圓樁，左右各六根關(guān)于輸水管道對(duì)稱(chēng)布置，樁徑為1m，樁長(zhǎng)為30m，樁間距為4.764m。

模型以交叉點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以水管軸向向內(nèi)為Y軸正向，垂直水管向右為X軸正向，垂直地面為Z軸正向。

模型位移邊界條件：模型底部固定，頂部自由；模型左右兩端沿x方向固定，y、z方向自由；模型前后兩端沿y方向固定，x、z方向自由。

3.1.3施工順序

先施工輸水管道左側(cè)樁基，待灌注完成具有一定強(qiáng)度后施工右側(cè)樁基。樁基施工完畢后施工橋臺(tái)，施工吊裝預(yù)制混凝土梁上部結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)施工完畢后回填臺(tái)后填土，施工橋梁附屬結(jié)構(gòu)，最后通車(chē)運(yùn)營(yíng)。

3.1.4有限元計(jì)算步驟簡(jiǎn)介

(1)初始階段：生成模型，初始地應(yīng)力平衡。

(2)第一階段：左側(cè)樁基開(kāi)挖完畢。

(3)第二階段：左側(cè)樁基灌注完畢。

(4)第三階段：右側(cè)樁基開(kāi)挖完畢。

(5)第四階段：右側(cè)樁基灌注完畢。

3.1.5計(jì)算結(jié)果

(1)左側(cè)樁基開(kāi)挖階段管道頂部地面變形沉降計(jì)算，示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 左側(cè)樁基開(kāi)挖階段管道頂部地面變形示意圖

(2)后續(xù)共計(jì)11項(xiàng)計(jì)算結(jié)果，分別為：左側(cè)樁基開(kāi)挖階段管道頂點(diǎn)、底部變形沉降計(jì)算；左側(cè)樁基灌注混凝土完畢時(shí)管道頂部地面、管道頂點(diǎn)、管道底部變形沉降計(jì)算；右側(cè)樁基開(kāi)挖階段管道頂部地面、管道頂點(diǎn)、管道底部變形沉降計(jì)算；右側(cè)樁基灌注混凝土完畢時(shí)管道頂部地面、管道頂點(diǎn)、管道底部變形沉降計(jì)算。

(3)樁基施工階段管道變形沉降最大值計(jì)算結(jié)果匯總表見(jiàn)表2所示。

表2 樁基施工階段管道變形沉降最大值計(jì)算結(jié)果匯總表

3.1.6本工況主要計(jì)算結(jié)論

(1)橋梁樁基施工時(shí)，最大水平位移發(fā)生在管道頂部地面上，數(shù)值為-0.72mm；最大豎向位移發(fā)生在管道底點(diǎn)，數(shù)值為-4.10mm。

(2)上述最大位移和沉降值，滿(mǎn)足審查專(zhuān)家10mm以?xún)?nèi)的要求，對(duì)既有輸水管道的影響在可接受范圍內(nèi)。

3.2 臺(tái)后填土對(duì)輸水管道產(chǎn)生的影響

在計(jì)算樁基施工對(duì)輸水管道影響的模型基礎(chǔ)上，建立橋臺(tái)、橋梁上部結(jié)構(gòu)，并考慮臺(tái)后填土作用。分析計(jì)算臺(tái)后填土對(duì)輸水管道產(chǎn)生的影響。計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

圖3 計(jì)算模型

通過(guò)計(jì)算臺(tái)后填土作用下的管道頂部豎向位移、水平位移和管道底部豎向位移、水平位移，分析臺(tái)后填土對(duì)輸水管道的影響，見(jiàn)圖4。為精細(xì)化研究臺(tái)后填土對(duì)管道影響，將填土施工過(guò)程細(xì)化為3個(gè)施工過(guò)程狀態(tài)；其中，狀態(tài)1為初始狀態(tài)，狀態(tài)2為填土到路線(xiàn)設(shè)計(jì)高程一半高度狀態(tài)，狀態(tài)3為填土到路線(xiàn)設(shè)計(jì)高程狀態(tài)。

圖4 管道頂部、底部豎向水平位移示意圖

本工況主要計(jì)算結(jié)論：施工路堤、橋梁墩臺(tái)和梁體后，管道頂部豎向位移從0mm變化為-2.90mm，水平位移從0mm變化為-0.40mm。管道底部豎向位移從0mm變化為-2.80mm，水平位移從0mm變化為-0.45mm。最大位移和沉降值，滿(mǎn)足審查專(zhuān)家10mm以?xún)?nèi)的要求，對(duì)既有輸水管道的影響在可接受范圍內(nèi)。

3.3 車(chē)輛振動(dòng)荷載對(duì)輸水管道產(chǎn)生的影響

樁基剖面豎向位移圖見(jiàn)圖5，從圖5可知，施加車(chē)輛荷載以后，路堤沉降最大值為21.71mm，但是由于梁體和樁基的剛性支撐，沉降主要分布在路堤兩側(cè)，橋梁梁底即樁基內(nèi)側(cè)沉降并不大。

圖5 樁基剖面豎向位移圖

在分析計(jì)算臺(tái)后填土對(duì)輸水管道產(chǎn)生的影響模型的基礎(chǔ)上，施加車(chē)輛荷載，分析車(chē)輛振動(dòng)荷載對(duì)輸水管道產(chǎn)生的影響，見(jiàn)圖6。

圖6 管道頂部、底部豎向水平位移示意圖

施工路堤、橋梁墩臺(tái)和梁體工況與本工況累加后主要計(jì)算結(jié)論：加載車(chē)輛荷載后，管道頂部豎向位移從-2.90mm變化為-0.65mm，水平位移從-0.40mm變化為0.10mm；管道底部豎向位移從-2.80mm變化為-0.65mm，水平位移從-0.45mm變化為0.10mm。即管道向上抬升2.25mm，水平向右產(chǎn)生位移0.55mm。施加車(chē)輛荷載后，路堤兩端豎向位移大于橋梁梁體豎向位移，土體由兩端擠向中部，使得樁間土向上擠壓，因此管道出現(xiàn)上抬現(xiàn)象。兩個(gè)工況累加后，最大位移和沉降值滿(mǎn)足審查專(zhuān)家10mm以?xún)?nèi)的要求，對(duì)既有輸水管道的影響在可接受范圍內(nèi)。

4 結(jié)論與建議

綜上，施工橋梁樁基工況，管道豎向位移為-4.10mm，即產(chǎn)生沉降4.10mm；施工路堤、橋梁墩臺(tái)和梁體工況與加載車(chē)輛荷載工況累加，兩個(gè)階段管道累計(jì)豎向位移為-0.65mm，即產(chǎn)生累計(jì)沉降0.65mm。因此，所有施工工況過(guò)程累加后，管道的總累計(jì)豎向位移為-4.75mm，即產(chǎn)生總累計(jì)沉降4.75mm，總沉降量滿(mǎn)足審查專(zhuān)家的要求，滿(mǎn)足南水北調(diào)配套工程雄縣輸水管道的運(yùn)營(yíng)要求。

由此可見(jiàn)，在雄安新區(qū)的建設(shè)條件下，河北水務(wù)集團(tuán)《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(jì)及安全評(píng)價(jià)技術(shù)要求》中關(guān)于跨越工程下部結(jié)構(gòu)距南水北調(diào)配套工程外輪廓不得小于5m的要求，是合理的，既有效降低對(duì)管道運(yùn)營(yíng)的不利影響，又經(jīng)濟(jì)適用。同時(shí)，對(duì)于雄安新區(qū)后續(xù)跨越工程，當(dāng)客觀條件受限不得不降低距離要求，減小橋長(zhǎng)時(shí)，也為管道與樁基礎(chǔ)的最小距離計(jì)算分析提供了有效的方法和理論支撐。