蔣潤蘭

(懷化市農村公路建設辦公室， 湖南 懷化 418000)

0 引言

頂管作為一種新型地下管線施工方法，在城市排水、電力等管網工程施工應用中越來越廣泛，頂管斷面也越來越大。由于城市環(huán)境的復雜性及用地限制，往往會遇到頂管緊鄰橋梁樁基施工的情況，特別是對于大直徑頂管，因開挖斷面大、埋深淺其施工對周邊地層及橋梁結構擾動較大，易使橋梁發(fā)生較大不均勻沉降而導致破壞[1-3]。因此研究頂管施工對橋梁擾動效應規(guī)律具有重要意義。對于頂管下穿橋梁，相關學者通過數(shù)值模擬、模型試驗及現(xiàn)場監(jiān)測等方法研究了其施工技術及影響規(guī)律[4-9]，但大直徑頂管下穿公路高架橋梁對施工影響的研究甚少，有必要對其開展相關研究。

以某電力頂管下穿鄰近既有城市公路橋梁段為工程背景，采用MIDAS GTS NX軟件建立三維頂管與橋梁數(shù)值計算模型，分析頂管施工過程對橋梁結構沉降、樁基變形及應力的影響，并研究頂管埋深及頂管開挖直徑變化對橋梁變形受力影響。

1 工程概況

某電力頂管下穿既有城市公路橋梁，頂管為外徑4.5m、壁厚0.35m的C45鋼筋混凝土管。頂管頂埋深5.3m，以68°斜交下穿橋梁段，長度約50m。頂管穿越段地層主要為填土、粉質黏土、全風化砂巖及強風化砂巖，每次循環(huán)頂進距離為2m，橋梁上部結構為現(xiàn)澆預應力砼連續(xù)梁，橋梁單孔跨徑為25m，兩端橋墩下各設5根鉆孔灌注樁作為基礎，樁基直徑為1.1m，樁間距為9m，每根樁基長度為22m，頂管開挖邊緣距離橋梁樁基最小凈距約7.0m。頂管與橋梁位置關系如圖1所示。

a) 立面圖

b) 平面圖

2 頂管下穿公路橋梁段施工數(shù)值模擬

2.1 有限元模型建立

為了充分考慮土層 — 結構相互作用，基于地層-結構法原理，通過MIDAS GTS NX有限元軟件，建立大斷面頂管與橋梁三維計算模型，模型縱向長度100m，模型寬度100m，高度60m，計算模型如圖2所示。

頂管周邊地層本構關系采取摩爾-庫倫準則，管片及橋梁結構假定彈性模型，地層采用三維實體單元進行模擬，管片與橋面板采用殼單元模擬，橋梁承臺及樁基采用梁單元模擬，建模時考慮樁基及承臺梁單元與周邊土體單元節(jié)點耦合，模型共劃分10.8萬個單元?？紤]地面超載為20kN/m2，橋面荷載根據橋梁運營期間車輛荷載情況簡化為均布荷載進行模擬，考慮觸變泥漿作用下管壁與土的平均摩阻力為5kN/m2，根據地層情況及頂管設計參數(shù)，計算出頂管機的迎面阻力為2196kN，對模型底部單元節(jié)點進行豎向位移約束，模型頂部設置為自由邊界，并對模型其他側面的法向位移進行約束。

圖2 頂管與橋梁結構有限元計算模型

模擬施工時每次循環(huán)頂進長度為2m，先鈍化開挖區(qū)域土體單元，將管片范圍內土體單元替換為管片支護，頂管下穿公路高架橋梁段長度為50m，將下穿橋梁段分25個施工計算工況，施工模擬過程如表1所示。

表1 頂管下穿橋梁段施工過程模擬工況編號工況計算模擬步驟說明1原地層初始應力場求解原地層自重應力平衡,并對位移進行清零;2橋梁施工模擬橋梁結構及樁基施工,施加橋面荷載并進行位移清零;3頂管支護段1,并施加頂力頂管頂進前24 m,施工前12個管節(jié),頂管開始進入橋梁范圍內4頂管支護段i(1

2.2 計算結果分析

為了分析頂管施工對鄰近橋梁結構變形受力影響，提取頂管施工過程中引起的最大橋梁上部結構沉降、樁基位移及應力計算結果如圖3～6所示。

圖3 橋梁上部結構沉降云圖

圖4 橋梁樁基沉降圖

圖5 橋樁水平位移云圖

圖6 橋樁最大主應力云圖

由圖3～6可知：

1)頂管開挖所引起地層擾動對橋梁樁基沉降影響較大，由于頂管開挖引起較大地層損失，使土體發(fā)生較大變形，并向周圍擴散衰減，導致靠近頂管側第1排與第2排樁基沉降遠大于遠離頂管側樁基沉降，進而引起橋面中部沉降大，兩端沉降小，橋面中部最大沉降值為-28.77mm，沉降差為-18.57mm，大于規(guī)范允許值[10-11]，顯然頂管施工擾動已危及橋梁結構安全。

2)頂管施工過程中，頂管開挖對橋梁樁基水平位移影響較為明顯，由于頂管開挖引起較大地層損失，使土體向開挖面及管道外周移動，并向周圍擴散衰減，導致鄰近頂管側第1排與第2排樁基向頂管側發(fā)生較大側移。因頂管埋深較淺，主要引起淺層土體水平位移，對深層土體影響較小，從而使樁基水平位移沿著樁身呈現(xiàn)出頂部最大趨勢，施工時應重點對第1排與第2排樁基頂部水平位移進行動態(tài)監(jiān)測。由于樁基水平位移過大，引起樁身產生較大拉應力，出現(xiàn)最大拉應力值為1.823MPa，遠超規(guī)范要求值[12]，可見頂管鄰近橋樁施工時會引起樁身產生較大的樁頂水平位移而發(fā)生受拉破壞。由于頂管埋深淺，開挖寬度大，頂管施工引起的擾動對鄰近橋梁結構變形影響較大，已危及橋梁安全，需采取有效變形控制措施，以減小頂管施工對橋梁的影響。

3 頂管施工影響參數(shù)分析

為了進一步研究大斷面頂管施工對橋梁的影響，選取不同頂管埋深H(取2.5、5、7.5、10、12.5、15m)及頂管直徑d(取2、3、4、5、6、7m)，研究頂管埋深、頂管直徑變化對橋梁變形受力的影響，得到合理的頂管設計參數(shù)(見圖7～10)。

由圖7～10可知：

1)橋梁結構最大位移和拉應力值隨著頂管埋深增加而減小。當5 m

圖7 頂管埋深對橋梁沉降影響

圖8 頂管埋深對橋梁樁基變形受力影響

圖9 頂管直徑對橋梁沉降影響

圖10 頂管直徑對橋梁樁基變形受力影響

2)頂管直徑變化對橋梁結構最大位移和拉應力值影響規(guī)律與頂管埋深類似，同樣存在一個有效作用范圍，在有效范圍內通過減小頂管直徑來減小頂管施工對鄰近橋梁影響作用較為明顯；當d>4m，頂管施工引起橋梁位移及拉應力較大，遠遠超過規(guī)范允許值，此時需要采取輔助加固措施，以減小頂管施工對地層擾動，減輕對橋梁結構安全性影響。

4 頂管施工監(jiān)測分析

由于本工程頂管埋深較淺且直徑較大，為了減小頂管施工對橋梁樁基影響，現(xiàn)場采用了袖閥管對橋樁周邊土體進行加固處理，橋梁樁基加固以樁基為中心線，直徑4m為范圍加固區(qū)，加固深度為地表以下15m。加固后的頂管-橋梁有限元計算模型見圖11?，F(xiàn)場對頂管施工過程中靠近頂管的第1排與第2排橋梁樁基承臺沉降及樁基水平位移進行監(jiān)測，提取監(jiān)測過程中橋梁樁基的最大沉降和水平位移監(jiān)測值與數(shù)值計算值進行對比，結果見圖12、13所示。

圖11 加固后頂管-橋梁有限元計算模型

由圖12、13可知，頂管穿越橋梁段施工過程中引起最大橋梁樁基承臺沉降為-9.1mm，樁基水平位移為6.3mm，根據樁基沉降計算出相鄰橋墩沉降差為5.7mm，橋梁樁基變形滿足規(guī)范要求[10-11]，可見橋梁在頂管施工過程中處于安全狀態(tài)?，F(xiàn)場監(jiān)測值略小于有限元計算的變形值，最大誤差小于10%，且兩者計算結果變化趨勢表現(xiàn)一致，結果較為吻合，說明計算結果較安全合理，可為頂管施工引起的橋梁樁基變形進行預測。

圖12 樁基承臺沉降結果對比

圖13 樁基水平位移結果對比

5 結論

依托某電力頂管下穿鄰近既有城市公路橋梁段，采用MIDAS GTS NX軟件建立三維頂管與橋梁數(shù)值計算模型，分析了頂管施工過程對橋梁結構沉降、樁基變形及應力的影響，并研究頂管埋深及頂管開挖直徑變化對橋梁變形受力影響，主要研究結論如下：

1)頂管施工對橋梁樁基變形及受力影響較大，頂管開挖使靠近頂管側橋梁樁基發(fā)較大沉降，易導致橋面中部沉降較大；頂管鄰近橋樁施工會引起樁身產生較大的樁頂水平位移而發(fā)生受拉破壞，施工時應加強對靠近頂管側樁基頂部水平位移進行動態(tài)監(jiān)測。

2)頂管埋深、頂管直徑變化對橋梁位移和拉應力值影響存在一個有效作用范圍，在有效范圍內通過增大頂管埋深、減小頂管直徑可較為明顯減小頂管施工對鄰近橋梁影響；當頂管埋深小于10m或直徑大于4m時，需采取輔助加固措施。