王 浩 蒋广胜 王崇旭

(1.北方工业大学土木工程学院，北京 100144； 2.济南铁路局涉铁办，山东 济南 250000)

0 引言

2020年年底，我国高铁营业里程将近4万km，占世界高铁里程的2/3[1]。随着高铁的发展，越来越多的下穿高铁的工程开始出现，在施工过程中会对高铁桥梁产生扰动，严重时将会影响高铁的正常运营[2]。在顶管施工的过程中，掘进机的推进使周围土体产生位移，从而发生卸荷或加载等复杂的力学行为，使其应力状态发生改变，因此为了确保高铁的运营安全，需要对施工产生的桥墩变形加以监测与分析[3]。

1 工程概况

“引邱入城”引水管线防护涵于津秦高铁北营陡河1号特大桥37号墩～38号墩间穿过，交叉里程为K151+737.3，交角为47.3°。

桥梁上部结构为60 m+100 m+60 m双线连续箱梁，桥墩形式为双线圆端型实体桥墩，基础均采用钻孔灌注桩基础，桥下净空为11.28 m。

本工程采用微型盾构法施工，共顶进43管节，顶程为129 m。防护涵采用外径2.35 m预制混凝土管，最小埋深5.50 m，防护涵选用φ 1950-T8-S铁路顶管。接口采用双插口接口，密封胶应粘结在钢套环上，与管材配套供应。顶管内直径1 950 mm，壁厚200 mm，每节管长度3 000 mm。

2 分析过程

2.1 影响机理

在施工时可以将周围土体划为七个主要的扰动分区，如图1，图2所示。顶管施工中掘进机对土体的扰动会通过向前运动产生的附加应力对土体产生作用[4]。各个扰动分区范围内土体应力应变状态不同，受到的影响也不同。

掘进机顶端的倾角约为(45°-φ/2)，同被动土压力角；侧方卸荷扰动区③与固结区⑦边线倾角与掘进机外壁夹角为(45°+φ/2)，如图2所示。其中，φ为土的内摩擦角。

周围土体在同一水平面上的变形是呈正态分布的，其中受扰动范围内的②③区是产生沉降的主要区域，且管节水平距离最小的位置竖向变形最大[5]，而④区的应力状态几乎保持不变。除此之外，顶管周围受影响土体的土压力、孔隙水压力和地下水位都会改变，但本工程这方面受影响较小，因此只考虑顶管周围土体的变形。

2.2 数值模拟

为了保证施工过程中顶管两侧高铁桥墩的变形在安全范围内，采用有限元软件MIDAS-GTS进行有限元分析。

2.2.1 现场土层划分

施工地点位于唐山市丰润区，主要土层为粉质黏土、粉土、细砂和圆砾等地层，最上层有0.6 m厚的素填土层。顶管从37号，38号桥墩之间穿过，与37号、38号桥墩的顺桥向距离分别为12.99 m和10.56 m，顶管所在土层为粉质黏土层。

2.2.2 建立模型

图3为施加完自重与边界条件的模型概况。为保证精度，整个模型采用了4 249个单元，4 224个节点。

模型选用的本构模型为修正摩尔—库仑模型，相比于传统的摩尔—库仑模型，在加载和卸荷方面的区分更为清晰。

施工阶段的模拟计算选用的是LDF荷载释放系数为0.3和0.7，土层参数根据已有地质资料并结合以往数值计算经验进行取值。

2.2.3 计算分析

计算得到的变形曲线如图4，图5所示。

由图4可以看出施工中38号桥墩的竖向变形较大。由图5可以看出由于顶管施工造成的水平变形较竖向变形而言更明显。计算结果为37号桥墩位移是0.27 mm，38号桥墩水平变形是0.39 mm。由于38号桥墩距离顶管的距离较近，38号桥墩的两种变形均比37号桥墩变形要大。

3 监测方案

方案采取的大地监测法主要利用桥墩的测边角与水准网，对桥墩的变形情况进行分析。

在对津秦高铁进行现场监测过程中，关键的测量目标就是事先设置好的基准点间的角度与水平距离[6]，当监测得到所需的基准点坐标后，就可以凭借着监测数据计算出桥墩监测点发生的沉降与水平变形情况，进而判断桥墩的变形情况是否处于正常的范围内，从而采取相应措施。

施工过程中对津秦高速铁路北营陡河1号特大桥的4个桥墩(36号～39号桥墩)进行监测。墩身处垂直线路两侧各布置一个测点，共计8个监测点；施工影响范围外的2个桥墩(34号墩，41号墩)各布设2个监测基点，合计12个测点。

图6是大地测量法变形监测数据处理系统结构示意图，在正式顶进管节前就先通过外业监测一段时间施工影响范围内津秦高铁北营陡河1号特大桥桥墩的变形，建立监测点数据库，给施工过程中的监测结果提供可靠的对照组数据。

3.1 沉降监测点的布设

根据数值计算的结果可知，顶管两侧的桥墩变形在安全范围内，因此只需要对影响范围内的津秦高速铁路北营陡河1号特大桥的4个桥墩的(36号～39号桥墩)进行沉降和水平变形监测。沉降监测时在墩身处垂直线路两侧各布置一个测点；水平变形监测时在每个桥墩墩顶布设2个水平观测点。施工影响范围外的34号墩、41号墩各布设2个监测基点，共12个测点，测点布置于墩身距离地面2 m以下。

3.2 观测方法

通过距离检核后，在如图7中KZ1，KZ2，KZ3，KZ4处用多测回[7]测角的方法进行观测，采用平差软件计算各监测点的平面坐标，两次观测后根据坐标差值计算出该点的倾斜变化量。监测采用不等距几何水准测量方法进行观测。

3.3 监测频率

施工前监测一周，将监测标布置完成，开始获取人工监测的桥墩观测值；重点工程施工阶段监测20 d；施工后继续监测30 d；整个监测周期持续2个月。

所有监测项目的监测频次如表1所示。

表1 监测频次表

3.4 规范限制及预警值

本工程在施工过程中，高铁正常运营，未进行限速设置，且是有砟轨道，因此桥梁墩台位移限值为3.0 mm。

JGJ 8—2007建筑变形测量规范规定，一项工程的预警值分级不宜多，傅志峰等[8]将安全预警级别分为“红色、橙色和黄色”3个等级。本监测项目对桥墩的监测按三级预警值进行预警，对监测结果按照蓝色、黄色和红色三级预警进行控制，分别根据Δ规范×50%，Δ规范×70%,Δ规范×80%确定[9]。具体沉降预警值如表2所示。

表2 桥墩沉降预警值 mm

4 监测结果

4.1 数据处理

现场监测数据采集完成后，对观测数据进行传输整理，计算出各点每次测量的高程，主要可得到：

1)本次沉降量：dhi=hi-hi-1；2)累计沉降量：Dh=(hi-h0)=∑dhi；3)沉降速率：V(mm/d)=Dh/累计天数。

4.2 监测结果分析

监测时程及断面曲线如图8，图9所示。由变形曲线可知，沉降量以及水平变形量最大的桥墩是距离防护涵最近的37号桥墩。最大累计沉降量是0.62 mm；最大累计水平变形量为0.23 mm。

5 结语

本文通过分析顶管工程施工过程中对周围土体的影响，结合实际工程的监测数据，可以得出以下结论：

1)所有测点中变形量最大的是38号桥墩测点JQC38-01和JQC38-02，最大沉降为0.62 mm，最大水平变形量为0.23 mm。

2)在施工结束后30 d内，桥墩的变形值仍在持续变化，说明施工完成时，顶管周围土体的应力状态并未稳定，需要一定时间进行恢复。

3)监测结果与数值模拟结果相差不大，均在安全范围内，监测方案适合本工程的实际情况，可以为类似工程提供借鉴。