臨近城市橋梁曲線頂管施工影響分析

張少華

（鎮(zhèn)江市城市干道工程建設(shè)辦公室，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

隨著海綿城市建設(shè)的全力推進，城市內(nèi)地下管道的建設(shè)日益增加。頂管施工由于挖土少常被廣泛應(yīng)用于地下管道施工。頂管施工往往會對周邊建筑、市政基礎(chǔ)設(shè)施的產(chǎn)生影響[1-2]。因此，在頂管施工過程中需要重點關(guān)注其對變形影響，尤其是城市內(nèi)重要基礎(chǔ)設(shè)施。針對頂管施工的影響分析，已有大量學(xué)者進行了相關(guān)研究。如李永運等人采用MIDAS GTS軟件對淺覆蓋土層下矩形頂管施工進行研究，分析了頂管施工對鄰近橋梁基樁的水平變形影響[3]。王樂天等人借助ABAQUS有限元軟件，研究了大直徑深埋頂管施工對地表位移的影響，結(jié)果表明，頂管施工對地表的沉降在4倍管徑范圍內(nèi)影響較大[4]。

雖然目前關(guān)于頂管施工對周邊環(huán)境變形影響分析已有較多研究，但是頂管施工對鄰近橋梁的影響分析較少。因此，本文以鎮(zhèn)江市某鄰近橋梁的頂管施工工程為背景，進行三維有限元模擬，研究頂管施工對橋梁的變形影響，為頂管施工提供指導(dǎo)。

1 概況

1.1 工程概況

鎮(zhèn)江市某新建雨水管道工程，位于市區(qū)主干道之下，擬敷設(shè)D2000雨水管收集地塊及路面雨水，分段就近接入新建的D2000雨水管內(nèi)，由西向東排入古運河，新建的D2000雨水管采用頂管施工。根據(jù)施工圖可知，臨近橋梁Y8→Y10頂管段采用曲線頂管，頂管管道長約150m。

1.2 工作井與接收井概況

Y8圓形工作井內(nèi)徑為7.0m，壁厚700mm，采用沉井施工工藝，井高8.8m，井壁頂標高為8.0m；Y10圓形井為接收井，內(nèi)徑為6.5m，壁厚為700mm，采用逆作法施工，井高為8.3m，井壁標高為7.9m。結(jié)合地質(zhì)情況，Y8沉井施工井計劃采用兩次澆筑，兩次下沉施工工藝，采用澆筑C20混凝土封底。逆作法施工井位單節(jié)澆筑高度為1.0m。

1.3 頂管概況

Y8→Y10段管道采用DN2000鋼筋混凝土管，混凝土強度等級C50，抗?jié)B等級S8，內(nèi)徑2000mm，外徑2400mm，管底高程約為0.2m，頂管長度150m。管道敷設(shè)采用泥水平衡曲線頂管方式，其中為減小地下水對開挖面的影響，工作井周邊采用雙排雙重管高壓旋噴樁落底式止水帷幕。

1.4 橋梁概況

橋梁橫跨古運河，為簡支梁橋，橋總長36.06m，橋梁兩側(cè)有6m長的橋頭搭板，橋?qū)挒?3.5m。橋梁上部結(jié)構(gòu)為28m后張法混凝土空心板；下部結(jié)構(gòu)橋臺采用組合橋臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁長分別為32m和30m，樁徑1.3m。

2 工程地質(zhì)水文情況

2.1 巖土工程地質(zhì)特征

根據(jù)勘察報告可知，勘察深度范圍內(nèi)地基巖土層按時代、成因等自上而下共劃分為三大個工程地質(zhì)層，其中①層又細分為兩個亞層，具體分層情況如下。

①1雜填土（Q4ml）：灰色，主要為原瀝青路面結(jié)構(gòu)及道磚鋪設(shè)層，勘察時路面平整度差，堆填時間大于10年，層厚0.40~0.50m。

①2素填土（Q4ml）：灰黃色，局部色雜，很濕-飽和，稍密，主要成分為軟塑狀態(tài)粉質(zhì)粘土夾少量碎石、碎磚、植根等，堆填時間大于10年。層厚1.10~4.30m。

②粉土夾粉砂（Q4al）：灰黃色，飽和，稍密狀態(tài)為主，局部中密，具層理，局部為粉土、粉砂互層狀，搖震反應(yīng)迅速。層厚1.10~4.30m。

③粉質(zhì)黏土（Q3al）：灰黃、灰色，飽和，軟可塑，夾少量粉土，干強度中等，韌性中，略有光澤。

④粉質(zhì)粘土夾碎石：黃褐色-褐黃色，飽和，可塑~硬塑，夾鐵錳銹斑，局部夾碎石，干強度中等，韌性中等，有光澤，無搖震反應(yīng)，中等壓縮性。

2.2 地下水

據(jù)鉆探揭露，場地地下水類型主要為孔隙潛水?？紫稘撍饕x存于①2、②層土中。

①2層人工填土密實度尚不均勻，局部孔隙大，有利于地下水的儲存和滲透。②層透水性較弱，給水性較差。

地下水主要受大氣降水和古運河補給，排泄形式主要為蒸發(fā)?？辈炱陂g初見水位位于地面下1.00~1.15m，24h后測得穩(wěn)定水位位于地面下0.95~1.25m。孔隙潛水地下水年變幅1.00m左右。頂管施工場地內(nèi)無地表水通過，頂管施工場地外側(cè)存在一條古運河，運河寬約22m。

3 橋梁的安全評估范圍與變形標準

3.1 安全評估范圍

由《城市橋梁養(yǎng)護技術(shù)標準》（CJJ 99—2017）[5]可知，對于修建地下結(jié)構(gòu)、頂管推進、埋設(shè)管線、頂管施工等作業(yè)的城市橋梁安全保護區(qū)域，可劃分為橋梁水平投影周邊各60m范圍。因此，需要對橋梁60m范圍內(nèi)的頂管施工進行安全影響評估。

3.2 變形控制標準

橋梁結(jié)構(gòu)抗變形能力受多方面因素的影響，主要因素有地基工程地質(zhì)、荷載形式和結(jié)構(gòu)形式等。在制定頂管和基坑開挖對既有橋梁變形防控的統(tǒng)一標準，其難度大而且復(fù)雜。根據(jù)《城市橋梁養(yǎng)護技術(shù)標準》（CJJ 99—2017）、《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG 3363—2019）[6]、《公 路 橋 涵 養(yǎng) 護 規(guī) 范》（JTG 5120—2021）[7]和《公路橋梁狀況技術(shù)評定標準》（JTG-T-H 21—2011）[8]，結(jié)合實際工程中不同的橋梁確定變形防控標準。

（1）橋梁墩身沉降控制值為12mm，相鄰墩臺均勻沉降差值為6mm。

（2）橋梁基礎(chǔ)的位移最大速率控制值為1mm/d。

（3）橋臺的水平位移的控制值為3mm。

4 數(shù)值模擬

4.1 有限元模型建立

在整體仿真模型中，地層模型所占比重較大。土體模型建模過程中，需要首先考慮模型的形狀和尺寸。在整個仿真模型建立初期，主要是建立實體單元組成的土體模型（初始地層模型）。為方便定義邊界條件，模型將選擇為長方體；而模型的長、寬、高將根據(jù)橋梁和安全保護范圍和施工影響范圍確定。第二個重點是土體分層和土體網(wǎng)格劃分，土體分層是根據(jù)工程地質(zhì)條件而來，而土體的網(wǎng)格劃分將直接決定整體模型的單元數(shù)量，最終影響軟件的運算速度。第三是模型中土體開挖處要注意與沉井底部和頂管節(jié)點“耦合”在一起。

4.2 模擬尺寸選擇及邊界條件

頂管的管道、地基土、工作井和橋梁，根據(jù)《城市橋梁養(yǎng)護技術(shù)標準》（CJJ 99—2017）的要求，選取三維模型的計算范圍為312m（長）×126m（寬）×45m（高）。為研究各構(gòu)件的荷載和變形效應(yīng)，以便指導(dǎo)后期的頂管施工，經(jīng)綜合考慮，各構(gòu)件模擬情況如下。

土體采用三維塊體單元模擬，頂管管道、沉井以及橋梁承臺采用板單元模擬，橋梁樁基采用植入式梁單元模擬。其中Y8→Y10頂管計算模型按照實際施工工況，按照每節(jié)管道2.0m進行單元劃分。橋臺計算模型按照橋梁結(jié)構(gòu)圖進行建立，樁基采用1D植入式梁單元，承臺采用2D板單元。根據(jù)上述分析，建立三維模型如圖1所示，模型單元總數(shù)331697個。

圖1 數(shù)值模擬整體模型

4.3 模擬參數(shù)的選擇

模擬的地基為水平地基，模擬過程中不考慮地基土層的空間變化。土體采用實體單元模擬，Y10接收井采用板單元模擬，攪拌樁采用實體改變屬性模擬，樁基采用植入式梁單元模擬，橋承臺采用板單元模擬。由地勘報告可知，模擬區(qū)域共有6層土，地基土以及結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

4.4 計算工況

Y8→Y10頂管主要穿越②粉土夾粉砂和③粉質(zhì)黏土，②層具有透水性，頂進施工采用泥水平衡頂管機。首先，進行初始地應(yīng)力平衡，接著進行工作井、接收·井和橋梁施工工況，然后開始進行頂管施工，通過激活頂管管片，頂管施工荷載以及鈍化頂管開挖土層模擬頂管施工工況，頂管共施工66節(jié)管片，即頂管施工模擬共66個工況。綜上計算工況共68工，其中前2個工況進行位移清零。

5 結(jié)果分析

由于城市橋梁安全保護范圍為60m，本節(jié)只對保護范圍內(nèi)的頂管施工的結(jié)果進行分析，即臨近橋梁的頂管施工結(jié)果，為頂管施工工況45~68。模型在初始地應(yīng)力平衡階段有土體和結(jié)構(gòu)（如橋臺、橋樁等），為了模擬橋結(jié)構(gòu)施工若干年后土體變形基本穩(wěn)定，將該階段的位移清零。

5.1 沉降分析

圖2為橋梁安全保護范圍60m內(nèi)不同頂管施工工況下橋梁產(chǎn)生的沉降。通過觀察圖2可知，隨著頂管施工逐漸臨近橋梁，橋梁的沉降逐漸增大。整個頂管施工結(jié)束后，橋梁的最大沉降為0.2mm，位于臨近頂管施工一側(cè)搭板處。通過與橋梁的沉降控制值對比發(fā)現(xiàn)，由頂管對橋梁產(chǎn)生的豎向位移遠遠小于豎向位移控制值12mm，說明頂管施工對橋梁的豎向位移影響較小。

圖2不同頂管施工工況下橋梁搭板處的沉降

5.2 水平位移分析

圖3 為橋梁安全保護范圍60m內(nèi)不同頂管施工工況下橋梁產(chǎn)生的水平位移。由圖3可知，隨著頂管施工逐漸完成，橋梁的水平位移逐漸增大。整個頂管施工結(jié)束后，橋梁的最大水平位移約為0.28mm，位于臨近頂管施工一側(cè)樁基處。通過與橋梁的水平位移控制值對比發(fā)現(xiàn)，由頂管對橋梁產(chǎn)生的水平位移小于水平位移控制值3mm，說明頂管施工對橋梁的水平位移影響較小。

圖3 不同頂管施工工況下橋梁樁基礎(chǔ)處的沉降

6 結(jié)論與建議

通過三維有限元數(shù)值模擬，分析了頂管頂進施工對橋梁的變形影響，得到下結(jié)論，根據(jù)結(jié)論提出了合理的建議。

（1）Y8→Y10段頂管施工引起橋梁的最大橫向位移0.28mm，位于臨近頂管施工一側(cè)橋樁處；頂管施工引起橋梁的最大沉降為0.2mm，位于橋頭搭板位置處，認為頂管施工對新橋梁的變形影響較小。

（2）施工過程中，應(yīng)注意觀察地下水壓力、泥水的濃度、泥水倉水壓力的變化，挖掘面是否穩(wěn)定，并及時采取相應(yīng)的措施和對策；當(dāng)頂管頂進施工到新西門橋的安全保護范圍內(nèi)時應(yīng)控制頂管頂進速度；頂管結(jié)束后，及時對管體四周的縫隙充填水泥漿，使其密實堅固。

（3）為了進一步確保臨近橋梁結(jié)構(gòu)安全，需要對橋梁結(jié)構(gòu)加強監(jiān)測。