頂管近距離側(cè)穿作用下高速橋梁力學(xué)響應(yīng)

劉繼林何娜

引言

頂管隧道作為一種非開挖技術(shù)，以其諸多的優(yōu)點(diǎn)，越來越多地應(yīng)用于各類地下管線[1～2]。頂管推進(jìn)過程會使周圍土層受到擠壓、剪切及卸載作用，由此引起地層擾動變形是不可避免的，從而迫使鄰近建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生附加變形與應(yīng)力。隨著地下管線頂管建設(shè)的日益增多，頂管施工環(huán)境力學(xué)效應(yīng)逐漸成為地下管線建設(shè)面臨的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，也有許多專家學(xué)者開展了相關(guān)的研究。

魏綱等[3]簡化地下管線的受力模型，基于winker地基模型，得到地下管線因頂管開挖引起的彎矩及變形計算方法。劉波等[4]采用有限元法，模擬頂管施工過程，預(yù)測施工可能引起的地鐵隧道變形并提出了控制措施。王斌等[5]對比分析頂管施工前后土層的力學(xué)指標(biāo)，以此探索頂管掘進(jìn)對高速路堤沉降的影響。然而，現(xiàn)有頂管開挖影響大多通過既有結(jié)構(gòu)變形評價，且頂管開挖對橋梁的擾動分析鮮見報道。本文以頂管側(cè)穿高速橋梁實(shí)例為背景，分析頂管推進(jìn)過程力學(xué)擾動的機(jī)理，建立頂管施工過程精細(xì)計算模型，探索鄰近既有高速橋梁結(jié)構(gòu)受頂管開挖影響的力學(xué)響應(yīng)特征。

1　工程概況

廣州某污水處理系統(tǒng)管網(wǎng)工程，全長約為15.4km，采用明挖和頂管法施工。該項(xiàng)目部分頂管區(qū)段近距離側(cè)穿華南快速路，兩者最小平面投影距離為2.5m，頂管與橋梁關(guān)系關(guān)系如圖1所示。該區(qū)段頂管埋深約為5～5.5m，管徑為900mm的焊接鋼管。頂管工作井利用沉井法施工，井的外徑為7900mm，壁厚450mm，埋深5m，坑底采用φ500mm的水泥土攪拌樁封底。根據(jù)現(xiàn)場勘查資料與橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計資料，可得到表1土層-結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)。

圖1　頂管與既有橋梁位置關(guān)系

表1　土層與結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2　頂管頂進(jìn)對高速橋梁影響規(guī)律

2.1　數(shù)值計算模型及工況

模型計算區(qū)域選取時，充分考慮了邊界效應(yīng)，X、Y、Z方向計算尺寸分別取64m、40m及38m，整體計算模型、頂管與橋梁結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2　頂管施工三維計算模型

計算模型中土層、頂管泥漿套、橋梁樁基、地系梁、橋墩采用三維實(shí)體單元模擬，頂管管道、橋跨結(jié)構(gòu)用殼單元模擬。模型中土層利用Mohr-Coulomb理想彈塑性本構(gòu)模型，既有橋梁、新建頂管及工作井結(jié)構(gòu)則用彈性本構(gòu)模型。模型中地下橋梁、工作井結(jié)構(gòu)與頂管泥漿套通過修改單元邊界屬性實(shí)現(xiàn)。模型側(cè)向加水平位移約束，底部加豎向約束，頂面為自由面，不加約束。頂管外環(huán)形空隙借鑒盾構(gòu)注漿等代層的思路，在頂管空隙處設(shè)置一定厚度的實(shí)體單元。

模型計算含頂管隧道長度67.5m，每次向前推進(jìn)的長度為1.5m，分45步頂進(jìn)完成。此次分析共計48個工況，即48個施工步，具體如表2所示。

表2　計算工況

2.2　模型可靠性分析

圖3為頂管施工完的沉降云圖，定義位移指向坐標(biāo)正軸為正，反之為負(fù)。圖3顯示，受頂管開挖造成的擠壓、剪切及卸載等作用，周圍土層經(jīng)歷應(yīng)力擾動、重塑及位移等過程，且因頂管埋深較淺，無法形成土拱，受到上部相對較大的“土柱”荷載作用，使頂管結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)為沉降，最大豎向位移為-2.871mm，出現(xiàn)在管道頂部，地表最大沉降約為-1.68mm。

考慮到該項(xiàng)目未具體實(shí)施，為了考察計算模型的合理性，提取1#樁（圖3）垂直對應(yīng)的1#頂管地表沉降結(jié)果，與Peck[6-7]地表橫向沉降槽理論計算結(jié)果對比分析。Peck公式為：

圖3　頂管開挖完地表沉降云圖

式中：y為圖4中1#頂管軸線的橫向水平距離（m）；S（y）為y處地面沉降量（m）；Smax為隧道軸線上方的最大地面沉降量（m）；Vloss為隧道單位長度的土體損失量（m3/m）；i為地面沉降槽寬度系數(shù)（m）；R為頂管隧道外半徑（m）；h為隧道軸線至地面的距離（m）；n=0.8～1，土越軟取值越大。將實(shí)例參數(shù)代入上述公式，計算得到i=3m，Vloss=0.014m3/m，Smax=1.87mm，進(jìn)一步得到不同位置地表沉降與數(shù)值結(jié)果對比如圖4所示。

圖4　地表沉降對比曲線

由圖4表明，頂管施工引起的地表沉降滿足一般的認(rèn)識，分布規(guī)律類似于正態(tài)分布，存在較為明顯的拐點(diǎn)，與Peck沉降槽理論計算結(jié)果分布規(guī)律相近。數(shù)值計算沉降反映了實(shí)際地表沉降趨勢，與理論計算結(jié)果較為吻合，兩者最大僅相差11.3%，說明所采用的計算模型具備可靠性。

2.3　橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)

圖5頂管施工完橋梁結(jié)構(gòu)位移云圖

圖5為頂管施工完臨近橋梁結(jié)構(gòu)位移云圖，提取距離工作井與頂管最近的三根樁（1#、2#及5#樁）不同工況的位移值如表3所示。由圖5和表3可知，橋梁結(jié)構(gòu)受到的影響非常細(xì)微，橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大位移為0.216mm，遠(yuǎn)小于控制值10mm。由位移結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，橋梁結(jié)構(gòu)位移總體水平較低，究其原因是頂管管徑較小，開挖引起的擾動經(jīng)土層擴(kuò)散衰減后，傳遞至橋梁結(jié)構(gòu)，由此引起橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)不明顯。

前述橋梁結(jié)構(gòu)位移相對明顯的區(qū)域在下部結(jié)構(gòu)，同時考慮到橋梁結(jié)構(gòu)受影響源于橋基和橋墩傳遞擴(kuò)散，故此重點(diǎn)考察橋梁下部結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果。圖6為橋梁結(jié)構(gòu)在頂管開挖前、后的最大主應(yīng)力云圖，定義應(yīng)力受拉為正，承壓為負(fù)。從應(yīng)力云圖分布情況來看，頂管施工引起的橋梁結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力甚微，但由于橋梁結(jié)構(gòu)自身與運(yùn)營荷載作用下，產(chǎn)生的最大主應(yīng)力為2.117MPa，超過了C30極限抗拉強(qiáng)度，說明結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)裂隙，但未形成貫通的裂隙。綜合橋梁結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力計算結(jié)果不難判斷，實(shí)例頂管開挖引起的力學(xué)擾動較小，橋梁結(jié)構(gòu)處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

表3　監(jiān)控樁計算位移

圖6　橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

3　結(jié)語

（1）實(shí)例頂管埋深淺，無法形成土拱，受到上覆相對較大的“土柱”荷載作用下，管道結(jié)構(gòu)及地層表現(xiàn)為整體沉降，最大值出現(xiàn)在管道頂部；

（2）頂管施工引起的地表沉降遵循Peck沉降槽分布，數(shù)值與理論計算結(jié)果吻合，數(shù)值計算能反映實(shí)際地表沉降趨勢，所用模型具備合理性；

（3）頂管施工引起的橋梁結(jié)構(gòu)最大附加變形及附加應(yīng)力均遠(yuǎn)小于控制值，說明實(shí)例頂管掘進(jìn)對橋梁結(jié)構(gòu)的影響很小，橋梁結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

[1]Liang Zhen，Pizhong Qiao，Junbin Zhong，et al.Design of steel pipejacking based on buckling analysis by finite strip method[J].Engineering Structures，2017，132：139～151.

[2]Liang Zhen，Jin-Jian Chen，Pizhong Qiao，et al.Analysis and remedial treatment of a steelpipe-jacking accident in complex underground environment[J].Engineering Structures，2014，59：210～219.

[3]魏綱，朱奎.頂管施工對鄰近地下管線的影響預(yù)測分析[J].巖土力學(xué)，2009，30（3）：825～831.

[4]劉波，章定文，劉松玉，等.大斷面頂管通道近接穿越下覆既有地鐵隧道數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2017，36（11）：2850～2860.

[5]王斌，陳帥，陶柏峰，等.頂管穿越路堤實(shí)測地基變形和擾動程度分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29（S1）：2805～2812.

[6]郭彩霞，王夢恕，孔恒，等.水下盾構(gòu)隧道的合理覆土厚度數(shù)值模擬分析[J].中國公路學(xué)報，2017，30（8）：238～246.