頂管井深基坑近接高架橋樁施工影響及參數(shù)優(yōu)化研究

劉家均

(芷江縣交通運(yùn)輸局 農(nóng)村公路建設(shè)管理辦公室， 湖南 懷化 419100)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城市地下管道需求量越來(lái)越大。頂管作為一種非開(kāi)挖方法在管道工程中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，且規(guī)模越來(lái)越大，為了解決頂管接收與始發(fā)的地下作業(yè)空間需求，頂管工作井在頂管施工中起到至關(guān)重要作用。受城市空間條件限制，頂管井所處的環(huán)境一般較復(fù)雜，往往會(huì)遇到頂管井基坑近接高架橋梁樁基施工情況?；泳嚯x橋梁樁基較近，開(kāi)挖時(shí)對(duì)周邊地層及橋梁結(jié)構(gòu)擾動(dòng)較大，為了減小頂管井基坑施工對(duì)周邊橋梁的不利影響，需準(zhǔn)確掌握基坑施工擾動(dòng)效應(yīng)，并采取可靠控制措施，因此研究頂管井基坑擾動(dòng)效應(yīng)規(guī)律及其控制措施具有重要意義。目前許多學(xué)者對(duì)頂管基坑近接橋梁樁基進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了一定成果，但研究?jī)?nèi)容主要集中在頂管井設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題分析[1-5]及施工影響規(guī)律[6-8]上，針對(duì)頂管井深基坑近接高架橋樁施工擾動(dòng)效應(yīng)及其安全控制措施方面內(nèi)容較少，因此亟需對(duì)其展開(kāi)相關(guān)研究。

本文依托某污水管頂管井基坑工程，基于Midas Gts Nx建立基坑與橋梁三維有限元模型，研究頂管井深基坑開(kāi)挖對(duì)基坑本身穩(wěn)定性及橋梁樁基變形影響與坑外注漿加固對(duì)橋梁位移的控制效果。

1 工程概況

湖南某城市主干道新建污水管工程，采用頂管法施工，頂管與道路主線平行布置，頂管采用DN2400三級(jí)鋼筋混凝土管，壁厚240 mm，管頂覆土7.7～9.5 m，兩端頂管井尺寸為11 m×7 m(長(zhǎng)×寬)，井深為11 m；工作井采用逆作法進(jìn)行開(kāi)挖，每次循環(huán)開(kāi)挖深度為1 m，施做1 m范圍內(nèi)C30鋼筋混凝土井壁，井壁厚度為1 m，工作井基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用一排直徑0.8 m、間距1 m的鉆孔灌注樁與高壓旋噴樁止水，樁長(zhǎng)20 m；基坑所處地層自上而下為雜填土、淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、細(xì)砂巖(土狀)，土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

頂管段道路為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋(自西向東為順橋向)，單孔跨徑為18 m，單幅橋面寬度為8.5 m，基礎(chǔ)采用φ1 000 mm鉆孔灌注樁，樁基長(zhǎng)度為22 m，每個(gè)橋墩設(shè)1根樁，樁橫向間距為4 m?；颖眰?cè)距主干路城市高架橋梁樁基(樁基1-1、樁基2-1)較近，二者最小凈距為7.18 m，位置關(guān)系如圖1所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)材料天然密度/(kN·m-3)彈性模量/MPa泊松比黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/°層厚/m雜填土1 950120.331554.2淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土1 70080.35552.8粉質(zhì)粘土1 980180.32131212強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、細(xì)砂巖(土狀)2 00023.70.25213015

圖1 橋梁樁基與頂管工作井基坑平面位置圖(單位: m)

基坑施工風(fēng)險(xiǎn)控制難度較大，施工過(guò)程中如何控制基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近橋梁墩臺(tái)的影響成為了施工控制難點(diǎn)。為了減小頂管井基坑施工對(duì)橋墩的影響，在橋梁與基坑間土體采取直徑為76 mm的袖閥管進(jìn)行注漿加固處理，加固厚度為4 m，加固深度為25 m。加固體、橋梁樁基與工作井拱墻參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 加固體、橋梁樁基與工作井拱墻參數(shù)材料天然密度(kN·m-3)彈性模量/MPa泊松比黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/°加固體2 0001000.253240—C30橋樁/承臺(tái)/樁2 50030 0000.2——C30工作井拱墻2 50030 0000.2——

2 頂管井基坑開(kāi)挖施工模擬

2.1 有限元模擬建立

通過(guò)Midas Gts Nx軟件建立三維計(jì)算模型，借鑒相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)將橋梁簡(jiǎn)化為承臺(tái)、樁基；根據(jù)橋梁竣工圖紙，計(jì)算橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載，再換算為集中荷載施加在承臺(tái)上。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)通過(guò)剛度等效原則，將加固體與灌注樁彈模折算成混凝土彈模，等效簡(jiǎn)化為一定厚度混凝土[10]，與土體一起采用三維實(shí)體單元來(lái)模擬。采用板單元模擬工作井井壁、梁?jiǎn)卧M橋梁樁基?；幽Ｐ蛯挾葹?50 m、長(zhǎng)度為180 m、高度為50 m，模型共劃分58 600個(gè)網(wǎng)格，對(duì)模型的底邊界X方向和Y方向位移、模型前后X方向位移、模型左右邊界兩側(cè)Y方向位移進(jìn)行約束，考慮基坑周邊20 kPa施工超載，三維基坑數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 工作井基坑及橋梁樁基模型圖

頂管工作井基坑深度為11 m，基坑每次循環(huán)開(kāi)挖深度為1 m，施做1 m范圍內(nèi)混凝土井壁，具體施工模擬過(guò)程如表3所示。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

提取頂管井基坑開(kāi)挖完成時(shí)的井壁位移、橋梁樁基沉降、橋梁樁基水平位移，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

表3 頂管工作井基坑逆作法開(kāi)挖模擬編號(hào)工況1地層初始應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算,位移清零2模擬修建既有橋梁結(jié)構(gòu),包括橋梁基礎(chǔ)、承臺(tái),基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊加固施工,位移清零3開(kāi)挖深度到i m,施工開(kāi)挖深度范圍內(nèi)鋼筋混凝土拱墻(1≤i≤11)4施做結(jié)構(gòu)底板

a) 短邊位移

由圖3可知，工作井井壁最大水平位移出現(xiàn)在井壁中上部，呈現(xiàn)出兩端小中間大的“鼓脹體”形狀，且靠近橋梁側(cè)水平位移遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離橋梁側(cè)水平位移，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)靠近橋梁側(cè)井壁水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于本項(xiàng)目基坑臨近高架橋墩，施工風(fēng)險(xiǎn)高，工作井基坑安全等級(jí)定為一級(jí)，基坑開(kāi)挖過(guò)程中基坑拱墻方向最大水平位移為12.67 mm，小于一級(jí)基坑結(jié)構(gòu)水平位移控制值22 mm[11]?；娱_(kāi)挖沉降、水平位移見(jiàn)圖4～6。

圖4 基坑開(kāi)挖到底時(shí)樁基沉降云圖

圖5 基坑開(kāi)挖過(guò)程中橋墩差異沉降

圖6 基坑開(kāi)挖到底時(shí)樁基水平位移

由圖4～6可知，頂管井基坑開(kāi)挖過(guò)程中施工引起樁基向基坑側(cè)發(fā)生側(cè)移，且樁身中部位移最大，施工應(yīng)加強(qiáng)對(duì)靠近基坑側(cè)樁基樁身中部水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)；基坑開(kāi)挖過(guò)程中橋梁樁基最大沉降為7.78 mm，橋墩差異沉降為-0.65 mm，小于橋梁墩臺(tái)沉降差允許值-5 mm，樁基最大水平位移為-2.12 mm，小于樁基水平位移允許值-10 mm[12-13]，可見(jiàn)采用現(xiàn)有注漿加固保護(hù)措施使頂管井基坑開(kāi)挖對(duì)橋梁影響較小，橋梁結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

3 坑外加固參數(shù)控制優(yōu)化研究

為了更深入研究袖閥管坑外注漿加固措施對(duì)橋梁樁基變形的控制效果，在原注漿加固方案基礎(chǔ)上(加固厚度為4 m、深度為25 m )，選取不同注漿加固厚度(0、1、2、3、4、5、6 m)、加固深度( 0、5、10、15、20、25、30 m )，研究不同加固厚度、深度下高架橋梁樁基沉降及水平位移變化規(guī)律，進(jìn)一步對(duì)注漿加固參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。提取不同加固厚度、深度下橋梁樁基最大沉降、沉降差及水平位移計(jì)算結(jié)果,如圖7～10所示。

圖7 不同加固厚度下橋梁沉降

圖8 不同加固厚度下樁基水平位移

圖9 不同加固深度下樁基沉降

圖10 不同加固深度下樁基水平位移

由圖7～10可知：

1)當(dāng)加固厚度小于4 m時(shí)，通過(guò)增加注漿加固厚度能夠有效減小橋梁沉降及樁基水平位移；當(dāng)加固厚度大于4 m時(shí),繼續(xù)增加加固厚度對(duì)橋梁位移及沉降減小不明顯。基于加固厚度變化對(duì)橋梁沉降及位移的影響，從經(jīng)濟(jì)上考慮，加固厚度應(yīng)小于4 m，因加固厚度為3 m時(shí)，橋梁沉降及位移小于允許值且接近允許值，從安全上考慮加固厚度宜控制為3 m。

2)加固深度變化對(duì)橋梁沉降及樁基水平位移影響規(guī)律與加固厚度類似，當(dāng)加固深度小于25 m時(shí)，通過(guò)增加注漿加固深度能夠有效減小橋梁沉降及樁基水平位移；當(dāng)加固深度大于25 m時(shí),繼續(xù)增加加固深度對(duì)橋梁位移及沉降減小不明顯?；诩庸躺疃茸兓瘜?duì)橋梁沉降及位移的影響，從經(jīng)濟(jì)上考慮，加固深度應(yīng)小于25 m，因加固深度為20 m時(shí)，橋梁沉降及位移小于允許值且接近允許值，從安全上考慮加固深度宜控制為20 m。

現(xiàn)場(chǎng)施工采取優(yōu)化后的坑外加固參數(shù)(加固厚度為3 m、深度為20 m)對(duì)工作井與橋梁樁基間土體進(jìn)行袖閥管注漿加固處理，并在樁基(樁1-1、1-2、2-1及2-2)布置沉降及水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)其沉降及水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到基坑開(kāi)挖過(guò)程橋梁樁基最大沉降值、樁基最大水平位移值，與數(shù)值模擬計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比如表4所示，以驗(yàn)證數(shù)值模型的有效性及加固參數(shù)的合理性。

由表4結(jié)果可知，現(xiàn)場(chǎng)施工完成時(shí)橋梁樁基最大沉降為-8.9 mm，樁基最大水平位移為-8.2 mm，橋墩橫向最大差異沉降為-0.4 mm，滿足橋梁樁基及墩臺(tái)變形要求[12-13]，因此采用本加固方案可有效減小基坑開(kāi)挖對(duì)橋梁的影響，保證基坑開(kāi)挖安全。橋梁沉降及樁基水平位移計(jì)算結(jié)果均略大于對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)值，兩者最大相對(duì)誤差值為8.3%，數(shù)值模擬計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值較為接近，可見(jiàn)計(jì)算結(jié)果較合理，且能夠滿足工程實(shí)際要求。

表4 基坑開(kāi)挖時(shí)橋梁沉降及水平位移計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降計(jì)算值/mm 沉降監(jiān)測(cè)值/mm 水平位移計(jì)算值/mm水平位移監(jiān)測(cè)值/mm沉降相對(duì)誤差/% 水平位移相對(duì)誤差/%樁1-1-8.7-8.1-7.8-7.27.48.3樁1-2-8.1-7.7-6.9-6.45.17.8樁2-1-9.6-8.8-8.3-7.89.16.4樁2-2-9.3-8.9-8.8-8.24.57.3

4 結(jié)語(yǔ)

依托某一污水管頂管井基坑近接高架橋梁工程，基于Midas Gts Nx建立基坑-橋梁三維有限元模型，研究頂管井深基坑開(kāi)挖對(duì)基坑穩(wěn)定性及橋梁樁基變形影響及坑外注漿加固對(duì)橋梁位移控制效果，主要結(jié)論如下：

1)頂管井基坑開(kāi)挖過(guò)程中工作井井壁最大水平位移出現(xiàn)在井壁中上部，呈現(xiàn)出兩端小中間大的“鼓脹體”形狀，且靠近橋梁側(cè)水平位移遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離橋梁側(cè)水平位移，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)靠近橋梁側(cè)井壁水平位移的監(jiān)測(cè)。

2)頂管井基坑開(kāi)挖對(duì)橋梁樁基變形及受力影響較大，施工引起樁基向基坑發(fā)生側(cè)移，且樁身中部位移最大，現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)鄰近基坑側(cè)橋梁樁基樁身中部水平位移進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)；在采取坑外注漿加固措施下，橋梁樁基沉降及水平位移顯著減小，深基坑坑外加固的合理寬度為2 m，深度為20 m。

3)采用坑外注漿加固對(duì)橋梁樁基進(jìn)行保護(hù)，可有效減小基坑開(kāi)挖對(duì)橋梁影響，施工完成時(shí)橋梁樁基最大沉降為-8.9 mm，樁基最大水平位移為-8.2 mm，橋墩橫向最大差異沉降為-0.4 mm，滿足橋梁樁基及墩臺(tái)變形要求。