橋梁樁基礎(chǔ)施工對既有給水管線的安全影響分析

慕建剛，徐 建

1.紹興市交通運輸行政執(zhí)法隊，浙江紹興312000

2.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院，浙江杭州311231

0 引 言

目前，研究建筑物施工對既有給水管線的影響等相關(guān)的文章較少，但有部分學者探討研究了樁基（與本文類型不同）施工對既有建筑或既有管線的影響。李富榮等［1］從管線直徑、埋深、管線與沉樁施工距離等幾個參數(shù)入手，通過模型試驗研究了沉樁施工過程中地下管線的應(yīng)變影響規(guī)律。黃鵬［2］結(jié)合實際工程從巖質(zhì)地層樁基施工對近距離市政管涵的影響角度進行有限元數(shù)值分析。王嘉勇等［3］基于位移貫入法，分別建立了樁管土接觸面并在樁頂施加位移荷載實現(xiàn)動態(tài)壓樁過程，分析了靜壓沉樁過程對鄰近埋地管道的影響。劉玉柱［4］從橋梁樁基受力的角度出發(fā)，分析樁基對地下管線的影響程度。梁燏東［5］利用有限元軟件分析樁基礎(chǔ)施工對既有結(jié)構(gòu)的影響，并評估相應(yīng)安全性。徐瑩［6］、王龍等［7］也從有限元的角度出發(fā)模擬樁基礎(chǔ)施工對周圍土體的變形，并進行了分析研究。

隨著城市人口的密集，城市的建設(shè)發(fā)展迅速，建筑物分布在既有建筑物下鄰近施工作業(yè)已然成為一種常態(tài)［2］。由于管線結(jié)構(gòu)自身剛度的限制，其對變形控制要求極為嚴格，如何采取有效措施控制管線的變形，保護管線安全，是值得探索和研究的課題［8］。對危險部位事先采取防范措施，規(guī)避風險提出可行性建議，以減少工程實施過程中對管線產(chǎn)生的不利影響。

1 工程概況

杭州至寧波國家高速公路（杭紹甬高速）河莊互通主線橋及蕭山高架1號橋鄰近DN1800的給水鋼筒管道，需針對橋樁施工分析對給水管的影響。

主線橋第5聯(lián)下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。給水管影響范圍基礎(chǔ)采用摩擦樁，持力層位于圓礫層，樁徑2 m，樁長約80 m。橋墩單樁軸向容許承載力中墩樁基礎(chǔ)頂力不小于18 000 kN，邊墩樁基礎(chǔ)樁頂力不小于8 000 kN。

上部結(jié)構(gòu)第6聯(lián)上跨青六線為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。給水管線的影響及橋梁樁基礎(chǔ)與第5聯(lián)相同。

場地淺部分布全新統(tǒng)沖海積粉土、粉砂，松散—稍密，厚度10 m 左右；中部為海積淤泥質(zhì)土，流塑，厚度約40 m，局部漸變呈軟塑狀粉質(zhì)黏土，并夾雜細砂、粉砂層；中下部局部分布沖積的圓礫層，中密—密實狀，厚度達40 m 以上，物理力學性質(zhì)較好；下部為白堊系凝灰?guī)r，中風化巖體性質(zhì)較好，巖質(zhì)堅硬，埋深約102.5 m。

2 給水管探明及其與樁基礎(chǔ)位置關(guān)系

為了確保橋梁樁基礎(chǔ)施工作業(yè)時既有管線的安全，需探明既有管線的材質(zhì)并分析判斷其與橋梁樁基的位置關(guān)系，為后續(xù)橋梁樁基的安全有序施工和既有管線的安全奠定堅實的基礎(chǔ)。探明的情況簡述如下：

既有給水管線管道由高強度混凝土管芯、鋼筒、冷拉預應(yīng)力鋼絲、密實的水泥砂漿保護層、鋼制承插口接頭組成。高強度混凝土管芯是管道的主要結(jié)構(gòu)，可提供光滑的內(nèi)表面以利水流。該管芯內(nèi)的鋼筒起到防滲作用，提供縱向抗拉強度，并可增加環(huán)向強度。

冷拉預應(yīng)力鋼絲以一定的拉應(yīng)力螺旋式纏繞在管芯上，在管芯上產(chǎn)生均勻的預壓應(yīng)力以抵償由內(nèi)壓和外荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

密實的水泥砂漿保護層可以保護高強度鋼絲和管芯，使之免受物理損壞和外界腐蝕。

鋼制承插口接頭焊在鋼筒的兩端，是PCCP的連接件和密封件。

根據(jù)精探成果，采用直埋方式鋪設(shè)DN1800給水鋼筒管道。管道精探3處，最大管頂埋深為（3.05±0.3）m。給水管位于河莊互通主線橋及蕭山高架1號橋北側(cè)，樁基與給水管水平凈距最小約為5 m，最大距離約為14.9 m，橋樁承臺開挖深度約2.5 m。樁基礎(chǔ)與既有管線的位置關(guān)系見圖1。

圖1 樁基礎(chǔ)與既有管線的位置關(guān)系示意

3 樁基對周邊環(huán)境影響理論分析及變形控制

樁基礎(chǔ)工程包含擠土樁與非擠土樁，兩種不同的成樁類型對鄰近構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響有不同的特點。本項目主要采用鉆孔灌注樁，為非擠土樁。樁基礎(chǔ)的承載力由側(cè)摩阻力和端阻力組成，上部荷載通過樁傳入地基，樁基施工及后期承載過程中對周圍土體產(chǎn)生影響，進而對管線產(chǎn)生附加荷載，樁基礎(chǔ)對管線的影響主要與上部結(jié)構(gòu)荷載、樁基礎(chǔ)選型、施工工法、樁基與管線結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系、工程地質(zhì)等因素有關(guān)。根據(jù)建設(shè)階段，可分三個部分考慮樁基礎(chǔ)對水管的影響：1）樁基成樁階段——即樁基施工階段對水管的影響；2）荷載施加階段——即樁基瞬間荷載施加對水管的影響；3）正常使用階段——即樁基長期沉降對水管的影響。

3.1 樁基成樁階段影響分析

根據(jù)相關(guān)研究，鉆孔過程會造成鉆進位置附近土體水平應(yīng)力降低7%左右，但影響范圍較小，僅影響到距離鉆進位置水平2 m范圍。鉆孔過程對樁孔附近土體的豎向應(yīng)力影響非常微弱。鉆孔過程會造成鉆孔位置附近土體孔隙水壓力降低，距離鉆孔1 m位置的土體孔隙水壓力降幅約為靜水壓力的9%。

在混凝土澆筑的過程中，當混凝土澆筑面高于所觀測土體位置時，樁孔附近的土體水平應(yīng)力急劇增長，增長幅度可達54%，但同樣其影響范圍很小，距離樁孔2 m處土體水平應(yīng)力變化率僅為距離樁孔1 m處的土體水平應(yīng)力變化率的13%。土體豎向應(yīng)力有1%～3%的降幅。同時緊鄰樁孔1 m位置的土體孔隙水壓力急劇上升直至混凝土澆筑完成，升幅約為26%。在混凝土澆筑完成后的硬化階段，樁孔附近土體水平應(yīng)力及豎向應(yīng)力均無變化。整個過程對結(jié)構(gòu)的橫截面彎矩以及縱向彎矩影響的絕對量值均較小。但從過程變化來看，泥漿護壁鉆孔過程以及混凝土澆筑面未達到位置前，彎矩變化率明顯小于混凝土澆筑面高于位置后，以及混凝土硬化和后期固結(jié)階段。整體來看，整個鉆孔灌注樁施工過程中影響較大的階段為混凝土澆筑面高于位置后以及混凝土硬化階段。

鉆孔灌注樁在正常施工的情況下，對鄰近的影響較小。但在施工質(zhì)量有問題時（塌孔、縮頸等），鉆孔灌注樁施工對周圍影響較大。

本項目所在場地以粉砂性地層為主，且樁徑達到2 m，塌孔風險極大。在本工程中，可以考慮采用鋼套筒護壁等方式，減小鉆孔灌注樁施工對周邊環(huán)境的影響。

3.2 荷載施加階段影響分析

樁基施工完畢，在上部墩臺和橋梁施工過程中，樁基礎(chǔ)逐步承擔上部荷載。在垂直載荷下，樁基礎(chǔ)會產(chǎn)生豎向沉降，并且?guī)又車馏w的豎向及水平變形。對于距離樁基礎(chǔ)較近的運營水管，會產(chǎn)生附加變形及應(yīng)力。

3.3 正常使用階段影響分析

對樁基周邊長期沉降進行監(jiān)測，從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，鄰近周邊后期加載區(qū)域的管線變形明顯大于其他區(qū)域，鄰近管線的建筑物加載施工是造成管線長期沉降的一個重要因素。

通過研究發(fā)現(xiàn)，從上部結(jié)構(gòu)施工期間來看管線的變形情況與施加于柱基礎(chǔ)上的荷載水平相關(guān)，隨著荷載水平加大，樁基沉降增長速率逐漸加大，管線受到的影響亦相應(yīng)加大。

3.4 橋梁樁基施工振動對鄰近埋地管道影響試驗研究

在常規(guī)振動監(jiān)測中，針對鄰近埋管樁基施工的，主要監(jiān)測管道上方地表的豎向振動速度。在施工樁孔與管道距離較近的情況下，可采取人工掘進樁孔至深度位于管道水平面以下再沖擊施工，以有效減小管道的振動速度進而保證埋地管道的安全運行。

對微地震信號作震源的定位分析與研究，得到由施工沖擊振動引起巖土體破裂的區(qū)域半徑為沖錘半徑的3倍左右。據(jù)此研究結(jié)論得出，如果埋管位于3 倍沖錘半徑（3R） 之外的范圍，即可保證沖擊施工過程中所產(chǎn)生的振動不會對管基的巖土層造成破壞，繼而避免威脅到管道的安全。

對埋地管道附近橋梁樁基振動施工，建議沖擊鉆、強夯影響在管道振動速度0.1 cm/s 以下。

3.5 控制標準

結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范（GB 50268—2008）》［9］和研究成果，當無相關(guān)經(jīng)驗時，對給水管線的變形給出如下變形建議的控制值（表1）。結(jié)合類似工程項目的實踐經(jīng)驗，本次安全評估對給水管的安全控制標準如下：累計值10 mm；變化速率2 mm/d；差異沉降0.25%L。

表1 給水管沉降及差異沉降控制值建議

4 樁基礎(chǔ)施工對給水管結(jié)構(gòu)影響的三維數(shù)值模擬分析

有限元方法是模擬基坑開挖問題的有效方法，它能考慮復雜的因素如土層的分層情況和土的性質(zhì)，支撐系統(tǒng)分布及其性質(zhì)，土層開挖和支護結(jié)構(gòu)支設(shè)的施工過程等。本文研究土體為理想型，且根據(jù)相關(guān)的研究表明地下水等對土體沉降的影響很小，所以本文從單一變量來研究樁基施工對管線沉降的影響。

目前，隨著信息科學技術(shù)的進一步發(fā)展，許多的地下工程均可用軟件模擬分析，為了更好地研究樁基施工對既有水管的影響，在結(jié)合工程實際的基礎(chǔ)上采用GTS NX軟件對杭紹甬高速公路杭州至紹興段橋梁樁基施工進行三維模擬，計算樁基施工對DN1800給水管的空間影響。

4.1 模擬過程及工況

為了計算橋樁施工對既有水管產(chǎn)生的最不利影響，沿水管縱向50 m 范圍建立三維模型。模型共包含113 600個單元，20 280個節(jié)點。

項目橋梁樁基的施工模擬過程有6 個，分別描述如下：初始應(yīng)力狀態(tài)；位移清零；鋼套筒施工；泥漿護壁；挖去套筒內(nèi)部土體，利用水壓力模擬泥漿壓力；澆筑混凝土，施加上部橋梁荷載。建立的有限元模型見圖2。模型中樁基與水管線的相對位置關(guān)系簡圖見圖3。

圖2 施工過程有限元模擬

圖3 樁基與水管線相對位置關(guān)系簡圖

計算的工況有6個：1）樁基與水管距離5 m，不設(shè)鋼護筒；2）樁基與水管距離10 m，不設(shè)鋼護筒；3）樁基與水管距離15 m，不設(shè)鋼護筒；4）樁基與水管距離5 m，設(shè)10 m鋼護筒；5）樁基與水管距離5 m，設(shè)20 m鋼護筒；6）樁基與水管距離5 m，設(shè)全長鋼護筒。

4.2 有限元模擬分析

工況一下既有水管線受力的變形圖見圖4，鑒于篇幅問題，其他各工況下的變形圖不再贅述。

圖4 工況一下既有水管線的受力變形

通過數(shù)值模擬，得到管道在各方案工況情況下的豎向及水平位移，工況一至工況三情況下具體數(shù)值及分析見表2，最大變形量滿足控制要求的限值，總體而言能夠滿足給水管保護要求。

表2 工況一至工況三管道豎向位移與水平位移統(tǒng)計

工況四至工況六情況下具體數(shù)值及分析見表3。表中豎向位移負值為沉降，正值為隆起，水平位移負值為朝橋樁側(cè)位移，表中所列數(shù)值為該方案對應(yīng)全部施工階段完畢后的累加值。

表3 工況四至工況六管道豎向位移與水平位移統(tǒng)計

施工便道荷載及施工平臺荷載作用下，管道的最大豎向位移約為5.3 mm；最大水平位移約為1.4 mm。綜合考慮樁基施工以及地面施工荷載，采用10 m鋼護筒情況下，管道最大豎向位移約為9.6 mm；最大水平位移約為2.3 mm，能夠滿足保護要求。由以上監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制管線影響變形特性及分布趨勢見圖5。

圖5 管線影響變形特性及分布趨勢

由圖5可知，工況一至工況三不加鋼護筒的情況下，樁基距離管線（5 m）時，管線有較明顯的沉降，距離超過10 m 以后沉降基本趨于穩(wěn)定。由于本項目樁徑較大，且存在深厚砂層，打樁過程中容易產(chǎn)生塌孔，實際因為打樁引起的土體損失與地層沉降均可能比計算值更大。因此建議樁基施工對自來水管線影響較大的區(qū)域增設(shè)鋼護筒。工況四至工況六增設(shè)鋼護筒后，能夠有效改善成樁過程槽壁穩(wěn)定，結(jié)合不同鋼護筒深度計算結(jié)果與工程經(jīng)驗，建議采用10 m鋼護筒較為經(jīng)濟合理。管線外側(cè)3 m以外荷載不大于35 kPa，距離管線3 m內(nèi)嚴禁堆載及行車。

5 結(jié) 論

在既有管線的城市橋梁施工會成為后續(xù)工程經(jīng)常遇到的問題和難點，施工前期要精細勘探并依據(jù)相應(yīng)的理論進行有限元模擬，為施工的安全有序提供保障。本工程施工前期的一系列有效研究確保了橋梁樁基礎(chǔ)的順利施工和既有水管線的安全，為同類型的工程提供了參考和借鑒。相應(yīng)的技術(shù)總結(jié)如下：

1）由于本項目淺表以粉砂性地層為主，樁基施工塌孔風險較大。采用鋼套筒后，根據(jù)三維計算分析預測，距離最近5 m的樁基施工，引起的給水管水平位移2.3 mm，豎向位移9.6 mm，能夠滿足保護要求。

2）本項目施工采取了鋼護筒等措施后對給水管的影響滿足保護要求。為改善成樁過程槽壁穩(wěn)定，結(jié)合不同鋼護筒深度計算結(jié)果與工程經(jīng)驗，建議采用10 m 鋼護筒較為經(jīng)濟合理。

3）砂性地層塌孔的可能性及對周邊環(huán)境的影響與樁基的直徑密切關(guān)聯(lián)，如果能減小樁徑，則對保護鄰近給水管更有利。