矩形頂管施工對(duì)周邊樁基礎(chǔ)位移影響規(guī)律研究

張建安

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力投入，市政建設(shè)工程在越來(lái)越多城市中興起，道路、橋梁、管廊等一系列的工程建設(shè)加快了城市化進(jìn)程的步伐，在部分城市和地區(qū)地面空間越來(lái)越稀缺，城市地下空間的開(kāi)發(fā)和利用受到了更多的關(guān)注，各種地下空間施工方法得到了空前的發(fā)展，其中矩形頂管由于其覆土要求較低、空間利用率高、不影響上部道路交通等特點(diǎn)在地下通道、地鐵出入口等項(xiàng)目中應(yīng)用越來(lái)越多。

目前很多學(xué)者對(duì)矩形頂管施工對(duì)土體及管線的影響做了較多的研究工作，其中林曉慶[1]采用FLAC-3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析了矩形頂管施工引起的土體及鄰近地下管線變形和應(yīng)力分布特點(diǎn)。趙飛陽(yáng)[2]通過(guò)三維建模分析了矩形頂管對(duì)既有地鐵區(qū)間的影響。對(duì)頂管一側(cè)有建筑物基礎(chǔ)或橋梁樁基等情況亦有部分學(xué)者進(jìn)行了探討，張馳[3]對(duì)于圓形頂管穿越磁浮高架線時(shí)對(duì)其樁基的影響做了一定分析。張毅等[4]對(duì)圓形頂管穿越高架線路的案例進(jìn)行了探討。王穎等[5]通過(guò)三維有限元分析總結(jié)了如何避免圓形頂管對(duì)公路橋梁可能造成過(guò)大沉降。但對(duì)于矩形頂管施工時(shí)對(duì)側(cè)方橋梁樁基的影響尚不充足。

本文以某過(guò)街通道矩形頂管為例，在算例中增加高架橋梁樁基，采用Midas/GTS軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬方法，分析在一側(cè)有高架樁基條件下矩形頂管施工對(duì)樁基的影響，給出不同凈距條件下矩形頂管對(duì)樁基的影響規(guī)律和影響程度劃分，為日后類似工程設(shè)計(jì)施工提供一定參考。

1 工程概況

本次分析模型采用斷面凈尺寸為5.5 m×3.3 m（寬×高）的矩形管片，壁厚500 mm，共頂進(jìn)30節(jié)，每節(jié)管片長(zhǎng)1.5 m，管片示意見(jiàn)圖1。分別在穿越段南北側(cè)設(shè)始發(fā)工作井及接收工作井。場(chǎng)地土層分布自上而下依次為：1-1層雜填土，土質(zhì)松軟；2-2層粉土，中壓縮性，工程地質(zhì)特性較差；2-4層粉砂，中等壓縮性，工程地質(zhì)特性一般；3層粉質(zhì)黏土，工程地質(zhì)特性較好，5層中風(fēng)化巖，工程地質(zhì)特性好。各土層相應(yīng)物理參數(shù)詳見(jiàn)表1，新建頂管通道主要在粉土及粉砂層內(nèi)頂進(jìn)施工。

分析中采用的高架橋梁承臺(tái)尺寸為4.0m×2.0 m，埋深為2.0 m，樁基采用直徑800 mm鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)25 m。

2 數(shù)值模擬

根據(jù)其他學(xué)者研究結(jié)論，矩形頂管對(duì)上覆土體的橫向影響范圍約±3.0 D[1][6]，因此本文主要研究矩形頂管施工對(duì)該范圍內(nèi)的樁基的影響，根據(jù)矩形頂管斷面寬度（D）尺寸，分別分析樁基距離管壁 3 m（0.5D）、6 m（1D）、9 m（1.5D）、12 m（2D）、15 m（2.5D）、18 m（3D）情況下樁基因頂管施工所產(chǎn)生的附加變形。

圖1 頂推管節(jié)斷面圖（單位：mm）

表1 土層及注漿材料物理參數(shù)

2.1 計(jì)算假設(shè)

參考其他研究人員對(duì)頂管施工的數(shù)值模擬研究工作[1，6，7]，對(duì)計(jì)算模型做如下的假定：

（1）模型土體為各向同性、均質(zhì)、理想彈塑性體；

（2）暫不考慮管片接縫的影響，將其視為各向同性的線彈性體；

（3）頂管推進(jìn)過(guò)程中不考慮土體時(shí)間效應(yīng)，只考慮頂進(jìn)空間位置的變化；

（4）頂管正面推進(jìn)力為矩形均布荷載，地層損失沿通道軸向均勻分布，矩形頂管頂進(jìn)面推力選取1.0P（P為掌子面中心土體豎向壓力）。

2.2 計(jì)算模型

分析采用Midas/GTS有限元分析軟件，綜合考慮本項(xiàng)目的范圍，考慮三維模型尺寸為122 m（沿通道長(zhǎng)度）×70 m（寬度）×29.7 m（深度），見(jiàn)圖2。始發(fā)井、接收井結(jié)構(gòu)、頂管管片材料參數(shù)、樁基參數(shù)等相見(jiàn)表2。

樁基與頂進(jìn)管片相對(duì)位置關(guān)系見(jiàn)圖3。

2.3 計(jì)算工況

頂管頂進(jìn)施工的模擬不考慮始發(fā)井及接收井的施工過(guò)程，頂進(jìn)前樁基及承臺(tái)均為現(xiàn)狀條件。模擬分析時(shí)，通過(guò)激活、鈍化不同區(qū)域單元模擬矩形頂管頂進(jìn)過(guò)程，每頂進(jìn)一節(jié)管片為一步施工工況。修改管片外一層單元參數(shù)來(lái)模擬管片外注漿。30節(jié)管節(jié)共分為30個(gè)頂進(jìn)步，結(jié)合初始階段和最后機(jī)頭進(jìn)入接收井的施工，將本工程分為32個(gè)施工工況。施工工況示意見(jiàn)圖4。

圖2 分析模型示意圖

表2 結(jié)構(gòu)材料物理力學(xué)參數(shù)

圖3 管片與樁基相對(duì)位置示意圖

圖4 施工工況示意如圖

3 結(jié)果分析

3.1 樁基變形分析

頂管施工會(huì)引起周圍土體發(fā)生不同方向和不同程度的位移，從而使包裹在土體中的橋梁承臺(tái)及樁基發(fā)生位移，進(jìn)而產(chǎn)生附加彎矩，當(dāng)樁基位移及附加彎矩超越一定限值后橋梁結(jié)構(gòu)將無(wú)法正常使用。由于大部分橋梁基礎(chǔ)均為端承型樁，一般不發(fā)生豎向變形，因此本次研究主要考慮樁基水平向變形。

選取樁基與管壁凈距1.5D模型結(jié)果，隨著矩形頂管的步步頂進(jìn)，橋梁樁基發(fā)生沿頂進(jìn)方向的變形（最大值為8.21 mm），同時(shí)發(fā)生垂直頂進(jìn)方向的橫向變形（最大值為1.74 mm），見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 凈距1.5D時(shí)樁基沿頂進(jìn)方向變形示意

圖6 凈距1.5D時(shí)樁基垂直頂進(jìn)方向變形示意

對(duì)比分析可知樁基垂直頂進(jìn)方向變形大約為沿頂進(jìn)方向變形的1/5，可認(rèn)為矩形頂管施工主要造成樁基沿頂進(jìn)方向的變形。

選取每一頂進(jìn)步下樁基沿頂進(jìn)方向變形見(jiàn)圖7，可知當(dāng)頂管機(jī)頭到達(dá)樁基范圍前主要由于矩形頂管機(jī)頭頂推力的作用使機(jī)頭前方及側(cè)方土體發(fā)生變形而使樁基發(fā)生變形，頂管穿越樁基范圍后雖然管片四周進(jìn)行了注漿減摩處理，但隨著后續(xù)管片的推進(jìn)帶動(dòng)作用周圍土體仍然發(fā)生沿頂進(jìn)方向的位移，最后當(dāng)頂管機(jī)頭進(jìn)入接收井后樁基位移達(dá)到穩(wěn)定值，最大位移可達(dá)8.21 mm，因而在頂管施工全過(guò)程中樁基變形會(huì)一直隨管片的頂進(jìn)而逐漸變大。

圖7 樁基與管片凈距1.5D時(shí)隨頂進(jìn)過(guò)程樁基沿頂進(jìn)方向位移

3.2 不同凈距樁基變形分析

上述分析結(jié)果為樁基與管壁凈距1.5D情況，分別計(jì)算凈距為 0.5D、1.0D、2.0D、2.5D、3.0D 時(shí)頂管施工樁基變形，選取樁基沿頂進(jìn)方向以及垂直頂進(jìn)方向最大變形見(jiàn)圖8、圖9。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，隨著樁基與矩形管片凈距的加大，雖然仍會(huì)隨頂管的頂進(jìn)而發(fā)生變形，但變形值會(huì)明顯逐漸減小，圖8中樁基管片凈距為2.0D時(shí)樁基沿頂進(jìn)方向的位移是0.5D時(shí)的約1/2（6.58 mm），凈距為3.0D時(shí)約為1/3（4.23 mm＜5.0 mm），可以認(rèn)為凈距3D以上樁基受到矩形管片頂進(jìn)的影響大大削弱；圖9中樁基垂直頂進(jìn)方向的位移隨樁基管片凈距的增加同樣顯著減小，當(dāng)凈距大于1.5D時(shí)位移可認(rèn)為已基本穩(wěn)定，但由于垂直頂進(jìn)方向的位移本身相對(duì)偏小，因此綜合判斷可知當(dāng)樁基在頂管管片外3.0D范圍以內(nèi)時(shí)，受到頂管施工的影響較大，需采用諸如注漿加固、隔離樁等措施進(jìn)行處理以減小樁基的變形，當(dāng)樁基遠(yuǎn)離矩形頂管管片3.0D以上時(shí)可認(rèn)為頂管施工對(duì)樁基影響較小，根據(jù)具體工程情況計(jì)算滿足橋梁樁基要求時(shí)即可不必采用加固隔離等工程措施。

4 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬分析，研究矩形頂管施工對(duì)周邊橋梁樁基的影響，可得結(jié)論如下：

（1）矩形頂管施工時(shí)會(huì)對(duì)側(cè)邊樁基產(chǎn)生不利影響使其發(fā)生沿頂進(jìn)方向和垂直頂進(jìn)方向的位變形，且沿頂進(jìn)方向的位移變形為水平變形中主要部分。

（2）根據(jù)不同條件模型計(jì)算，樁基的水平變形隨著樁基與管片凈距的增加而逐漸減小，本管工程條件下當(dāng)樁基與矩形管片凈距小于3.0D時(shí)，樁基受到頂管施工的影響較大，需考慮采用一定的工程隔離措施，當(dāng)凈距大于3.0D時(shí)樁基變形已小于5 mm，可認(rèn)為3.0D為本工程情況下矩形頂管對(duì)側(cè)邊樁基的安全保護(hù)距離，為今后類似相關(guān)工程提供一定參考。

[1]林曉慶.矩形頂管施工對(duì)鄰近地下管線的影響分析[D].廣東廣州：廣州大學(xué),2012.

[2]趙飛陽(yáng).矩形頂管通道施工對(duì)既有地鐵區(qū)間隧道的影響分析[J].城市道橋與防洪,2017(4)：154-157

[3]張馳.大直徑頂管穿越磁浮線路變形影響實(shí)例分析[J].土工基礎(chǔ),2017,31(1)：4-7

[4]張毅,翟之陽(yáng).超大直徑頂管穿越地鐵高架線路關(guān)鍵技術(shù)研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì),2015(S1)：110-113

[5]王穎,趙華,趙業(yè)海.給水管道頂管穿越既有公路橋梁影響研究[J].天津建設(shè)科技,2017,27(2)：54-55

[6]龐臣軍,鮑先凱.矩形頂管施工的數(shù)值模擬研究[J].施工技術(shù),2013(42)：410-412.

[7]楊朝帥.大斷面矩形頂管隧道施工土體穩(wěn)定性分析[J].低溫建筑技術(shù),2016(4)：131-134