管線頂管法下穿公路橋梁安全評(píng)價(jià)與分析

于永正

(遼寧省公路勘測(cè)設(shè)計(jì)公司 沈陽(yáng)市 110006)

根據(jù)《公路安全保護(hù)條例》第二十七條和二十八條的相關(guān)規(guī)定，對(duì)涉路工程項(xiàng)目需要進(jìn)行“質(zhì)量和安全技術(shù)評(píng)價(jià)”工作。以某雨水管線頂管法施工下穿公路橋梁為例，進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)評(píng)價(jià)與分析。

1 項(xiàng)目概況

濱海新區(qū)雨水管線東起河北路，西至津塘路泵站，雨水管主管內(nèi)徑為1.4m，總長(zhǎng)3698m，其中K1+500處需要下穿津塘公路津車橋，與橋梁的交叉角度為84°。為保證橋梁結(jié)構(gòu)安全，采用頂管法施工，并在雨水管線外設(shè)置直徑2.4m的保護(hù)套管，管材采用頂進(jìn)施工法用III級(jí)鋼筋混凝土管道，鋼承口，橡膠圈連接，雨水管道采用玻璃鋼夾砂管，套筒式雙插口形式柔性接頭連接，環(huán)剛度大于等于12；鋼筋混凝土套管與玻璃鋼夾砂管的空隙采用吹砂填實(shí)。頂管始發(fā)井位于津塘公路南側(cè)，基坑尺寸為6.6m×9.8m，基坑深度約12.93m，接收井位于津塘公路北側(cè)，基坑尺寸為7.0m×7.3m，基坑深度約13.61m。鋼筋混凝土套管距離橋梁樁基礎(chǔ)位置的最小凈距為5.6m，套管頂面覆土厚度為8.6m。項(xiàng)目穿越位置立面圖如圖1所示。

圖1 穿越位置立面圖

2 地質(zhì)、水文概況

2.1 工程地質(zhì)

本項(xiàng)目地處華北平原，根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告提供的勘察資料，工程場(chǎng)地位于天津?yàn)I海新區(qū)塘沽，屬海積低平原亞區(qū)(Ⅱ5)，主要涉及素填土①2、黏土③1、粉土③2、粉質(zhì)粘土⑥1、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土⑥、淤泥質(zhì)黏土⑥2、粉土⑥3、粉質(zhì)粘土⑥11、黏土⑥21、粉質(zhì)粘土⑥22、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土⑥26。盾構(gòu)穿越土層以流塑⑥2淤泥質(zhì)粘土為主，局部穿越軟塑～流塑狀⑥22粉質(zhì)粘土，稍密狀⑥23粉土，流塑狀⑥25淤泥及流塑狀⑥26淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。頂管施工主要穿越⑥2淤泥質(zhì)粘土。

2.2 水文地質(zhì)條件

本項(xiàng)目所在區(qū)域地下水類型為第四系孔隙型潛水，主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，以蒸發(fā)方式和向附近河流和低洼處排泄為主。勘探期間實(shí)測(cè)穩(wěn)定水位埋深為2.40～5.10m(相對(duì)大沽標(biāo)高為0.52～0.81m)，據(jù)區(qū)域資料及勘察經(jīng)驗(yàn)，潛水位年變幅為0.50～1.00m。該場(chǎng)地抗浮設(shè)計(jì)水位可按大沽標(biāo)高2.00m考慮，地標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為0.60m。

3 施工期間橋梁結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)與分析

3.1 分析方法

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于施工和運(yùn)營(yíng)引起地層變形的預(yù)測(cè)分析方法有很多種，主要有經(jīng)驗(yàn)法、解析法、有限元法等。為保證分析結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性，更好地反應(yīng)樁基受上部結(jié)構(gòu)荷載作用后引起周圍土體變形，進(jìn)而引起地基變形這一過(guò)程，橋梁結(jié)構(gòu)安全分析主要采用MIDAS/GTS NX軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。采用有限元法分析上頂管穿越施工對(duì)既有橋梁的影響。

3.2 計(jì)算參數(shù)

依據(jù)地質(zhì)資料所提供土層類型進(jìn)行模擬計(jì)算，津車橋橋墩、鉆孔灌注樁、管道均視為彈性材料，具體參數(shù)取值如表1、表2所示。

表1 靜止側(cè)壓力系數(shù)、泊松比與地基土的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)

表2 模型中結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)表

3.3 有限元模型建立

采用Midas GTS建立三維模型，為便于描述，首先給出計(jì)算模型中擬采用的坐標(biāo)系：沿津車橋東側(cè)為X軸正方向，反之為負(fù)；沿垂直津車橋北側(cè)方向?yàn)閅軸正方向，反之為負(fù)；沿豎直方向向上為Z軸正方向，反之為負(fù)。為消除計(jì)算邊界效應(yīng)的影響，考慮施工過(guò)程中的空間效應(yīng)，計(jì)算模型取其有效影響范圍，即模型沿X方向取85m，沿Y方向取60m，土層總深度60m。

模型建模思路為首先建立各土層，以此作為初始階段；然后建立公路運(yùn)營(yíng)、開(kāi)挖基坑、套管修建、管道運(yùn)營(yíng)等，并根據(jù)施工階段激活或鈍化相應(yīng)單元及荷載，計(jì)算開(kāi)挖基坑、管道修建、管道運(yùn)營(yíng)對(duì)既有津車橋橋墩的影響，分析模型如圖2所示。

圖2 整體模型

(1)三維實(shí)體單元

土體、橋墩、承臺(tái)、管道結(jié)構(gòu)選用三維實(shí)體單元，可分四節(jié)點(diǎn)、六節(jié)點(diǎn)和八節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，本模型選用混合網(wǎng)格單元，因?yàn)樗奈灰坪蛻?yīng)力結(jié)果與實(shí)際情況比較接近。實(shí)體單元僅有三個(gè)平移自由度，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)自由度。

(2)樁單元

樁單元選用的單元類型是MIDAS-GTS中的梁?jiǎn)卧?，在三維實(shí)體模型中建立梁?jiǎn)卧獣r(shí)，要考慮節(jié)點(diǎn)的共享。樁單元使用了嵌入式梁?jiǎn)卧姆绞?，該單元由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，屬于“棱柱狀三維梁?jiǎn)卧?。梁?jiǎn)卧拿總€(gè)節(jié)點(diǎn)具有六個(gè)自由度，每個(gè)單元具有三個(gè)平移自由度和三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。

(3)樁土界面單元樁土接觸單元采用MIDAS-GTS中提供的用于連接不同材料或剛度相差較大的材料的無(wú)厚度樁界面單元。

(4)邊界條件

土體模型邊界選用地面支承邊界，即在左右邊界約束x方向的自由度，在前后邊界約束y方向的自由度，在底面邊界約束z方向的自由度，地面不約束自由度。

(5)荷載形式自重：程序根據(jù)建立的單元材料容重，自動(dòng)計(jì)算其體積后計(jì)算其自重，最后分配給各單元節(jié)點(diǎn)用于分析。管道運(yùn)營(yíng)荷載考慮管道內(nèi)布置雨水管線。模擬管道施工過(guò)程分析為施工階段分析，一般來(lái)說(shuō)巖土材料都是非線性材料，材料的非線性特性可從巖土的初始條件獲得。所謂初始條件是指施工前的現(xiàn)場(chǎng)條件，也叫原場(chǎng)地條件，其中原場(chǎng)地應(yīng)力最具代表性，獲得原場(chǎng)地的應(yīng)力條件后在原場(chǎng)地條件下按施工順序進(jìn)行全施工階段分析?，F(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際施工階段非常復(fù)雜也經(jīng)常發(fā)生變化，施工階段分析一般是將其簡(jiǎn)化取比較重要的施工階段進(jìn)行分析。

3.4 施工過(guò)程分析

利用MIDAS/GTS軟件在進(jìn)行施工過(guò)程模擬分析時(shí)，大多是分步進(jìn)行的，將每個(gè)施工步模擬結(jié)果包括荷載和體系位移等不斷累加到下一個(gè)施工階段，最終體現(xiàn)在最后施工階段條件施加后產(chǎn)生的影響作用。施工步是指一個(gè)相對(duì)完整的施工階段，每一次頂進(jìn)開(kāi)挖視作一個(gè)施工步。結(jié)合頂管施工過(guò)程，模擬頂管施工單次循環(huán)頂進(jìn)2m。具體施工階段劃分：現(xiàn)狀公路施工前初始應(yīng)力場(chǎng)→公路運(yùn)營(yíng)→位移清零→分節(jié)頂進(jìn)套管→管道運(yùn)營(yíng)。

3.5 位移計(jì)算與分析

套管的修建及運(yùn)營(yíng)會(huì)對(duì)津車橋的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生一定影響，選取部分施工階段的位移云圖進(jìn)行分析，由圖可以看出，每一節(jié)管道施工引起的土體豎向位移變化規(guī)律具有一致性，管道下方土體產(chǎn)生向上位移即隆起，管道上方土體產(chǎn)生向下位移即沉降。土體最大隆起發(fā)生在管道正下方拱底處，最大沉降值發(fā)生在管道正上方拱頂處。

(1)頂管施工期間總體位移分布情況如圖3所示。

圖3 模型的總位移云圖(單位：mm)

(2)頂管施工期間橋梁位移分布情況如圖4所示。

圖4 橋梁的總位移云圖(單位：mm)

(3)頂管施工期間樁基位移分布情況如圖5所示。

圖5 樁基的總位移(單位：mm)

(4)頂管施工期間橋梁樁基軸力變化情況如圖6、圖7、表3所示。

圖6 橋梁樁基正常運(yùn)行期間樁軸力云圖(單位：mm)

圖7 頂管施工完成樁軸力云圖(單位：mm)

表3 最不利位置橋梁樁基軸力變化

4 結(jié)論與建議

本工程雨水管線下穿津塘公路津車橋，采用泥水平衡頂管法施工，管線與公路橋梁的交叉位置、角度、埋深等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足國(guó)家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求。根據(jù)Midas GTS三維模型分析結(jié)果，橋梁樁基的豎向最大總位移為0.81mm，樁基礎(chǔ)的不均勻沉降位移值為0.5mm，軸力變化最大值為2.66kN,頂管穿越施工對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性影響較小，對(duì)上部橋面的影響基本可以忽略不計(jì)，穿越施工期間橋梁結(jié)構(gòu)安全滿足相關(guān)規(guī)定的要求，管線穿越施工對(duì)公路、橋梁及其附屬設(shè)施質(zhì)量和行車安全的影響較小，方案選擇較為合理。

通過(guò)計(jì)算預(yù)測(cè)分析，施工期間對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)存在一定的影響，為了保證橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，應(yīng)對(duì)管線穿越影響范圍內(nèi)的地面沉降、橋梁位移、樁基軸力變化等均應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作，如變化值達(dá)到預(yù)警值，應(yīng)立即停止施工，并分析原因，采取有效的補(bǔ)救措施及時(shí)處理。通過(guò)采取補(bǔ)救措施，可以預(yù)防和減少施工對(duì)公路、公路附屬設(shè)施質(zhì)量和安全的影響。