管道開(kāi)挖對(duì)臨近高架橋墩臺(tái)影響的有限元分析

毛淑欣

蘇交科集團(tuán)股份有限公司 江蘇 南京 211100

前言

管道工程開(kāi)挖是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，由于開(kāi)挖擾動(dòng)、地層損失和固結(jié)沉降等因素的影響，與之有關(guān)的穩(wěn)定和環(huán)境影響也是個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，從而導(dǎo)致臨近高架橋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生移動(dòng)和變形。本文采用有限元軟件Midas GTS，對(duì)某污水管道施工涉沿線既有高架橋的影響進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過(guò)對(duì)管道施工過(guò)程對(duì)橋梁墩臺(tái)影響的評(píng)估分析，得到管道施工造成橋梁墩臺(tái)沉降、水平位移的理論值，結(jié)合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，為橋梁監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)，并為管道施工過(guò)程中判斷橋梁結(jié)構(gòu)安全提供技術(shù)支持和指導(dǎo)性意見(jiàn)。

1 工程背景

擬建工程位于南京市秦淮區(qū)雙橋門街，整體上呈東西走向，西起江寧路，東至龍?bào)茨下?，道路全長(zhǎng)1800m，道路紅線寬6～9m。雙橋門街新建DN400污水管道約380m，接至雙橋門泵站進(jìn)水前水井，全線采用開(kāi)挖施工，其中DN400污水管長(zhǎng)373米，原管位恢復(fù)DN500雨水管長(zhǎng)142m。

擬建管線臨近雙橋門高架西側(cè)匝道最近約15.8m，開(kāi)挖深度3.8m，介于H=3.0m～4.0m之間，按照設(shè)計(jì)規(guī)定，采用9m長(zhǎng)FSP-Ⅲ型拉森鋼板樁和兩道300×300×10×15型鋼進(jìn)行基坑支護(hù)，其中第一道支撐距地面500mm[1]。開(kāi)挖深度大于3.0m的支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。管道場(chǎng)地開(kāi)挖影響深度范圍內(nèi)的土層主要物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

圖1 基坑大于3米支護(hù)剖面圖

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

2 有限元數(shù)值模型

2.1 基本假設(shè)

為了盡可能達(dá)到與實(shí)際相符的計(jì)算環(huán)境，需要對(duì)地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分簡(jiǎn)化和處理，以適應(yīng)計(jì)算理論和軟件，本次計(jì)算基本假設(shè)包括：①初始應(yīng)力只考慮土體的自重，忽略構(gòu)造應(yīng)力的影響。②所有材料均為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性，土體水平成層分布。③邊界條件：左右采用的為 X 向的法向約束，底面對(duì) X、Y 兩個(gè)方向進(jìn)行約束。

2.2 整體模型

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)模擬采用彈性本構(gòu)模型，土層采用修正Mohr-Coulomb模型，計(jì)算采用二維平面模型，模型采用地層-結(jié)構(gòu)模型，土體采用平面應(yīng)變單元模擬，本構(gòu)模型為修正摩爾庫(kù)倫模型；鋼板樁和內(nèi)支撐采用梁?jiǎn)卧M，本構(gòu)模型均為彈性； 橋墩和立柱采用映射網(wǎng)格劃分的平面應(yīng)變單元，承臺(tái)和素混凝土墊層采用自由網(wǎng)格劃分的平面應(yīng)變單元。

模型大小取為50m×30m，整體模型邊界條件設(shè)定外側(cè)土體四周約束其水平位移，底部邊界約束其豎向位移，地表為自由邊界。在模擬過(guò)程中，通過(guò)激活和鈍化開(kāi)挖土體單元、支護(hù)結(jié)構(gòu)單元模擬施工過(guò)程，模型設(shè)定管道施工前的初始位移為零，以便分析管道施工后對(duì)樁柱的影響。整體模型如圖2所示。

圖2 整體模型

3 管道開(kāi)挖計(jì)算分析

通過(guò)對(duì)管道開(kāi)挖過(guò)程的有限元分析，模擬管道開(kāi)挖過(guò)程對(duì)橋梁墩臺(tái)的變形影響，評(píng)價(jià)雙橋門高架橋正常運(yùn)營(yíng)的安全風(fēng)險(xiǎn)。本項(xiàng)目數(shù)值模擬工況包括：初始應(yīng)力、鋼板樁支護(hù)、第一次開(kāi)挖、第一道支撐+第三次開(kāi)挖、第二道支撐+第三次開(kāi)挖。

3.1 管道開(kāi)挖土體變形影響分析

管道施工造成土層損失，進(jìn)而對(duì)管道施工影響范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生附加沉降變形。變形最大的位置位于基坑開(kāi)挖底部土體，樁基一側(cè)的土體由于樁基及承臺(tái)的約束，且存在一定距離，土體豎向沉降變形會(huì)受到一定的限制。由圖3可視，最大地層沉降發(fā)生在管坑開(kāi)挖底部，數(shù)值為 9.4mm，由管坑底部至地層深部及兩側(cè)逐漸衰減，直至無(wú)影響[3]。

圖3 管道施工造成地面的變形云圖

3.2 墩臺(tái)水平變形影響分析

管道開(kāi)挖施工時(shí)，隨著開(kāi)挖階段的推進(jìn)對(duì)雙橋門高架墩臺(tái)的影響越來(lái)越大，墩臺(tái)最大水平變形發(fā)生在管道開(kāi)挖至最后一步工況時(shí)，水平變形云圖如圖3所示，墩臺(tái)基礎(chǔ)最大水平位移約為0.25mm[4]。

圖4 管道施工造成橋梁基礎(chǔ)水平位移云圖

3.3 墩臺(tái)豎向變形影響分析

管道開(kāi)挖施工時(shí)，雙橋門高架墩臺(tái)最大豎向變形發(fā)生在管道開(kāi)挖至最后一步工況時(shí)，豎向變形云圖如圖4所示，墩臺(tái)基礎(chǔ)豎向附加沉降最大為0.08mm。橋梁樁基是支撐在強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，由管道施工造成橋梁樁基不產(chǎn)生顯著豎向附加荷載，故而計(jì)算附加沉降量極小，可忽略不計(jì)[5]。

圖5 管道施工引起橋梁基礎(chǔ)豎向位移云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)數(shù)值模擬分析得到以下結(jié)論：

（1）污水管道施工會(huì)造成土層損失，引起影響范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生附加沉降變形，可能會(huì)導(dǎo)致臨近基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生變形。

（2）從數(shù)值模擬結(jié)果可知，管道開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)雙橋門高架墩臺(tái)的變形影響最大情況為開(kāi)挖至坑底時(shí)，此時(shí)由于開(kāi)挖卸載造成高架橋墩臺(tái)最大水平位移為0.25mm，最大豎向變形為0.08mm。其理論計(jì)算結(jié)果均在可控范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)既有高架橋運(yùn)營(yíng)造成安全隱患。

（3）為了確保污水管道施工涉既有高架橋梁的正常運(yùn)營(yíng)，管道施工過(guò)程中應(yīng)盡量減小對(duì)周邊地層的擾動(dòng)，土體開(kāi)挖盡可能選擇振動(dòng)較小的機(jī)械進(jìn)行，并預(yù)留人工開(kāi)挖土層，除特殊情況外不允許超挖；基坑工程施工應(yīng)遵循分區(qū)、分塊、分層、對(duì)稱、限時(shí)原則，從而降低開(kāi)挖過(guò)程中的變形量。