徐可文 （安徽省综合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230001）

0 前言

高速铁路的发展对居民的出行方式、次数、距离等产生了重大影响，尤其对地面交通网的改善作用明显，在经济、节能、环保等方面也具有明显优势，可预见的未来一段时间内，高速铁路建设仍将稳定持续发展[1-2]。

铁路尤其是高速铁路的发展起步相对较晚，因此在高速铁路设计选线的过程中不可避免地要与既有的道路、管线、建筑等发生交叉。高速铁路建设施工、建设运营的整个周期内，由于其大开挖、加载的作用对土体扰动引起的既有建筑的变形，是必须进行控制并进行预测评价，从而指导更合理安全的设计方案及施工顺序、工艺，以保证整个工程项目的安全稳定[3-5]。

本文以拟建的某高速铁路跨越既有市政管线的工程项目为例，探讨高速铁路跨越处，相邻铁路桥墩施工的施工顺序对管道的附加变形的影响情况，为铁路桥墩施工的顺序选择提供一定的参考。

1 工程概况

研究的项目区域为平原，高程变化起伏较小，地形地貌变化整体较简单。下穿点铁路周边以田地为主，地形平坦。场地内主要分布有粉质黏土、中砂、黏土、闪长岩。拟建场区无不良地质，仅见特殊岩土为膨胀土，具有膨胀性，具有吸水显著膨胀软化，失水急剧收缩开裂的特性。

穿越处高速铁路为拟建双线客运专线，速度目标值350km/h，轨道类型为CRTSI型双块式无砟轨道，跨区间无缝线路，正线线间距为5.0m，设计竖向荷载：“ZK活载”。

穿越处铁路桥梁为32m简支梁箱梁，采用预制架设施工。桥墩为圆端型实体桥墩，其中103#墩高12m，104#墩高11.5m。墩台基础类型为桩基础，最长桩长为43.5m摩擦桩，桩径均为1.00m。

2 下穿设计方案

经过从方案内容，投资大小，设计施工优缺点等方面论证，确定该市政天然气管线在下穿段范围内采用直埋加钢筋混凝土护管涵防护方案。

护管涵尺寸采用1-2.6×2m，平面分9节布置，涵长75.46m，涵身净高2.0m，涵身净宽2.6m，涵身顶板厚0.26m，底板厚0.28m，侧板厚0.24m，护管涵主体部分采用C30钢筋混凝土，涵内管道铺设后进行充砂填实。

管涵基坑明挖坡度为1：1，基坑边坡采用C20混凝土锚网喷防护，基坑底四周设排水沟，并设集水井抽水排出积水，基底垫层材料为20cm厚C30混凝土，其下设10cm厚碎石垫层。护管涵顶与地面垂直距离最大为1.9m，护管涵采用2cm沉降缝，沉降缝内侧填塞10cmM10水泥砂浆，中间填黏土，外侧填塞5cm深沥青浸制麻筋。

3 分析参数选取

根据地勘报告，场地内主要分布有粉质黏土、中砂、黏土、闪长岩。管道下穿处<5-3-1>粉质黏土层（Q4al+l）及下部各层岩性情况如下所述。

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<5-3->粉质黏土（Q4al+l）：灰褐色、褐灰色、黄褐色、灰色、褐黄色，硬塑，成分以黏粒为主，局部含腐殖质，表层为耕植土，含植物根系。呈层状分布，厚度0～5m，属于Ⅱ级普通土。

<9-3-3>粉质黏土（Q3asl）：黄褐色、褐黄色、棕黄色、灰褐色、棕红色、青灰色，硬塑，成分以黏粒为主，含铁锰氧化物、铁锰结核、钙质结核及姜石，一般粒径2～20mm，局部含青灰色条带。呈层状分布，厚度0～10m，属于Ⅱ级普通土。

<10-7-4>中砂（Q2）：黄褐色、褐黄色、灰黄色、浅灰黄色，饱和，中密，含少量云母、黏性土及砾石，黏粒含量约7%，砾石一般粒径5～10mm。呈层状分布，属于1级松土。

<11-3-2>黏土：黄褐色，灰褐色、棕红色，可塑-硬塑状，粘聚力高。

<18-1>强风化泥质粉细砂岩：密实，岩体裂隙发育，原岩结构构造模糊不清。岩芯破碎呈块状、砂土状，岩芯手掰易碎。

岩土及主要材料参数见表1[6-8]。

4 荷载参数

①根据施工设计资料确定该铁路为客运专线，设计活载是ZK活载，恒载依据《时速350公里高速铁路预制无砟轨道后张法预应力混凝土简支箱梁》（通桥（2016）2322A系列梁图）确定，综合确定103#墩～104#墩处32m跨度的简支梁桥桥墩的支座反力为5500kN。

②结合设计资料及对接资料，铁路施工阶段施工便道上采用公路-Ⅰ级荷载，根据最新版规范《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015），桥梁结构的局部加载、涵洞、桥台和挡土墙土压力等的计算采用车辆荷载，参考数据及布置如表2所示。

5 计算分析

岩土工程分析就是用简化的物理模型去描述复杂的工程问题，再将其转化为数学问题并用数学方法求解。一般是将岩土材料进行简化，建立力学模型分析，一般包括运动微分方程式(包括动力和静力分析两大类)，连续方程及本构方程等。

岩土层及主要结构力学参数建议值 表1

5.1 计算原理及本构选择介绍

摩尔库伦定理是土力学的经典理论，理论揭示材料的强度与破坏关系，理论认为作用于平面上的正应力影响材料的抗剪强度，该平面上剪应力-正应力的最危险组合最终引起材料的破坏变形。

这一理论模型在工程设计行业中使用广泛，并在各类工程实际中得到验证和完善，具有试验参数易获得、土体强度效果良好、理论技术均成熟可靠的优点。

线弹性模型是岩土工程设计中对于一般弹性材料常采用的本构模型，其参数简单易取，且使用成熟，缺点是本构简单未考虑屈服定义，不适用于土体模型，对于混凝土及钢材等材料强度较大的材料具有较好的模拟效果[9-13]。

结合项目实际及工程经验，本次模拟模型中各土层采用各向同性-摩尔-库伦本构，混凝土及碎石等材料采用弹性模型。

5.2 模型建立

选取长120m、宽100m、高60m的岩土体为研究范围，采用数值模拟软件建立岩土分析模型，如图1所示。

图1 影响性分析模型

模型边界进行自由边界约束，其中铁路桩基采用梁单元进行模拟，为了模拟桩土接触关系，添加桩界面及桩端单元，施工开挖土体采用钝化单元进行模拟，地面以下的桥墩及承台采用改变属性的边界条件进行模拟。

车辆荷载的主要技术指标 表2

双侧同时施工各方向位移变形量 表3

单侧顺序施工各方向位移变形量 表4

5.3 分析阶段及工况设定

数值分析共设置初始应力状态—管道基坑开挖—管道及防护施工—管道基坑回填及位移清零几个阶段，位移清零之后依据工况设定进行桥墩施工的不同方案的模拟分析。

工况一：双侧桥墩同时进行开挖、回填，施作桥墩桩基、承台、桥墩，并施加桥梁上部荷载及运营阶段活载。

工况二：单侧桥墩先进行开挖、回填及施工后施作桩基、承台、桥墩完成后，再进行另一侧桥墩挖施工，最后施加桥梁上部荷载及运营阶段活载。

6 分析结果

分析研究范围内管道位移在铁路施工不同工况下的结果如下：

依据分析结果，双侧同时施工模型中各阶段的位移变形结果如表3所示；

单侧顺序施工模型中各阶段的位移变形结果如表4所示。

分析结果表明：两侧同时开挖施工相比于单侧顺序开挖施工在管线垂直方向上及沿管线方向上位移量Tx，Ty较小，两种模型中Tx最大值分别为0.275mm，0.726mm，最大位移差约2.5倍，Ty最大值分别为-0.193mm，-0.146mm，最大位移差约1.3倍，而在竖直方向上，两侧同时开挖施工相比于单侧顺序开挖施工在管线垂直方向上位移量Tz较大，两种模型中Tz最大值分别为9.653mm，6.845mm，最大位移差约1.4倍。

结合分析对象，本次参考输气管道及铁路桥涵相关设计规范进行标准控制。

《输气管道工程设计规范》（GB50251-2015）第5.1.4条输气管道径向稳定校核应按下列公式进行计算。

Δx≤0.03D

式中：Δx——钢管水平方向最大变形量（m）；D——钢管外径（m）

本项目输气管道管径D为1.016m，即△x应小于3.048cm。

《铁路桥涵工程施工质量验收标准》（TB 10415-2018）要求护管涵洞允许偏差应符合翼墙距设计中心线位置规定值或允许偏差不大于20 mm规定[14-15]。

结合分析结果该项目铁路施工过程中，加荷卸荷过程影响原已经达到平衡状态的土体，导致既有管线发生相应位移，最大位移均为竖向位移，且变形量均小于规范要求标准。

对比分析结果显示水平位移方向上，两侧对称施工开挖回填，相对于单侧施工开挖整体位移量较小，尤其是沿管线垂直方向上单侧施工模型的水平位移明显大于双侧施工模型。两侧对称进行开挖及加载，涵、管两侧应力变化相对平衡一致，引起的位移变形较小。

竖直方向上，两侧对称施工开挖回填，相对于单侧施工开挖整体位移量较大，且主要位移发生在承台开挖阶段。

7 结语

下穿铁路方案设计中应进行安全稳定性分析，对设计方案施工过程对铁路桥墩的影响以及铁路施工对既有重要工程的安全稳定均应进行定性分析，选择最适宜的设计方案。结合本次分析结果两侧对称施工方案，有利于减少受扰动管线在水平方向上的位移变形，而单侧顺序施工方案有利于减少受扰动管线在竖直方向上位移变形。对于铁路、市政燃气管线此类对位移变形敏感的工程项目，应结合受扰动建筑物对不同方向位移的要求，选择合适的施工顺序方案。