并行雙頂管下穿高速公路橋梁安全性影響研究*

鄧小釗

(長(zhǎng)沙拓正交通科技有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410008)

頂管施工可能導(dǎo)致橋梁樁基產(chǎn)生變形，變形大小主要取決于頂管開挖產(chǎn)生的地層損失及樁基和土體的相對(duì)剛度。頂管施工前，橋梁樁基在初始地應(yīng)力場(chǎng)作用下處于平衡狀態(tài)；頂管施工對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，引起土體變形移動(dòng)并產(chǎn)生地層損失，橋梁樁基受到相應(yīng)擾動(dòng)而產(chǎn)生變形。并行2根頂管在樁基之間穿過時(shí)，頂管施工的力學(xué)響應(yīng)更復(fù)雜。鑒于常規(guī)安全評(píng)價(jià)方法難以揭露這種情況下橋梁的安全狀況，運(yùn)用有限元法分析土體變形，將施工和其他復(fù)雜因素對(duì)周圍土體的擾動(dòng)當(dāng)成一個(gè)力學(xué)問題，根據(jù)土體特性及特點(diǎn)選取合理的本構(gòu)模型進(jìn)行求解分析。該文以湖南岳陽(yáng)市某污水處理廠配套管網(wǎng)工程并行雙頂管下穿高速公路橋梁為例，采用有限元分析軟件MIDAS/GTS NX對(duì)土體和橋梁結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。

1 工程概況

岳陽(yáng)市某污水處理廠配套管網(wǎng)工程穿越高速公路橋南二孔，采用人工頂管施工，總長(zhǎng)140 m。管材采用D1 000 mm(P線)、D1 000 mm(W線)專用鋼環(huán)套Ⅲ級(jí)砼高壓管，管厚為100 mm，每節(jié)頂管長(zhǎng)度為2 m，其中P線的中心線埋深為2.698～3.484 m，W線的中心線埋深為3.475～4.188 m。2根污水管錯(cuò)開施工，先施工P線，施工完畢再施工W線，施工由西往東進(jìn)行。

2 模型建立

2.1 計(jì)算參數(shù)選取

采用MIDAS/GTS NX 有限元軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，土體采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)，頂管管體、橋梁結(jié)構(gòu)均為砼，采用線彈性模型。材料參數(shù)依照工程地質(zhì)資料選取(見表1)。

表1 土層與結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模型邊界大小和網(wǎng)格劃分

充分考慮邊界效應(yīng)，X、Y、Z方向計(jì)算尺寸分別取80、43.5、30 m，頂管的中心軸平行于X軸。整體計(jì)算模型、頂管與橋梁結(jié)構(gòu)模型分別見圖1、圖2。

圖1 頂管施工三維計(jì)算模型

圖2 頂管和橋梁的空間位置關(guān)系

3 施工工藝的模擬

3.1 頂管管節(jié)頂進(jìn)的模擬

鑒于在MIDAS/GTXNX中實(shí)現(xiàn)對(duì)管節(jié)在地層中動(dòng)態(tài)推進(jìn)過程的模擬具有很大難度，將管節(jié)的整個(gè)開挖頂進(jìn)過程劃分為多個(gè)階段性過程，每個(gè)階段的頂進(jìn)距離為一節(jié)管節(jié)之長(zhǎng)(2 m)，采用激活和鈍化網(wǎng)格組的方法模擬頂管頂進(jìn)和管內(nèi)土體開挖。

3.2 千斤頂推力模擬

頂管頂進(jìn)主要依靠工作井中的油缸千斤頂推力，只有當(dāng)推力大于整個(gè)頂管結(jié)構(gòu)在隧道中受到的各種阻力時(shí)，頂管才能前進(jìn)。鑒于對(duì)管節(jié)在地層中動(dòng)態(tài)推進(jìn)過程的模擬具有很大難度，建模時(shí)把頂管的頂進(jìn)力假定為頂管橫截面上的均布荷載(見圖3)。

圖3 頂進(jìn)力模擬示意圖

3.3 管節(jié)與地層間摩擦阻力的模擬

管節(jié)與地層間的摩擦阻力是管節(jié)在頂進(jìn)過程中所受阻力的主要來源，數(shù)值模擬中必須考慮摩擦阻力。將頂管受到的各種側(cè)摩阻力簡(jiǎn)化為均勻分布在頂管結(jié)構(gòu)上的摩擦力，即對(duì)摩擦阻力的模擬通過在頂管管節(jié)與土體的接觸面上施加與頂進(jìn)方向相反的均布面力來實(shí)現(xiàn)(見圖4)。

圖4 摩擦阻力模擬示意圖

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

按2 m一個(gè)頂推循環(huán)，2條污水管道共82個(gè)頂推循環(huán)。考慮到頂進(jìn)步驟較多，僅選取8種施工工況進(jìn)行分析：工況1為P線頂進(jìn)10 m；工況2為P線頂進(jìn)20 m；工況3為P線頂進(jìn)30 m；工況4為P線頂進(jìn)40 m；工況5為W線頂進(jìn)10 m；工況6為W線頂進(jìn)20 m；工況7為W線頂進(jìn)30 m；工況8為W線頂進(jìn)40 m。

4.1 地表沉降

頂管施工不可避免地會(huì)造成地面和地下土體移動(dòng)。地面沉降是危及周邊橋梁結(jié)構(gòu)安全和高速公路交通安全的主要因素，主要體現(xiàn)為橋梁開裂位移。為避免頂管法對(duì)周邊橋梁的破壞，需嚴(yán)格控制頂管施工區(qū)域的地面沉降。管周土體在施工過程中的豎向位移見圖5～12。

圖5 工況1下管周土體豎向位移云圖(單位：m)

圖6 工況2下管周土體豎向位移云圖(單位：m)

圖7 工況3下管周土體豎向位移云圖(單位：m)

圖8 工況4下管周土體豎向位移云圖(單位：m)

圖9 工況5下管周土體豎向位移云圖(單位：m)

圖10 工況6下管周土體豎向位移云圖(單位：m)

圖11 工況7下管周土體豎向位移云圖(單位：m)

圖12 工況8下管周土體豎向位移云圖(單位：m)

為更直觀地了解施工過程中地面豎向位移，分別提取P線、W線中軸線上方土體的節(jié)點(diǎn)位移并繪制成折線圖(見圖13、圖14)。

圖13 施工過程中P線頂管豎向位移

圖14 施工過程中W線頂管豎向位移

從圖13、圖14可看出：1) 無論是P管還是W管，頂管頂進(jìn)過程中，頂管上方地表豎向位移最大區(qū)域均出現(xiàn)在頂管開挖面的上方，且不同頂進(jìn)距離對(duì)應(yīng)的沉降值略有差別，線路中心附近即橋位下方的地表沉降稍大于其他區(qū)域。2) 相較于P線施工，W線施工產(chǎn)生的地表沉降值略小，P線施工時(shí)地表平均沉降約為0.3 m，W線施工時(shí)地表平均沉降約為0.25 mm，降幅約為0.05 mm。其原因是P線頂管施工對(duì)土體產(chǎn)生了一定程度的錨固作用?？偟膩碚f，頂管施工過程中地表豎向位移不明顯，滿足施工技術(shù)要求。

4.2 橋梁樁基位移

頂管施工會(huì)引起周圍土體發(fā)生不同方向、不同程度的位移，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時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)將無法正常使用。由于大部分橋梁基礎(chǔ)均為端承型樁，一般不會(huì)發(fā)生豎向變形，主要考慮樁基水平向變形，提取各樁基頂點(diǎn)X、Y方向的位移(見圖15～18)。

從圖15～18可看出：頂管頂進(jìn)施工過程中，各樁基頂端的水平位移變化幅度很小，基本為一條直線；各樁基水平方向的位移也較小，最大不超過0.2 mm，遠(yuǎn)小于控制值10mm。橋梁結(jié)構(gòu)水平方向位移總體較低，其原因是頂管管徑較小，開挖引起的擾動(dòng)經(jīng)土層擴(kuò)散衰減后傳遞至橋梁結(jié)構(gòu)，由此引起的橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)不明顯。頂管兩側(cè)的樁基均超出頂管擾動(dòng)范圍，頂管施工對(duì)樁基的影響小。

圖15 左側(cè)樁基X方向位移變化

圖16 左側(cè)樁基Y方向位移變化

圖17 右側(cè)樁基X方向位移變化

圖18 右側(cè)樁基Y方向位移變化

4.3 管線位移

由于機(jī)械設(shè)備有限，該項(xiàng)目的2條管線非同步施工，第2條管線(W線)施工會(huì)對(duì)已施工完畢的管線產(chǎn)生影響，管線也會(huì)產(chǎn)生變形。

W線施工共40個(gè)開挖步驟，每次開挖2 m，直至施工結(jié)束。為更好地觀察W線頂管施工對(duì)P線頂管的影響，在P線施工完畢后將模型的位移清零。W線施工過程中P線管道拱頂?shù)奈灰埔妶D19、圖20。

圖19 P線管道拱頂豎向位移

圖20 P線管道拱頂水平位移

從圖19、圖20可看出：1) W線施工前后，P線的位移無明顯變化。隨著頂進(jìn)距離的加大，P線豎向位移及水平位移均不同程度增加，但增幅較小，其中施工前后水平方向位移平均增加0.01 2 mm，豎向位移平均增加0.015 2 mm，說明W線頂管施工對(duì)P線的影響非常細(xì)微。W線施工結(jié)束時(shí)，P線水平方向位移的最大值為0.176 2 mm、平均值為0.004 2 mm，豎直方向位移的最大值為0.531 0 mm、平均值為0.293 2 mm，遠(yuǎn)小于變形控制值。2) 無論是水平方向位移還是豎直方向位移，在橋位下方，位移曲線發(fā)生震蕩突變，其中拱頂豎向位移的震蕩幅度約為0.1 mm，拱頂水平位移的震蕩幅度約為0.3 mm，而P線水平方向位移和豎直方向位移的平均值分別為0.004 2、0.293 2 mm，說明橋梁樁基對(duì)管線豎直位移的影響大于對(duì)水平方向的影響。

5 結(jié)論

(1) P線地表在施工過程中產(chǎn)生的最大沉降值為0.343 9 mm，施工結(jié)束時(shí)的平均沉降值為0.152 0 mm，滿足要求；W線地表在施工過程中產(chǎn)生的最大沉降值為0.526 2 mm，施工結(jié)束時(shí)的平均沉降值為0.133 6 mm，滿足要求。橋位下方地表沉降值大于其他區(qū)域的變形值，需采取相應(yīng)控制措施。

(2) 施工過程中，各樁基頂端的水平位移變化幅度很小，即頂管施工對(duì)樁基的影響較?。桓鳂痘椒较虻奈灰埔草^小，最大不超過0.2 mm，遠(yuǎn)小于控制值10 mm。

(3) W線施工前后，P線水平方向位移的最大值為0.176 2 mm、平均值為0.004 2 mm，P線豎直方向位移的最大值為0.531 0 mm、平均值為0.293 2 mm，遠(yuǎn)小于變形控制值。