徐可文 （安徽省綜合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230001）

0 前言

高速鐵路的發(fā)展對(duì)居民的出行方式、次數(shù)、距離等產(chǎn)生了重大影響，尤其對(duì)地面交通網(wǎng)的改善作用明顯，在經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保等方面也具有明顯優(yōu)勢(shì)，可預(yù)見的未來一段時(shí)間內(nèi)，高速鐵路建設(shè)仍將穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展[1-2]。

鐵路尤其是高速鐵路的發(fā)展起步相對(duì)較晚，因此在高速鐵路設(shè)計(jì)選線的過程中不可避免地要與既有的道路、管線、建筑等發(fā)生交叉。高速鐵路建設(shè)施工、建設(shè)運(yùn)營(yíng)的整個(gè)周期內(nèi)，由于其大開挖、加載的作用對(duì)土體擾動(dòng)引起的既有建筑的變形，是必須進(jìn)行控制并進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，從而指導(dǎo)更合理安全的設(shè)計(jì)方案及施工順序、工藝，以保證整個(gè)工程項(xiàng)目的安全穩(wěn)定[3-5]。

本文以擬建的某高速鐵路跨越既有市政管線的工程項(xiàng)目為例，探討高速鐵路跨越處，相鄰鐵路橋墩施工的施工順序?qū)艿赖母郊幼冃蔚挠绊懬闆r，為鐵路橋墩施工的順序選擇提供一定的參考。

1 工程概況

研究的項(xiàng)目區(qū)域?yàn)槠皆?，高程變化起伏較小，地形地貌變化整體較簡(jiǎn)單。下穿點(diǎn)鐵路周邊以田地為主，地形平坦。場(chǎng)地內(nèi)主要分布有粉質(zhì)黏土、中砂、黏土、閃長(zhǎng)巖。擬建場(chǎng)區(qū)無不良地質(zhì)，僅見特殊巖土為膨脹土，具有膨脹性，具有吸水顯著膨脹軟化，失水急劇收縮開裂的特性。

穿越處高速鐵路為擬建雙線客運(yùn)專線，速度目標(biāo)值350km/h，軌道類型為CRTSI型雙塊式無砟軌道，跨區(qū)間無縫線路，正線線間距為5.0m，設(shè)計(jì)豎向荷載：“ZK活載”。

穿越處鐵路橋梁為32m簡(jiǎn)支梁箱梁，采用預(yù)制架設(shè)施工。橋墩為圓端型實(shí)體橋墩，其中103#墩高12m，104#墩高11.5m。墩臺(tái)基礎(chǔ)類型為樁基礎(chǔ)，最長(zhǎng)樁長(zhǎng)為43.5m摩擦樁，樁徑均為1.00m。

2 下穿設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過從方案內(nèi)容，投資大小，設(shè)計(jì)施工優(yōu)缺點(diǎn)等方面論證，確定該市政天然氣管線在下穿段范圍內(nèi)采用直埋加鋼筋混凝土護(hù)管涵防護(hù)方案。

護(hù)管涵尺寸采用1-2.6×2m，平面分9節(jié)布置，涵長(zhǎng)75.46m，涵身凈高2.0m，涵身凈寬2.6m，涵身頂板厚0.26m，底板厚0.28m，側(cè)板厚0.24m，護(hù)管涵主體部分采用C30鋼筋混凝土，涵內(nèi)管道鋪設(shè)后進(jìn)行充砂填實(shí)。

管涵基坑明挖坡度為1：1，基坑邊坡采用C20混凝土錨網(wǎng)噴防護(hù)，基坑底四周設(shè)排水溝，并設(shè)集水井抽水排出積水，基底墊層材料為20cm厚C30混凝土，其下設(shè)10cm厚碎石墊層。護(hù)管涵頂與地面垂直距離最大為1.9m，護(hù)管涵采用2cm沉降縫，沉降縫內(nèi)側(cè)填塞10cmM10水泥砂漿，中間填黏土，外側(cè)填塞5cm深瀝青浸制麻筋。

3 分析參數(shù)選取

根據(jù)地勘報(bào)告，場(chǎng)地內(nèi)主要分布有粉質(zhì)黏土、中砂、黏土、閃長(zhǎng)巖。管道下穿處<5-3-1>粉質(zhì)黏土層（Q4al+l）及下部各層巖性情況如下所述。

1.從生活出發(fā)，貼近生活，關(guān)注實(shí)際。對(duì)于商品來說，其不僅是一種生活元素，而且還是重要的文化載體。因此，商品包裝設(shè)計(jì)需要注重對(duì)產(chǎn)品本身的內(nèi)涵進(jìn)行挖掘。當(dāng)然，從內(nèi)涵的多樣性看，商品包含的內(nèi)容極為豐富，其中既有大眾認(rèn)同，也有消費(fèi)共識(shí)。所以，企業(yè)需要通過對(duì)商品價(jià)值的挖掘，選擇合適的生活視角，讓包裝趨于生活。

<5-3->粉質(zhì)黏土（Q4al+l）：灰褐色、褐灰色、黃褐色、灰色、褐黃色，硬塑，成分以黏粒為主，局部含腐殖質(zhì)，表層為耕植土，含植物根系。呈層狀分布，厚度0～5m，屬于Ⅱ級(jí)普通土。

<9-3-3>粉質(zhì)黏土（Q3asl）：黃褐色、褐黃色、棕黃色、灰褐色、棕紅色、青灰色，硬塑，成分以黏粒為主，含鐵錳氧化物、鐵錳結(jié)核、鈣質(zhì)結(jié)核及姜石，一般粒徑2～20mm，局部含青灰色條帶。呈層狀分布，厚度0～10m，屬于Ⅱ級(jí)普通土。

<10-7-4>中砂（Q2）：黃褐色、褐黃色、灰黃色、淺灰黃色，飽和，中密，含少量云母、黏性土及礫石，黏粒含量約7%，礫石一般粒徑5～10mm。呈層狀分布，屬于1級(jí)松土。

<11-3-2>黏土：黃褐色，灰褐色、棕紅色，可塑-硬塑狀，粘聚力高。

<18-1>強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉細(xì)砂巖：密實(shí)，巖體裂隙發(fā)育，原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造模糊不清。巖芯破碎呈塊狀、砂土狀，巖芯手掰易碎。

巖土及主要材料參數(shù)見表1[6-8]。

4 荷載參數(shù)

①根據(jù)施工設(shè)計(jì)資料確定該鐵路為客運(yùn)專線，設(shè)計(jì)活載是ZK活載，恒載依據(jù)《時(shí)速350公里高速鐵路預(yù)制無砟軌道后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁》（通橋（2016）2322A系列梁圖）確定，綜合確定103#墩～104#墩處32m跨度的簡(jiǎn)支梁橋橋墩的支座反力為5500kN。

②結(jié)合設(shè)計(jì)資料及對(duì)接資料，鐵路施工階段施工便道上采用公路-Ⅰ級(jí)荷載，根據(jù)最新版規(guī)范《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60-2015），橋梁結(jié)構(gòu)的局部加載、涵洞、橋臺(tái)和擋土墻土壓力等的計(jì)算采用車輛荷載，參考數(shù)據(jù)及布置如表2所示。

5 計(jì)算分析

巖土工程分析就是用簡(jiǎn)化的物理模型去描述復(fù)雜的工程問題，再將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題并用數(shù)學(xué)方法求解。一般是將巖土材料進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立力學(xué)模型分析，一般包括運(yùn)動(dòng)微分方程式(包括動(dòng)力和靜力分析兩大類)，連續(xù)方程及本構(gòu)方程等。

巖土層及主要結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)建議值 表1

5.1 計(jì)算原理及本構(gòu)選擇介紹

摩爾庫(kù)倫定理是土力學(xué)的經(jīng)典理論，理論揭示材料的強(qiáng)度與破壞關(guān)系，理論認(rèn)為作用于平面上的正應(yīng)力影響材料的抗剪強(qiáng)度，該平面上剪應(yīng)力-正應(yīng)力的最危險(xiǎn)組合最終引起材料的破壞變形。

這一理論模型在工程設(shè)計(jì)行業(yè)中使用廣泛，并在各類工程實(shí)際中得到驗(yàn)證和完善，具有試驗(yàn)參數(shù)易獲得、土體強(qiáng)度效果良好、理論技術(shù)均成熟可靠的優(yōu)點(diǎn)。

線彈性模型是巖土工程設(shè)計(jì)中對(duì)于一般彈性材料常采用的本構(gòu)模型，其參數(shù)簡(jiǎn)單易取，且使用成熟，缺點(diǎn)是本構(gòu)簡(jiǎn)單未考慮屈服定義，不適用于土體模型，對(duì)于混凝土及鋼材等材料強(qiáng)度較大的材料具有較好的模擬效果[9-13]。

結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際及工程經(jīng)驗(yàn)，本次模擬模型中各土層采用各向同性-摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)，混凝土及碎石等材料采用彈性模型。

5.2 模型建立

選取長(zhǎng)120m、寬100m、高60m的巖土體為研究范圍，采用數(shù)值模擬軟件建立巖土分析模型，如圖1所示。

圖1 影響性分析模型

模型邊界進(jìn)行自由邊界約束，其中鐵路樁基采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，為了模擬樁土接觸關(guān)系，添加樁界面及樁端單元，施工開挖土體采用鈍化單元進(jìn)行模擬，地面以下的橋墩及承臺(tái)采用改變屬性的邊界條件進(jìn)行模擬。

車輛荷載的主要技術(shù)指標(biāo) 表2

雙側(cè)同時(shí)施工各方向位移變形量 表3

單側(cè)順序施工各方向位移變形量 表4

5.3 分析階段及工況設(shè)定

數(shù)值分析共設(shè)置初始應(yīng)力狀態(tài)—管道基坑開挖—管道及防護(hù)施工—管道基坑回填及位移清零幾個(gè)階段，位移清零之后依據(jù)工況設(shè)定進(jìn)行橋墩施工的不同方案的模擬分析。

工況一：雙側(cè)橋墩同時(shí)進(jìn)行開挖、回填，施作橋墩樁基、承臺(tái)、橋墩，并施加橋梁上部荷載及運(yùn)營(yíng)階段活載。

工況二：?jiǎn)蝹?cè)橋墩先進(jìn)行開挖、回填及施工后施作樁基、承臺(tái)、橋墩完成后，再進(jìn)行另一側(cè)橋墩挖施工，最后施加橋梁上部荷載及運(yùn)營(yíng)階段活載。

6 分析結(jié)果

分析研究范圍內(nèi)管道位移在鐵路施工不同工況下的結(jié)果如下：

依據(jù)分析結(jié)果，雙側(cè)同時(shí)施工模型中各階段的位移變形結(jié)果如表3所示；

單側(cè)順序施工模型中各階段的位移變形結(jié)果如表4所示。

分析結(jié)果表明：兩側(cè)同時(shí)開挖施工相比于單側(cè)順序開挖施工在管線垂直方向上及沿管線方向上位移量Tx，Ty較小，兩種模型中Tx最大值分別為0.275mm，0.726mm，最大位移差約2.5倍，Ty最大值分別為-0.193mm，-0.146mm，最大位移差約1.3倍，而在豎直方向上，兩側(cè)同時(shí)開挖施工相比于單側(cè)順序開挖施工在管線垂直方向上位移量Tz較大，兩種模型中Tz最大值分別為9.653mm，6.845mm，最大位移差約1.4倍。

結(jié)合分析對(duì)象，本次參考輸氣管道及鐵路橋涵相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)控制。

《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50251-2015）第5.1.4條輸氣管道徑向穩(wěn)定校核應(yīng)按下列公式進(jìn)行計(jì)算。

Δx≤0.03D

式中：Δx——鋼管水平方向最大變形量（m）；D——鋼管外徑（m）

本項(xiàng)目輸氣管道管徑D為1.016m，即△x應(yīng)小于3.048cm。

《鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（TB 10415-2018）要求護(hù)管涵洞允許偏差應(yīng)符合翼墻距設(shè)計(jì)中心線位置規(guī)定值或允許偏差不大于20 mm規(guī)定[14-15]。

結(jié)合分析結(jié)果該項(xiàng)目鐵路施工過程中，加荷卸荷過程影響原已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的土體，導(dǎo)致既有管線發(fā)生相應(yīng)位移，最大位移均為豎向位移，且變形量均小于規(guī)范要求標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)比分析結(jié)果顯示水平位移方向上，兩側(cè)對(duì)稱施工開挖回填，相對(duì)于單側(cè)施工開挖整體位移量較小，尤其是沿管線垂直方向上單側(cè)施工模型的水平位移明顯大于雙側(cè)施工模型。兩側(cè)對(duì)稱進(jìn)行開挖及加載，涵、管兩側(cè)應(yīng)力變化相對(duì)平衡一致，引起的位移變形較小。

豎直方向上，兩側(cè)對(duì)稱施工開挖回填，相對(duì)于單側(cè)施工開挖整體位移量較大，且主要位移發(fā)生在承臺(tái)開挖階段。

7 結(jié)語

下穿鐵路方案設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行安全穩(wěn)定性分析，對(duì)設(shè)計(jì)方案施工過程對(duì)鐵路橋墩的影響以及鐵路施工對(duì)既有重要工程的安全穩(wěn)定均應(yīng)進(jìn)行定性分析，選擇最適宜的設(shè)計(jì)方案。結(jié)合本次分析結(jié)果兩側(cè)對(duì)稱施工方案，有利于減少受擾動(dòng)管線在水平方向上的位移變形，而單側(cè)順序施工方案有利于減少受擾動(dòng)管線在豎直方向上位移變形。對(duì)于鐵路、市政燃?xì)夤芫€此類對(duì)位移變形敏感的工程項(xiàng)目，應(yīng)結(jié)合受擾動(dòng)建筑物對(duì)不同方向位移的要求，選擇合適的施工順序方案。