頂管施工對(duì)高架橋樁基礎(chǔ)影響的數(shù)值分析

郭 偉， 蔡 旺， 任宇曉*

(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院， 天津 300072； 2.濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))， 天津 300072)

頂管施工法已經(jīng)歷了一百多年的發(fā)展[1]。在埋深大、臨近交通干線或周圍環(huán)境對(duì)位移有嚴(yán)格限制的地段，頂管是較為安全和經(jīng)濟(jì)的施工方法。該方法以其適用性廣、對(duì)環(huán)境影響較小、成本控制較好等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于水、電、煤氣等直徑相對(duì)較小的隧道工程中[2-4]。但頂管施工作為一種地下開挖方法，會(huì)對(duì)周圍的土體產(chǎn)生擾動(dòng)，使土體產(chǎn)生地層損失并出現(xiàn)卸載或加載等一系列復(fù)雜的力學(xué)行為，導(dǎo)致土體的應(yīng)力狀態(tài)不斷發(fā)生變化，進(jìn)而引起管道周圍土體的變形[5]。

頂管施工對(duì)周圍土體的影響吸引了諸多學(xué)者展開研究，通過對(duì)頂管施工過程中地表變形的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，沿頂管推進(jìn)軸線方向所產(chǎn)生的地表沉降發(fā)展一般規(guī)律可分為三個(gè)階段：工具管前部土體變形階段、施工沉降階段和土體固結(jié)沉降階段[5]。由頂管施工造成的土體擾動(dòng)又可分為七個(gè)區(qū)域[6-8]。引起地層損失的原因也多種多樣[9-13]，一方面在頂管施工過程中，土體開挖會(huì)造成卸載，另一方面，由于掘進(jìn)機(jī)外徑比后續(xù)管道大2～4 cm，不可避免地產(chǎn)生土體損失，從而引起地面沉降。因此，盡管目前頂管施工方法已經(jīng)發(fā)展較為成熟，但由該方法引起地層移動(dòng)和地面沉降的因素十分復(fù)雜，并受地質(zhì)、施工、結(jié)構(gòu)溫度[14]等許多不確定條件的影響很大，當(dāng)隧道周圍存在構(gòu)筑物時(shí)，構(gòu)筑物的形式、剛度和尺寸、隧道上方堆載情況[15]等因素都會(huì)對(duì)地表變形產(chǎn)生較大影響，進(jìn)行理論研究較為困難且難以適用于所有工況，對(duì)這些影響因素加以定量評(píng)價(jià)和分析不但工程量巨大還不易于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。用實(shí)驗(yàn)來完全模擬不同地層條件、施工工況和臨近構(gòu)筑物特性下頂管施工的過程目前還難以實(shí)現(xiàn)，很難得到確切數(shù)據(jù)[16-17]。目前數(shù)值模擬大多研究外界因素對(duì)頂管隧道安全性的影響[18-19]，頂管及沉井施工對(duì)周圍構(gòu)筑物的影響情況研究較少。

依托某電纜隧道工程，現(xiàn)采用有限元方法對(duì)電纜隧道開挖過程中的沉井施工和頂管施工兩個(gè)階段進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了兩次施工對(duì)快速路高架橋樁基礎(chǔ)及周圍土體的影響，既充分考慮了各種影響因素間的相互作用關(guān)系，又能節(jié)約時(shí)間和資金成本。研究結(jié)論可為類似工程提供參考。

1 工程背景

1.1 項(xiàng)目概況

某電纜隧道線路總長(zhǎng)約2.5 km，工程在3#與4#工作井的連接段需穿越現(xiàn)有快速路高架橋的樁基，為減小對(duì)高架橋下樁基的影響，擬采用頂管作業(yè)的方式，沉井外徑為12.8 m，頂管外徑3.56 m，頂進(jìn)距離203 m。管道在兩座橋墩樁基間穿過，管道外邊緣至橋墩邊緣距離約為14 m。管頂埋深約15 m。如圖1和圖2所示，分別為工井3#-4#的相對(duì)位置剖面示意圖及相對(duì)位置平面布置示意圖。

1.2 工程地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地屬于華北平原海積～沖積濱海平原地貌。擬建線路沿線分布有環(huán)線快速路、鐵路支線及住宅小區(qū)等對(duì)位移敏感的建筑物。根據(jù)勘察資料，在場(chǎng)地埋深50 m深度范圍內(nèi)，地基土按成因年代分層如表1所示。

表1 地層情況

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型及邊界條件

三維有限元分析建立在以下基本假定的基礎(chǔ)上：①土體為均值、各向同性、理想彈塑性體；②不考慮管道接頭的影響，管道材料為各向同性的線彈性體；③不考慮頂管掘進(jìn)機(jī)的影響；④土體在自重作用下產(chǎn)生的變形在開挖前已經(jīng)完成，在施工階段分析計(jì)算中不予考慮；⑤頂管在頂進(jìn)過程中不考慮土體變形的時(shí)間效應(yīng)；⑥土體與管壁間摩擦阻力認(rèn)為沿管道長(zhǎng)度方向均勻分布。

數(shù)值模型建立步驟為：①等比例建立計(jì)算所需部件，包括土體、樁基礎(chǔ)、沉井和頂管；②根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果給不同部件賦予參數(shù)；③按照?qǐng)D2所示各部件相對(duì)位置將部件進(jìn)行裝配；④結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況條件給模型施加邊界條件和荷載；⑤采用六邊形單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

根據(jù)頂管與快速路高架橋墩的位置關(guān)系，以及前文敘述的數(shù)值模型建立步驟和要點(diǎn)，建立數(shù)值計(jì)算模型，如圖3(a)所示。沉井底部埋深19.34 m，外徑為12.8 m，內(nèi)徑為11 m。頂管外直徑為3.6 m，內(nèi)徑3 m，縱向延伸長(zhǎng)度為153.73 m與沉井相連，剪切擾動(dòng)區(qū)域半徑為3.6 m。橋墩直徑均為1.5 m，長(zhǎng)56 m。橋墩承臺(tái)為6.4 m×6.4 m×1.5 m立方體。為消除邊界影響，計(jì)算模型尺寸為250 m×250 m×200 m。圖3(b)為各結(jié)構(gòu)物的相對(duì)位置關(guān)系，計(jì)算結(jié)果中的位移方向以此圖中標(biāo)識(shí)的方向?yàn)闇?zhǔn)。

圖3 計(jì)算模型示意圖

對(duì)于土體模型約束底部所有自由度，側(cè)向約束水平向位移，其中頂管、樁基礎(chǔ)、與結(jié)構(gòu)相接觸位置土體的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，單元采用八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元(C3D8R)。樁基礎(chǔ)、沉井頂管與土之間采用“內(nèi)置區(qū)域”進(jìn)行約束，在不同分析步中進(jìn)行激活來模擬不同施工階段。

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

對(duì)鉆孔灌注樁和橋墩承臺(tái)均按線彈性本構(gòu)關(guān)系，彈性模量依據(jù)配筋率等效得到，相關(guān)參數(shù)取值如表2所示。各層土體深度和物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。在頂管與土體之間需要考慮摩擦力，沉井、頂管、樁基礎(chǔ)與土體接觸面的切向摩擦模型采用罰函數(shù)，摩擦系數(shù)為0.3，法向采用硬接觸。橋墩樁基礎(chǔ)與承臺(tái)之間、頂管與沉井之間采用綁定連接。根據(jù)實(shí)際施工順序，依次模擬了沉井施工和頂管施工，分析了兩次施工對(duì)于快速路高架的橋墩基礎(chǔ)及周圍土體的影響。

表2 鉆孔灌注樁和橋墩承臺(tái)物理力學(xué)參數(shù)表

表3 土體物理力學(xué)參數(shù)表

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 沉井施工結(jié)果分析

沉井施工過程對(duì)高架橋橋墩及周圍土體的影響，土體變形云圖如圖4所示。由圖4可知，沉井施工會(huì)引起土體卸載，造成小范圍的土體隆起，土體最大位移為164 mm。根據(jù)三個(gè)方向的位移云圖顯示，水平向變形分別為19.6 mm、22 mm，而豎向變形為164 mm，三個(gè)方向的最大變形均出現(xiàn)在沉井上部土體周圍。

圖4 沉井施工后土體位移云圖

橋墩樁基礎(chǔ)在沉井施工后x方向(沿頂管隧道方向)上的水平位移情況如圖5所示。4號(hào)樁基現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算值對(duì)比如圖5(b)所示，從地面向下每間隔6 m設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，共計(jì)5個(gè)，由圖5可知，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好，最大計(jì)算誤差小于13%。4個(gè)橋墩基礎(chǔ)在x方向的位移發(fā)展規(guī)律基本相同，在基礎(chǔ)頂部位置產(chǎn)生背離沉井的水平位移，基礎(chǔ)下半部分則逐漸過渡到靠近沉井的水平位移，最大的x向水平位移約為1.13 mm。

圖5 沉井施工后橋墩樁基礎(chǔ)在x方向上的水平位移

橋墩樁基礎(chǔ)在沉井施工后y方向上(垂直于頂管方向)的水平位移情況如圖6所示。由圖6可知，對(duì)于頂管的y軸負(fù)方向一側(cè)的1號(hào)和3號(hào)橋墩基礎(chǔ)，顯示出上部為負(fù)值，下部為正值，即基礎(chǔ)上部產(chǎn)生靠近頂管方向的水平位移，而基礎(chǔ)下部產(chǎn)生遠(yuǎn)離頂管方向的水平位移；對(duì)于頂管另一側(cè)即y軸正向的2號(hào)和4號(hào)橋墩基礎(chǔ)，也顯示出同樣的位移趨勢(shì)。最大y向水平位移約為0.8 mm。沉井施工后橋墩基礎(chǔ)的應(yīng)力分布如圖7所示。由圖7可知，橋墩樁基礎(chǔ)最大應(yīng)力為2.45 MPa，小于樁基極限應(yīng)力，出現(xiàn)在基礎(chǔ)底部位置，遠(yuǎn)小于樁基強(qiáng)度。

圖6 沉井施工后橋墩樁基礎(chǔ)在y方向的水平位移

圖7 沉井施工后樁體應(yīng)力分布云圖

綜上，由于沉井施工引起的周邊土體隆起，將造成橋墩樁基礎(chǔ)的上部產(chǎn)生遠(yuǎn)離沉井的水平位移，而基礎(chǔ)下部則產(chǎn)生較小的靠近沉井方向的水平位移。另外，將沉井施工后產(chǎn)生的橋墩基礎(chǔ)的水平位移和豎向變形匯總?cè)绫?所示。

表4 沉井施工后產(chǎn)生的橋墩基礎(chǔ)的水平位移和豎向變形

2.3.2 頂管施工結(jié)果分析

考慮頂管施工過程中注漿剪切擾動(dòng)區(qū)和卸荷擾動(dòng)區(qū)域?qū)Ω呒軜驑蚨占爸車馏w的影響，土體變形云圖如圖8所示。由圖8可知，由于土體卸載后出現(xiàn)小范圍變形，土體最大位移為170 mm，出現(xiàn)在頂管底部擾動(dòng)土體。三個(gè)方向的位移云圖顯示，土體x方向的最大位移為34 mm,y方向的最大位移為22 mm,豎直方向的最大位移為170 mm。

圖8 頂管施工后土體位移云圖

橋墩樁基礎(chǔ)在頂管施工后x方向上的水平位移情況如圖9所示。由圖9可知，四個(gè)橋墩基礎(chǔ)在x方向的位移發(fā)展規(guī)律基本相同，基礎(chǔ)頂部水平位移最大，約1 mm，方向?yàn)檫h(yuǎn)離沉井方向，隨著樁深度的增加，至深度25 m處左右，位移為0；當(dāng)埋深繼續(xù)增加時(shí)，基礎(chǔ)底部均產(chǎn)生靠近沉井方向的水平位移，樁底水平位移最大，約為0.3 mm。

圖9 頂管施工后樁基礎(chǔ)在x方向上的水平位移

橋墩樁基礎(chǔ)在頂管施工后y方向上的水平位移情況如圖10所示。由圖10可知，對(duì)于頂管的y軸負(fù)方向一側(cè)的1號(hào)和3號(hào)橋墩，基礎(chǔ)相對(duì)于頂管及擾動(dòng)區(qū)位置處的水平位移較大，最大達(dá)到1.6 mm左右，方向?yàn)檫h(yuǎn)離頂管方向。而基礎(chǔ)頂部和底部位置的水平位移與中部頂管位置處相比較小。對(duì)于頂管另一側(cè)，即y軸正向一側(cè)的2號(hào)和4號(hào)橋墩基礎(chǔ)，也顯示出同樣的變形趨勢(shì)。四個(gè)橋墩基礎(chǔ)最大的y向水平位移約為1.6 mm。頂管施工后橋墩基礎(chǔ)的應(yīng)力分布如圖11所示。由圖11可知，橋墩樁基礎(chǔ)最大最大應(yīng)力為2.79 MPa，小于樁基極限應(yīng)力，出現(xiàn)在基礎(chǔ)底部位置，遠(yuǎn)小于樁基強(qiáng)度。

圖10 頂管施工后樁基礎(chǔ)在y方向上的水平位移

圖11 頂管施工后樁體應(yīng)力分布云圖

綜上，頂管施工會(huì)造成周邊土體擾動(dòng)，頂管兩側(cè)的四個(gè)橋墩樁基礎(chǔ)在垂直于頂管方向上體現(xiàn)出中部平行于頂管及擾動(dòng)區(qū)的部位水平位移較大，位移方向?yàn)檫h(yuǎn)離頂管，其他部分水平位移較小。另外，將頂管施工后產(chǎn)生的橋墩基礎(chǔ)的水平位移和豎向變形匯總?cè)绫?所示。

表5 頂管施工后橋墩基礎(chǔ)產(chǎn)生的水平位移和豎向變

3 結(jié)論

結(jié)合某電纜隧道工程的沉井和頂管施工的具體情況，對(duì)沉井和頂管施工過程中周邊的快速路高架下橋墩基礎(chǔ)的變形情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到施工情況下橋墩樁基礎(chǔ)的應(yīng)力和位移情況，為設(shè)計(jì)和施工，以及評(píng)估橋梁的安全性提供有益參考。主要得到以下結(jié)論。

(1)沉井施工會(huì)使得周圍土體產(chǎn)生較大的隆起，最大回彈量為164 mm左右，同時(shí)對(duì)距離為30 m處的樁基也產(chǎn)生一定影響，樁體沿頂管方向(指向沉井方向)上的受到影響較大，在其頂部產(chǎn)生背離沉井的水平位移，下部則逐漸過渡到趨近沉井的水平位移。

(2)頂管施工會(huì)使土體出現(xiàn)小范圍變形，最大位移為170 mm，對(duì)其周圍的樁基礎(chǔ)有一定影響；對(duì)于垂直頂管方向，最大水平位置處于平行于頂管及擾動(dòng)區(qū)的樁身部位，樁基礎(chǔ)在隧道開挖部位呈現(xiàn)遠(yuǎn)離頂管的趨勢(shì)，影響范圍為頂管隧道施工范圍上下15 m處。