承臺(tái)近接既有熱力管道的施工技術(shù)

劉 新

（中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江湖州 313000）

1 概 述

在橋梁的建設(shè)過(guò)程中會(huì)不可避免地遇到各種復(fù)雜工況，其中橋梁承臺(tái)鄰近埋地管道施工就是經(jīng)常出現(xiàn)的一個(gè)難點(diǎn)。新建橋梁承臺(tái)施工會(huì)對(duì)周邊地層產(chǎn)生擾動(dòng)，通過(guò)巖土體傳遞給既有埋地管道和地層，使其產(chǎn)生位移場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的變化，特別是當(dāng)承臺(tái)施工工程量較大時(shí)可能會(huì)引起管道發(fā)生變形與開(kāi)裂，影響其正常使用或引發(fā)事故。因此開(kāi)展新建承臺(tái)施工對(duì)既有埋地管道與周邊環(huán)境的影響研究成為該類(lèi)工程安全設(shè)計(jì)與施工的重要前提，有著較為重要的研究意義。目前針對(duì)承臺(tái)施工對(duì)隧道、路面和既有橋梁基礎(chǔ)等的影響研究較多［1-5］，而對(duì)于其近接管道施工的方法和影響分析較少，因此本文以海啟高速公路HQ－RD5標(biāo)如泰運(yùn)河大橋14＃承臺(tái)施工為依托背景，利用FLAC3D軟件開(kāi)展新建橋梁承臺(tái)施工對(duì)既有熱力管道的影響研究。

2 工程概況及數(shù)值計(jì)算模型

2.1 工程概況

如泰運(yùn)河大橋施工區(qū)段在14號(hào)墩施工過(guò)程中，與沿河堤方向的既有熱力管道位置非常接近，橫向間距僅為3.6 m，極易對(duì)既有熱力管道產(chǎn)生影響，可能引起其發(fā)生變形甚至破壞，需要開(kāi)展相關(guān)的影響研究。經(jīng)探明，既有熱力管道埋設(shè)深度3.5～4 m，管徑為700 mm。根據(jù)地勘報(bào)告，場(chǎng)地地層土主要有粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉砂、粉砂、粉砂夾粉質(zhì)黏土、細(xì)砂。熱力管道與鄰近橋墩的縱斷面位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 樁基與熱力管道相對(duì)位置

2.2 承臺(tái)基坑開(kāi)挖方案比選

承臺(tái)基坑開(kāi)挖可采取的方案較多，本工程承臺(tái)基坑開(kāi)挖深度8 m左右，開(kāi)挖土方量大，因此需采用放坡開(kāi)挖或采取可靠的支護(hù)體系，在各種支護(hù)方案中，拉森鋼板樁具有重量輕、強(qiáng)度高、施工速度快、利用率高等優(yōu)勢(shì)，在各類(lèi)基坑工程中得到了普遍應(yīng)用。選用不同的開(kāi)挖方式對(duì)既有熱力管道的影響也不一樣，因此本文將放坡開(kāi)挖和采用拉森鋼板樁加鋼支撐支護(hù)開(kāi)挖兩種開(kāi)挖方式下對(duì)管道的影響分別進(jìn)行模擬和對(duì)比研究，以期選擇出較優(yōu)的開(kāi)挖方案。

根據(jù)圣維南原理和實(shí)際工況，取整個(gè)模型計(jì)算范圍為60 m×40 m×30 m（長(zhǎng)×寬×高），橋梁承臺(tái)和熱力管道等尺寸根據(jù)實(shí)際情況選取。由于土體是一種典型的彈塑性材料，其模擬選用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，對(duì)承臺(tái)和管道的模擬選用彈性模型，采用實(shí)體單元建立。拉森鋼板樁采用liner襯砌單元模擬，鋼支撐則采用beam 單元模擬，采用結(jié)構(gòu)單元建立［4-5］。在襯砌與土體之間建立接觸面來(lái)模擬樁基與土的接觸作用。見(jiàn)圖2。

圖2 承臺(tái)、熱力管道位置關(guān)系與鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)

2.3 計(jì)算參數(shù)及荷載施加

根據(jù)地勘報(bào)告，結(jié)合土體和結(jié)構(gòu)體所選的本構(gòu)模型，取各地層計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地層計(jì)算參數(shù)

承臺(tái)的模擬根據(jù)實(shí)際工況選用C30混凝土的參數(shù)，熱力管道鋼管及支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 熱力管道與支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

施工模擬可分為地應(yīng)力平衡、熱力管道施工、土體開(kāi)挖、承臺(tái)施工、荷載施加5個(gè)分析步，承臺(tái)頂部荷載根據(jù)實(shí)際中上部情況會(huì)受到的橋梁自重荷載、二期恒載等以均布荷載的形式施加，取值為13 850 kN。

橋梁承臺(tái)施工完成后兩種不同基坑開(kāi)挖方式下的既有熱力管道沿軸線方向的最大豎向變形曲線見(jiàn)圖3。

圖3 兩種開(kāi)挖方式下的管道最大豎向位移曲線

由圖3知，管道最大豎向位移隨著距基坑開(kāi)挖中心位置的接近而逐漸增大，承臺(tái)基坑采用放坡開(kāi)挖時(shí)對(duì)既有管道的擾動(dòng)影響較大，使管道發(fā)生了較大的豎向位移，最大豎向位移值達(dá)到了20.73 mm，而采用拉森鋼板樁加鋼支撐支護(hù)的開(kāi)挖方式管道最大豎向位移為6.26 mm，兩者相差較大，這是由于放坡開(kāi)挖工程量較大，對(duì)周?chē)h(huán)境擾動(dòng)效應(yīng)較為顯著，而拉森鋼板樁的采用則能有效阻攔承臺(tái)施工引起的變形傳遞，減小對(duì)既有管道的影響?？紤]到在承臺(tái)施工中應(yīng)盡量減小對(duì)既有結(jié)構(gòu)物的影響作用，本工程承臺(tái)基坑宜采用拉森鋼板樁加鋼支撐支護(hù)的施工方案。

既有熱力管道在承臺(tái)的施工作用下產(chǎn)生了一定的附加沉降，管道上部的沉降整體要大于下部，且距離樁基較近處一側(cè)管道位移量要大于較遠(yuǎn)一側(cè)，距離樁基越近處土體位移越大，管道最大沉降發(fā)生在管道的左上方。管道右下方由于土體變形在傳遞過(guò)程中受到管道左側(cè)結(jié)構(gòu)的遮攔作用，其沉降值最小，為4.42 mm。因此在承臺(tái)的施工過(guò)程中需要著重關(guān)注管道左上方的變形情況。

2.4 橋梁承臺(tái)鄰近既有熱力管道施工的風(fēng)險(xiǎn)防控建議措施

基于上述模擬和分析結(jié)果，有針對(duì)性地提出新建橋梁承臺(tái)鄰近既有熱力管道施工的風(fēng)險(xiǎn)防控建議措施：

1）施工前做好科學(xué)詳盡的探測(cè)和預(yù)測(cè)，探明既有管線的具體位置。深入分析工程區(qū)域的水文地質(zhì)條件，嚴(yán)格規(guī)劃和執(zhí)行該地質(zhì)條件下的施工工法，準(zhǔn)確掌握既有熱力管道的保護(hù)區(qū)域和要求，根據(jù)地質(zhì)條件和熱力管道既有的受力和變形情況進(jìn)行施工參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整。

2）選取合適的承臺(tái)基坑開(kāi)挖方案并進(jìn)行優(yōu)化，比如本文選取的拉森鋼板樁加鋼支撐的開(kāi)挖方法或是對(duì)基坑開(kāi)挖進(jìn)行分區(qū)并合理安排開(kāi)挖順序都能較好地控制管道變形。

3）采取加固措施，如采用柔性加剛性材料對(duì)管道進(jìn)行防護(hù)、注漿，對(duì)其周邊土體進(jìn)行加固等措施，都能有效地控制既有熱力管道的變形，減小施工風(fēng)險(xiǎn)。

4）加強(qiáng)管理，密切關(guān)注既有熱力管道較為危險(xiǎn)區(qū)域的受力和變形情況，及時(shí)采取控制措施，保證施工安全。施工期應(yīng)規(guī)劃好材料和施工器具的存放位置，嚴(yán)禁將工程材料堆放在管道上方，以減少附加荷載，防止在樁基施工期間對(duì)管道產(chǎn)生更加不利的影響。完善相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)和安全評(píng)估方法，并做好應(yīng)急預(yù)案。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)FLAC3D軟件建立三維數(shù)值模型，研究了承臺(tái)施工對(duì)周邊土體及既有熱力管道的變形影響規(guī)律，并開(kāi)展了相關(guān)的敏感性分析，得出以下結(jié)論：承臺(tái)基坑不同的開(kāi)挖方法對(duì)既有熱力管道的影響會(huì)有較顯著的差別，一般來(lái)說(shuō)，采用拉森鋼板樁加鋼支撐支護(hù)的開(kāi)挖方式相比放坡開(kāi)挖能有效阻攔基坑開(kāi)挖影響的傳遞，能保證施工的安全性。隨著距離基坑開(kāi)挖中心的接近，管道變形逐漸增大，管道上部沉降要大于下部，且其最大變形發(fā)生在其左上方。在承臺(tái)施工過(guò)程中應(yīng)及時(shí)做好對(duì)管道狀態(tài)的檢查和保護(hù)，及時(shí)采取措施，為管道的正常工作提供保障。