頂管近距離穿越高架結(jié)構(gòu)的變形影響分析

摘要 文章依托高新園片區(qū)輸水管道改擴建工程案例，通過Midas-GTS三維有限元軟件建立模型，從工作井施作、接收井施作、頂管頂進等方面依次進行了探討，分析了管道頂管施工全過程對高架結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：（1）橋面沉降變形是橋面水平變形的1.68倍，頂管頂進中對橋面變形影響以沉降為主；（2）順橋向水平位移是橫橋向水平位移的3倍，頂管頂進對橋面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平變形在垂直方向比平行于頂進方向大；（3）頂管管徑相對較小，空間效應(yīng)顯著，對相鄰墩柱有較明顯的變形影響，其余較遠橋墩受相鄰橋墩遮擋和距離的影響作用相對較?。唬?）工作井、接收井、頂管頂進施工對墩頂水平位移的影響基本成線性增加，線性斜率與影響距離成正比。研究的相關(guān)結(jié)論可為類似工程建設(shè)提供經(jīng)驗借鑒。

關(guān)鍵詞 頂管；高架結(jié)構(gòu)；橋墩；Midas

中圖分類號 TU992 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）05-0067-03

0 引言

頂管技術(shù)是一種非開挖工藝，因其對周邊環(huán)境影響較小，施工工藝成熟，在市政管道中得到廣泛應(yīng)用。隨著市政路網(wǎng)越來越完善，配套管網(wǎng)敷設(shè)也越來越密集，不可避免地會出現(xiàn)新建管道與既有高架交叉的情況。高架結(jié)構(gòu)變形要求高，如何控制管道施工過程對相鄰高架橋面、橋墩、橋樁的影響，是研究的重中之重。

針對頂管對周邊土體產(chǎn)生的變形機理，不少學(xué)者從理論和數(shù)值仿真方面進行了相關(guān)探討[1-2]，但大部分研究側(cè)重點在于對既有地下隧道結(jié)構(gòu)的影響研究[3-5]，而高架結(jié)構(gòu)的變形分析相對較少。該文依托高新園片區(qū)輸水管道改擴建工程案例，頂管工作井（接收井）、頂進過程會引起周圍土體的擾動，造成既有橋樁的側(cè)摩阻力減小，引起樁基變形，威脅上部橋面安全。通過Midas-GTS三維有限元軟件建立模型，根據(jù)施作順序，依次對工作井、接收井、頂管頂進進行影響分析，探求管道頂管全過程施工對高架結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

高新園片區(qū)輸水管道改擴建工程給水工程與道路高架區(qū)間平面交叉，新建DN1200給水管，給水工程長約84 m，采用頂管法實施；采用D1220×18鋼管，管內(nèi)徑DN1200，鋼材強度為Q355B。管道穿越點大致位于兩橋墩中間，管道中心距相鄰橋墩承臺的最小水平距離約為12.5 m，如圖1所示，交叉段管頂覆土厚4.19 m，管底埋深約為5.4 m，穿越土層3-1層粉質(zhì)黏土層。頂管工作井（φ6.8 m）、接收井（φ4.0 m）與地鐵高架結(jié)構(gòu)外輪廓線的最小水平距離分別約為34.0 m、34.4 m，其開挖深度均約為6.9 m，均采用逆作法實施。

頂管工作井直徑Φ6.8 m，支護井壁厚74 cm，內(nèi)襯井壁厚60 cm，井深6.9 m；頂管接收井直徑Φ4.0 m，支護井壁厚74 cm，內(nèi)襯井壁厚60 cm，井深6.9 m。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，場地從上而下依次為1層素填土、3-1粉質(zhì)黏土層、3-2粉質(zhì)黏土層、4-2粉土夾粉砂層、K2c-1a強風(fēng)化粉砂巖、K2c-2a弱風(fēng)化粉砂巖，其中頂管主要位于3-1粉質(zhì)黏土層，承載力特征值fak=200 kPa，土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示：

2 高架結(jié)構(gòu)狀態(tài)

上部結(jié)構(gòu)：采用25 m簡支U梁；橋梁墩身：錐形墩帽，T形橋墩，墩身截面為圓形，截面尺寸為φ1.6 m；承臺：5.8 m×5.8 m四樁承臺，樁徑1.2 m；樁基：采用4根φ1.2 m鉆孔灌注樁，樁長30 m，持力層為K2c-2a弱風(fēng)化粉砂巖。預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁采用C50，普通鋼筋混凝土蓋梁采用C40，墩柱采用C40，承臺和鉆孔灌注樁均采用C30；承臺下墊層混凝土采用C20。

為了解高架結(jié)構(gòu)的既有現(xiàn)狀，摸清結(jié)構(gòu)病害發(fā)展，經(jīng)實地查看，發(fā)現(xiàn)管道施工影響范圍內(nèi)的高架墩柱混凝土表面無銹水污漬，無劣化剝落鋼筋外露，橋梁外觀整體較完整，無明顯缺陷，結(jié)構(gòu)外觀良好。經(jīng)測試，橋墩彈性波速為3 578～4 312 m/s，混凝土內(nèi)部完整。墩柱最大沉降量為-5.7 mm，最大沉降速率-0.013 mm/d，平均沉降速率-0.002 mm/d?？傮w來說，高架結(jié)構(gòu)橋梁初始狀態(tài)較好。

3 三維數(shù)值分析

3.1 模型分析

該文通過Midas-GTS三維仿真軟件進行數(shù)值模擬，其可以考慮巖土分析中最重要的材料非線性及巖土的初始應(yīng)力狀態(tài)，最大化地反映實際的現(xiàn)場情況。在不同的荷載和邊界條件下，可進行的分析包括應(yīng)力-滲流耦合分析、固結(jié)分析、施工階段分析等。同時，Midas-GTS中工作井（接收井）、頂管頂進施工通過單元消隱模擬實現(xiàn)，能夠真實體現(xiàn)實際的施工過程。管道施工引起周圍土體應(yīng)力變化，繼而引起相鄰高架結(jié)構(gòu)的受力變化，反映其受力特性等。該文本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫倫彈塑性，土體采用實體單元模擬，土體剛度在小應(yīng)變條件下具有高度非線性、應(yīng)力及應(yīng)力路徑相關(guān)性，對變形控制要求高、環(huán)境敏感且復(fù)雜的重大地下結(jié)構(gòu)工程中的準(zhǔn)確預(yù)測變形有著重要作用。

為考慮頂管施工的空間效應(yīng)，此次模型尺寸的長、寬、深分別為150 m×150 m×40 m。為確保頂管全工況與實際施工工況相一致，對模擬工況按實際施工情況進行拆解，按土體初始應(yīng)力場分析（區(qū)間高架橋激活）和位移清零、工作井結(jié)構(gòu)施工（工況1）、接收井結(jié)構(gòu)施工（工況2）、管道頂管施工（工況3）步序，其中頂管按每段頂進2～4 m，共分為70～100個分析步。

支護井圈、內(nèi)襯井的混凝土強度等級為C30，采用板單元模擬。頂管管道為D1220×18鋼管，材質(zhì)為Q355-B，同樣采用板單元模擬，并將頂管管道剛度減少0.8，以考慮管道間連接而引起變形的不連續(xù)性。橋梁上部結(jié)構(gòu)、蓋梁、墩柱及承臺均采用實體單位模擬，其中蓋梁混凝土強度等級為C50，墩柱混凝土強度等級為C40，承臺混凝土強度等級為C30。承臺下樁基采用梁單元模擬，混凝土強度等級為C30。鉆孔灌注樁、承臺、墩柱、支護井、頂管管道單元的計算參數(shù)見表2所示：

3.2 高架結(jié)構(gòu)變形影響分析

3.2.1 橋面變形

根據(jù)模擬分析，頂管施工過程中高架結(jié)構(gòu)橋面的沉降變形云圖顯示，橋面最大沉降、水平位移分別約為0.65 mm、0.388 mm，滿足《江蘇省城市軌道交通工程監(jiān)測規(guī)程》（DGJ32/J 195—2015）[6]變形控制要求。

由圖2可知，在頂管施工過程中，橋面隨著頂管工況的推進而不斷增大，但工作井、接收井施工期間，對橋面變形影響較小，主要因為工作井和接收井距離高架結(jié)構(gòu)相對較遠；隨著頂管頂進施工，橋面沉降、水平變形均迅速增加。其中，橋面沉降變形達到0.65 mm，順橋向橋面水平位移最大約為0.388 mm，橋面沉降變形是水平變形的1.68倍，說明頂管頂進對橋面變形影響以沉降為主。同時，值得注意的是，順橋向水平位移是橫橋向水平位移的3倍，說明頂管頂進對橋面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平變形在垂直方向比平行于頂進方向大。

3.2.2 橋墩、樁變形

根據(jù)模擬分析，頂管施工過程中的橋墩、樁變形云圖顯示，橋墩、樁的最大沉降、水平位移分別約為0.698 mm、0.345 mm，滿足《江蘇省城市軌道交通工程監(jiān)測規(guī)程》變形控制要求。

各工況下墩頂沉降變形位移如圖3所示。由圖3可知，工作井、接收井施工對10～13#墩頂產(chǎn)生的沉降值相對較小，且隨著與工作井和接收井距離的減小而增大，10～13#墩增量分別為0.024 mm、0.05 mm、0.11 mm、0.15 mm。頂管頂進中的10～13#均有明顯增量，且12#、13#墩的增量更為顯著，主要由于頂管管徑相對較小，空間效應(yīng)顯著，僅對相鄰墩柱有較明顯的影響，而其余橋墩受相鄰橋墩遮擋和距離的影響作用，損失較快。

各工況下順橋向墩頂水平位移如圖4所示。由圖4可知，工作井、接收井、頂管頂進施工對墩頂水平位移影響基本成線性增加。工作井、接收井施工完成后，10～13#墩增量分別為0.074 mm、0.1 mm、0.16 mm、0.2 mm；而頂管頂進完成后，10～13#墩增量分別為0.046 mm、0.06 mm、0.161 mm、0.145 mm，線性斜率與影響距離成正比。

根據(jù)現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，頂管施工全過程中引起相鄰高架墩柱出現(xiàn)了沉降和水平位移，其最大值分別約為0.94 mm和0.51 mm，與前面Midas數(shù)值三維模擬結(jié)果較為吻合，說明了數(shù)值模擬的可靠性和準(zhǔn)確性，也證明了其能較好地反映頂管施工全過程對高架結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，變形結(jié)果滿足《江蘇省城市軌道交通工程監(jiān)測規(guī)程》的變形控制要求。

4 結(jié)論與建議

該文依托高新園片區(qū)輸水管道改擴建工程案例，在頂管工作井、接收井、頂進施工過程中會引起周圍土體的應(yīng)力變化，造成既有橋樁的側(cè)摩阻力減小，引起樁基變形，威脅上部橋面安全。通過Midas-GTS三維有限元軟件建立模型，依次對工作井施作、接收井施作、頂管頂進進行探討；根據(jù)影響分析可知，頂管施工全過程中引起相鄰高架結(jié)構(gòu)的最大豎向變形約為0.65 mm，最大水平變形約為0.387 mm，且與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)接近。根據(jù)頂管施工全過程模擬可知，對相鄰高架結(jié)構(gòu)的影響表現(xiàn)為以下幾點：

（1）橋面沉降變形是橋面水平變形的1.68倍，頂管頂進中對橋面變形影響以沉降為主。

（2）順橋向水平位移是橫橋向水平位移的3倍，說明頂管頂進對橋面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平變形在垂直方向比平行于頂進方向大。

（3）頂管管徑相對較小，空間效應(yīng)顯著，對相鄰墩柱有較明顯的變形影響，而其余較遠橋墩受相鄰橋墩遮擋和距離的影響作用相對較小。

（4）工作井、接收井、頂管頂進施工對墩頂水平位移影響基本成線性增加，線性斜率與影響距離成正比。

參考文獻

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[6]城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范：GB 50911—2013[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2014.