林 權(quán)
(廣州市交通設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 511430)
隨著國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷完善,出現(xiàn)越來(lái)越多新舊工程相互影響的項(xiàng)目,其中,承載著城市化、工業(yè)化重要保障功能的各類管道、管線,與作為地下管線重要通道的道路橋梁的關(guān)聯(lián)項(xiàng)目也越來(lái)越多、越來(lái)越復(fù)雜。由于地下設(shè)施具有隱蔽性的特征,施工質(zhì)量會(huì)直接影響道路橋梁的質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)安全。因此,道路管理部門(mén)對(duì)管道敷設(shè)的施工風(fēng)險(xiǎn)管理的力度也逐年增加,尤其是新建管道下穿現(xiàn)狀橋梁的項(xiàng)目,成為了施工風(fēng)險(xiǎn)管理的重點(diǎn)對(duì)象。
目前,相關(guān)管理部門(mén)主要以施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方式作為前期風(fēng)險(xiǎn)管理,且自2011年頒布《公路安全保護(hù)條例》以來(lái),對(duì)涉公路項(xiàng)目均需提供《保障公路、公路附屬設(shè)施質(zhì)量和安全技術(shù)評(píng)價(jià)報(bào)告》。但目前的施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要還是以專家調(diào)查法、層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)為主線的方法為主,這些方法大部分是以定性或定量與定性相結(jié)合的評(píng)估方法,以施工工序?yàn)閷?duì)象,通過(guò)工序分解,分析評(píng)估單元中可能發(fā)生的典型風(fēng)險(xiǎn)事故類型,形成風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)清單,構(gòu)建安全專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系,確定各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。但目前上述評(píng)估方法中所用的定量分析,仍極易受個(gè)人主觀因素所影響。
20世紀(jì)60年代初,國(guó)際上開(kāi)始投入大量的人力和物力開(kāi)發(fā)有限元分析程序,1965年,“有限元”這個(gè)名詞第一次出現(xiàn)。近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高,有限元分析在工程設(shè)計(jì)和分析中得到了越來(lái)越廣泛的重視。根據(jù)當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀,有限元分析方法有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì):與CAD軟件的無(wú)縫集成;更為強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能力;由求解線性問(wèn)題發(fā)展到求解非線性問(wèn)題;程序面向用戶的開(kāi)放性程度高。通過(guò)有限元分析,可以增加產(chǎn)品和工程的可靠性,并且在產(chǎn)品或項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題,經(jīng)過(guò)分析計(jì)算,采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,減少試驗(yàn)次數(shù),從而減少試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)[1]。
該文以工程實(shí)例為依托,以Midas GTS NX有限元分析軟件作為分析工具,建立有限元模型,研究新建管道頂管施工對(duì)臨近結(jié)構(gòu)物(橋梁)穩(wěn)定性的影響,以此探討有限元分析在臨近工程施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用性。
XX項(xiàng)目新建污水管道WZ17-WZ18采用頂管施工,施工長(zhǎng)度108 m,管頂覆土4.30~5.65 m,管材采用Ⅲ級(jí)鋼筋混凝土頂管,管徑為DN1000,頂進(jìn)采用泥水平衡法施工。該頂管段需要穿越XX立交現(xiàn)狀高架橋,施工前需要論證該次污水管道頂管施工對(duì)現(xiàn)狀橋梁運(yùn)營(yíng)安全的影響程度,判斷管道路由是否需要變更或是否需要對(duì)橋梁基礎(chǔ)增加相應(yīng)的防護(hù)措施。
頂管與高架橋的位置關(guān)系如圖1所示。
圖1 頂管與橋梁基礎(chǔ)的位置關(guān)系
1.3.1 模型建立
計(jì)算簡(jiǎn)圖:根據(jù)項(xiàng)目施工圖設(shè)計(jì)文件中頂管與橋梁基礎(chǔ)的相對(duì)位置關(guān)系,綜合確定了平面計(jì)算簡(jiǎn)圖。
地層劃分:根據(jù)項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告中的地層資料,充分考慮頂管施工的不利情況將地層自上而下簡(jiǎn)化為填土、淤泥、粉質(zhì)黏土、中砂、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖六層。
該次模型計(jì)算范圍為橋梁基礎(chǔ)前后各10 m范圍內(nèi)的頂管施工,模型邊界水平方向取至橋梁基礎(chǔ)兩側(cè)各15 m,水平方向取至樁底10 m,充分消除模型的邊界效應(yīng);模擬計(jì)算過(guò)程中約束模型底面豎向位移,約束模型側(cè)面的法向位移。
最終建立模型尺寸為67 m*55 m*35 m,采用混合網(wǎng)格生成器劃分網(wǎng)格,共包含個(gè)57 042個(gè)單元和39 254個(gè)節(jié)點(diǎn),具體如圖2、圖3所示。
圖2 整體模型
圖3 頂管與橋梁基礎(chǔ)位置關(guān)系俯視圖
1.3.2 工況劃分
根據(jù)項(xiàng)目頂管施工專項(xiàng)方案中的相關(guān)要求,結(jié)合該次建模分析的實(shí)際需要,該次計(jì)算共劃分59個(gè)施工階段,具體內(nèi)容如下:
工況1:初始地應(yīng)力平衡。模擬場(chǎng)地初始地應(yīng)力情況,并清空位移場(chǎng)。
工況2:既有橋梁施工。頂管在施工前,場(chǎng)地存在初始應(yīng)力場(chǎng),該初始應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)考慮既有橋梁施工時(shí)導(dǎo)致的土體自重應(yīng)力場(chǎng)的變化,故需要在土體自重應(yīng)力場(chǎng)的基礎(chǔ)上模擬橋梁施工過(guò)程。
工況3:位移清零。頂管掘進(jìn)作為后續(xù)施工,在頂管掘進(jìn)之前它們之間無(wú)變形的相互影響,所以在上述工況2應(yīng)力場(chǎng)基礎(chǔ)上,初始化所有位移為零,僅保存其變化的應(yīng)力場(chǎng)作為頂管施工模擬的初始應(yīng)力場(chǎng)。
工況4~工況59:頂管施工。每個(gè)頂管掘進(jìn)步長(zhǎng)為2 m,共分28個(gè)掘進(jìn)步。每個(gè)掘進(jìn)步分兩個(gè)階段,第一個(gè)階段鈍化開(kāi)挖范圍內(nèi)的土體,在掌子面添加正面推進(jìn)力;第二個(gè)階段激活管片單元,實(shí)現(xiàn)管節(jié)頂進(jìn),并激活注漿部分土體和改變屬性邊界條件,以實(shí)現(xiàn)同步注漿效果。
1.3.3 計(jì)算結(jié)果
為了方便結(jié)果的表達(dá),將坐標(biāo)系及橋梁基礎(chǔ)編號(hào)規(guī)定如圖4~圖7所示。
圖4 橋梁基礎(chǔ)編號(hào)及坐標(biāo)系規(guī)定
圖7 頂管施工結(jié)束后橋梁基礎(chǔ)Z方向變形云圖
圖5 頂管施工結(jié)束后橋梁基礎(chǔ)X方向變形云圖
(1)根據(jù)結(jié)果云圖來(lái)看,頂管頂進(jìn)施工對(duì)周圍土體產(chǎn)生了一定的擾動(dòng),并且頂管隧道開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生的地層變形傳遞到了既有樁基上,樁基周圍土體的力學(xué)性質(zhì)與應(yīng)力場(chǎng)相應(yīng)的發(fā)生了變化,橋梁基礎(chǔ)也產(chǎn)生了一定程度的變形。水平方向主要表現(xiàn)為朝向頂管隧道變形,豎直方向主要表現(xiàn)為沉降。將各工況橋梁基礎(chǔ)變形最大值整理如表1所示。
表1 頂管下穿立交高架橋計(jì)算結(jié)果 /mm
對(duì)比相關(guān)規(guī)范,橋梁基礎(chǔ)變形滿足安全要求。
(2)該次數(shù)值模擬分析計(jì)算結(jié)果表明該項(xiàng)目WZ17-WZ18污水頂管頂進(jìn)施工引起鄰近立交高架橋橋梁基礎(chǔ)的變形符合規(guī)范限制,其安全風(fēng)險(xiǎn)程度在可接受范圍內(nèi)。
(3)該次數(shù)值模擬結(jié)果可為施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考,也可用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。
(4)該次新建污水管道頂管施工對(duì)既有橋梁的運(yùn)營(yíng)安全影響可控,不需變更管道路由,可進(jìn)一步探討就地保護(hù)措施。
隨著科技的不斷進(jìn)步,有限元分析軟件在功能、易用性等方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步,并且與建筑行業(yè)的技術(shù)融合趨勢(shì)也越來(lái)越明顯。有限元分析是一個(gè)有很大潛力的行業(yè)實(shí)踐,尤其是在城市建設(shè)進(jìn)入更新改造階段,有大量的新舊相鄰的項(xiàng)目,通過(guò)有限元的建模分析,可以減少繁重的試驗(yàn)工作,降低項(xiàng)目投資。
該文結(jié)合工程實(shí)例,利用有限元軟件分析了新建工程施工對(duì)臨近結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性的影響程度,實(shí)現(xiàn)了施工前的項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)控制,為項(xiàng)目建設(shè)節(jié)約了資金投入。希望通過(guò)該文的研究為將來(lái)該類型的項(xiàng)目提供安全管理思路和研究借鑒。