大直徑電力頂管施工對鄰近既有公路橋梁影響研究

蔣潤蘭

(懷化市農(nóng)村公路建設(shè)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(wǎng)工程施工應(yīng)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(fù)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(jié)構(gòu)擾動較大，易使橋梁發(fā)生較大不均勻沉降而導(dǎo)致破壞[1-3]。因此研究頂管施工對橋梁擾動效應(yīng)規(guī)律具有重要意義。對于頂管下穿橋梁，相關(guān)學(xué)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(shù)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(guān)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(jié)構(gòu)沉降、樁基變形及應(yīng)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(zhì)黏土、全風(fēng)化砂巖及強風(fēng)化砂巖，每次循環(huán)頂進距離為2m，橋梁上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁，橋梁單孔跨徑為25m，兩端橋墩下各設(shè)5根鉆孔灌注樁作為基礎(chǔ)，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(guān)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(jié)構(gòu)相互作用，基于地層-結(jié)構(gòu)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(gòu)關(guān)系采取摩爾-庫倫準(zhǔn)則，管片及橋梁結(jié)構(gòu)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(jù)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(jù)地層情況及頂管設(shè)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(shè)置為自由邊界，并對模型其他側(cè)面的法向位移進行約束。

圖2 頂管與橋梁結(jié)構(gòu)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(nèi)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(yīng)力場求解原地層自重應(yīng)力平衡,并對位移進行清零;2橋梁施工模擬橋梁結(jié)構(gòu)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(nèi)4頂管支護段i(1

2.2 計算結(jié)果分析

為了分析頂管施工對鄰近橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)沉降、樁基位移及應(yīng)力計算結(jié)果如圖3～6所示。

圖3 橋梁上部結(jié)構(gòu)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(yīng)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(dǎo)致靠近頂管側(cè)第1排與第2排樁基沉降遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離頂管側(cè)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(jié)構(gòu)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(dǎo)致鄰近頂管側(cè)第1排與第2排樁基向頂管側(cè)發(fā)生較大側(cè)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(yīng)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(chǎn)生較大拉應(yīng)力，出現(xiàn)最大拉應(yīng)力值為1.823MPa，遠(yuǎn)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(shè)計參數(shù)(見圖7～10)。

由圖7～10可知：

1)橋梁結(jié)構(gòu)最大位移和拉應(yīng)力值隨著頂管埋深增加而減小。當(dāng)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(jié)構(gòu)最大位移和拉應(yīng)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(nèi)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(dāng)d>4m，頂管施工引起橋梁位移及拉應(yīng)力較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)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。現(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(jié)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(jù)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(jié)果變化趨勢表現(xiàn)一致，結(jié)果較為吻合，說明計算結(jié)果較安全合理，可為頂管施工引起的橋梁樁基變形進行預(yù)測。

圖12 樁基承臺沉降結(jié)果對比

圖13 樁基水平位移結(jié)果對比

5 結(jié)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(jié)構(gòu)沉降、樁基變形及應(yīng)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(jié)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(cè)橋梁樁基發(fā)較大沉降，易導(dǎo)致橋面中部沉降較大；頂管鄰近橋樁施工會引起樁身產(chǎn)生較大的樁頂水平位移而發(fā)生受拉破壞，施工時應(yīng)加強對靠近頂管側(cè)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(yīng)力值影響存在一個有效作用范圍，在有效范圍內(nèi)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(dāng)頂管埋深小于10m或直徑大于4m時，需采取輔助加固措施。