顶管下穿既有铁路桥梁针对铁路的影响分析

顶管下穿既有铁路桥梁针对铁路的影响分析摘要：本文针对顶管下穿既有铁路桥梁，采用Midas/GTS有限元软件进行分析，对顶管工程下穿既有铁路桥梁的施工过程进行模拟，重点研究分析铁路因顶管施工引起的位移变形是否满足铁路相关规范规定要求，为相似的项目提供参考关键词：顶管；既有铁路桥梁；有限元软件模拟引言铁路桥梁结构会由于地基的变形及内部应力、外部荷载的变化而产生结构变形和沉降。顶管下穿既有铁路桥梁会对铁路桥墩承台桩基附近的土体有一定的扰动，正是引起地基变形的主要原因。如果桥梁结构变形和沉降超过允许值，将会对铁路的运营安全造成影响。根据《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》TB10182-2017中第10.0.7条，“管线宜采用非开挖技术施工。管线直径大于等于0.8m时，宜采用顶管法施工……”。由此可知采用顶管法下穿铁路施工将会变得普遍，本文针对顶管下穿铁路桥梁的情况，对顶管施工采用Midas/GTS软件进行三维仿真模拟，可对施工过程中铁路桥梁产生的影响进行量化，为日后大量类似的项目提供参考。1顶管下穿既有铁路桥梁基本情况1.1顶管与既有铁路的相对关系D630X9钢管采用顶进施工方式下穿既有广佛环线城际铁路东平水道特大桥17、18号桥墩。管道中心线距离桥墩承台最小距离为31.4m；管道与铁路中心线夹角为86.7°。顶管覆土约为4.18m。

图2顶管与既有铁路的立面关系示意图铁路基本情况广佛环线城际铁路，是环绕于中国广东省广州市和佛山市的城际铁路，途经佛山市南海区、禅城区、顺德区及广州市番禺区、海珠区、天河区、白云区、花都区。广佛环线城际铁路的技术标准如下：铁路等级：城际铁路设计速度：200km/h正线数目：双线轨道类型：无砟轨道正线间距：4.2米

最小曲径：2200米（一般地段）、2000米（困难地段）最大坡度：30%o闭塞类型：自动闭塞牵引种类：电力2铁路位移控制值根据《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》TB10314-2021第3.0.15条，邻近施工安全监测范围、监测等级、监测方法、监测频率、监测预警值、报警值及控制值等可按高速铁路、普速铁路分类确定，城际铁路宜按高速铁路标准执行。根据《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》（TB10314-2021），高速铁路运营设备设施监测预警值、报警值和控制值按下表执行。表1铁路桥墩位移变形监测预警值、报警值和控制值速铁路桥墩监测（无砟轨道）竖向位移顶部、底部横线路水平位移累计量预警值速铁路桥墩监测（无砟轨道）竖向位移顶部、底部横线路水平位移累计量预警值±1.2mm±1.2mm累计量报警值±1.6mm±1.6mm累计量控

制值±2mm±2mm顶部、底部顺线路水±1±1±2平位移.2mm.6mmmm顶部、底部顺线路水±1±1±2平位移.2mm.6mmmm3有限元模拟分析顶管施工过程3.1模型概况模型尺寸为120mX120mX80m（长X宽X高）。模型X方向为管道顶进方向,Y方向为垂直管道方向，模型Z方向为竖直方向。模型中的桥墩、承台、顶管钝化土部分、工作井、接收井、土层均用实体单元模拟，桩基采用梁单元模拟，顶管结构部分采用板单元模拟，铁路上部结构部分则采用墩顶施加均布压力的方式进行简化。模型采用位移边界作为边界条件，除上表面为自由边界外，各外表面均约束法线方向的位移。图3图3整体模型示意图3.2边界条件假设模型处于弹性半无限空间中，因此模型边界变形约束为零。本模型的边界条件如下：模型顶面为自由面，无约束；模型底面每个方向均约束；模型四个侧面均只约束法向，其余方向自由无约束。

计算参数根据地质勘查资料，结合设计资料及相关规范，选取岩土的物理力学参数如下表所示：表2岩土体力学参数表3数值分析结构构件尺寸及力学参数

弹性容重（KN/m2）名称材料模量（MPa）泊松比C40钢筋混32500桥墩凝土0.226C40钢筋混32500承台凝土0.226桥梁桩C30钢筋混3000026基础凝土0.2顶管管Q235钢2000078.5壁00.3C30钢筋混30000井壁凝土0.226数值模拟过程有限元模型主要分析步骤设置如下：Stepl：赋予结构自重，施加边界约束，场地初始地应力平衡（位移清零）；Step2:铁路桩基、承台、桥墩的建立，施加墩顶均布荷载，桩底竖向转动约束。铁路相关内容为既有元素，故此处位移清零；

Step3：工作井及接收井开挖，并建立井结构;Step4:顶管从工作井顶进到接收井，按5m左右一节模拟顶进施工。图4Step1设置示意图图5Step2设置示意图图6Step3设置示意图图7Step4设置示意图4分析结果提取管道施工过程中广佛环线城际铁路桥墩墩顶最大位移计算结果如下表所示。表4施工过程中广佛环线城际铁路最大位移计算结果（mm）序施工工况水平X水平Y竖直号方向方向Z方向1工作井、接收井施工0.0160.0340.0153 9 6

234567890.0150.0340.015第一节顶管顶进3米8130.0320.014第二节顶管顶进5米0.015770.0140.013第三节顶管顶进5米30.03190.0130.0290.013第四节顶管顶进5米8110.0130.0260.012第五节顶管顶进5米5410.0130.0240.011第六节顶管顶进5米4120.0130.0210.010第七节顶管顶进5米9220.0140.0190.009第八节顶管顶进5米425

第九节顶管顶进5米0第九节顶管顶进5米01第十节顶管顶进5米11第十一节顶管顶进52米1第十二节顶管顶进33.55米0.0150.0170.0081490.01590.0160.00840.0160.0140.0086810.0170.0140.007129根据分析结果显示，施工过程中广佛环线城际铁路产生的位移远小于控制值2mm。结语通过模拟顶管施工，分析了顶管施工过程中对既有广佛环线城际铁路桥墩产生的影响，取得如下结论：广佛环线城际铁路桥墩墩顶X向最大水平位移为0.0171mm,小于限值2mm；Y向最大水平位移为0.0349mm，小于限值2mm；Z向最大竖直位移为0.0156mm,小于限值2mm。本项目顶管下穿广佛环线城际铁路桥梁的施工过程对既有铁路桥梁产生一定的影响,但影响有限,经计算和分析,广佛环线城际铁路桥梁的位移、沉降均可满足规范要求,认为方案是基本可行的。参考文献丁丽丽.顶管技术在市