矩形頂管施工對周邊樁基礎位移影響規律研究

張建安

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著國家對基礎設施建設的大力投入，市政建設工程在越來越多城市中興起，道路、橋梁、管廊等一系列的工程建設加快了城市化進程的步伐，在部分城市和地區地面空間越來越稀缺，城市地下空間的開發和利用受到了更多的關注，各種地下空間施工方法得到了空前的發展，其中矩形頂管由于其覆土要求較低、空間利用率高、不影響上部道路交通等特點在地下通道、地鐵出入口等項目中應用越來越多。

目前很多學者對矩形頂管施工對土體及管線的影響做了較多的研究工作，其中林曉慶[1]采用FLAC-3D進行數值模擬分析了矩形頂管施工引起的土體及鄰近地下管線變形和應力分布特點。趙飛陽[2]通過三維建模分析了矩形頂管對既有地鐵區間的影響。對頂管一側有建筑物基礎或橋梁樁基等情況亦有部分學者進行了探討，張馳[3]對于圓形頂管穿越磁浮高架線時對其樁基的影響做了一定分析。張毅等[4]對圓形頂管穿越高架線路的案例進行了探討。王穎等[5]通過三維有限元分析總結了如何避免圓形頂管對公路橋梁可能造成過大沉降。但對于矩形頂管施工時對側方橋梁樁基的影響尚不充足。

本文以某過街通道矩形頂管為例，在算例中增加高架橋梁樁基，采用Midas/GTS軟件進行三維數值模擬方法，分析在一側有高架樁基條件下矩形頂管施工對樁基的影響，給出不同凈距條件下矩形頂管對樁基的影響規律和影響程度劃分，為日后類似工程設計施工提供一定參考。

1 工程概況

本次分析模型采用斷面凈尺寸為5.5 m×3.3 m（寬×高）的矩形管片，壁厚500 mm，共頂進30節，每節管片長1.5 m，管片示意見圖1。分別在穿越段南北側設始發工作井及接收工作井。場地土層分布自上而下依次為：1-1層雜填土，土質松軟；2-2層粉土，中壓縮性，工程地質特性較差；2-4層粉砂，中等壓縮性，工程地質特性一般；3層粉質黏土，工程地質特性較好，5層中風化巖，工程地質特性好。各土層相應物理參數詳見表1，新建頂管通道主要在粉土及粉砂層內頂進施工。

分析中采用的高架橋梁承臺尺寸為4.0m×2.0 m，埋深為2.0 m，樁基采用直徑800 mm鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁長25 m。

2 數值模擬

根據其他學者研究結論，矩形頂管對上覆土體的橫向影響范圍約±3.0 D[1][6]，因此本文主要研究矩形頂管施工對該范圍內的樁基的影響，根據矩形頂管斷面寬度（D）尺寸，分別分析樁基距離管壁 3 m（0.5D）、6 m（1D）、9 m（1.5D）、12 m（2D）、15 m（2.5D）、18 m（3D）情況下樁基因頂管施工所產生的附加變形。

圖1 頂推管節斷面圖（單位：mm）

表1 土層及注漿材料物理參數

2.1 計算假設

參考其他研究人員對頂管施工的數值模擬研究工作[1，6，7]，對計算模型做如下的假定：

（1）模型土體為各向同性、均質、理想彈塑性體；

（2）暫不考慮管片接縫的影響，將其視為各向同性的線彈性體；

（3）頂管推進過程中不考慮土體時間效應，只考慮頂進空間位置的變化；

（4）頂管正面推進力為矩形均布荷載，地層損失沿通道軸向均勻分布，矩形頂管頂進面推力選取1.0P（P為掌子面中心土體豎向壓力）。

2.2 計算模型

分析采用Midas/GTS有限元分析軟件，綜合考慮本項目的范圍，考慮三維模型尺寸為122 m（沿通道長度）×70 m（寬度）×29.7 m（深度），見圖2。始發井、接收井結構、頂管管片材料參數、樁基參數等相見表2。

樁基與頂進管片相對位置關系見圖3。

2.3 計算工況

頂管頂進施工的模擬不考慮始發井及接收井的施工過程，頂進前樁基及承臺均為現狀條件。模擬分析時，通過激活、鈍化不同區域單元模擬矩形頂管頂進過程，每頂進一節管片為一步施工工況。修改管片外一層單元參數來模擬管片外注漿。30節管節共分為30個頂進步，結合初始階段和最后機頭進入接收井的施工，將本工程分為32個施工工況。施工工況示意見圖4。

圖2 分析模型示意圖

表2 結構材料物理力學參數

圖3 管片與樁基相對位置示意圖

圖4 施工工況示意如圖

3 結果分析

3.1 樁基變形分析

頂管施工會引起周圍土體發生不同方向和不同程度的位移，從而使包裹在土體中的橋梁承臺及樁基發生位移，進而產生附加彎矩，當樁基位移及附加彎矩超越一定限值后橋梁結構將無法正常使用。由于大部分橋梁基礎均為端承型樁，一般不發生豎向變形，因此本次研究主要考慮樁基水平向變形。

選取樁基與管壁凈距1.5D模型結果，隨著矩形頂管的步步頂進，橋梁樁基發生沿頂進方向的變形（最大值為8.21 mm），同時發生垂直頂進方向的橫向變形（最大值為1.74 mm），見圖5、圖6。

圖5 凈距1.5D時樁基沿頂進方向變形示意

圖6 凈距1.5D時樁基垂直頂進方向變形示意

對比分析可知樁基垂直頂進方向變形大約為沿頂進方向變形的1/5，可認為矩形頂管施工主要造成樁基沿頂進方向的變形。

選取每一頂進步下樁基沿頂進方向變形見圖7，可知當頂管機頭到達樁基范圍前主要由于矩形頂管機頭頂推力的作用使機頭前方及側方土體發生變形而使樁基發生變形，頂管穿越樁基范圍后雖然管片四周進行了注漿減摩處理，但隨著后續管片的推進帶動作用周圍土體仍然發生沿頂進方向的位移，最后當頂管機頭進入接收井后樁基位移達到穩定值，最大位移可達8.21 mm，因而在頂管施工全過程中樁基變形會一直隨管片的頂進而逐漸變大。

圖7 樁基與管片凈距1.5D時隨頂進過程樁基沿頂進方向位移

3.2 不同凈距樁基變形分析

上述分析結果為樁基與管壁凈距1.5D情況，分別計算凈距為 0.5D、1.0D、2.0D、2.5D、3.0D 時頂管施工樁基變形，選取樁基沿頂進方向以及垂直頂進方向最大變形見圖8、圖9。

根據計算結果可知，隨著樁基與矩形管片凈距的加大，雖然仍會隨頂管的頂進而發生變形，但變形值會明顯逐漸減小，圖8中樁基管片凈距為2.0D時樁基沿頂進方向的位移是0.5D時的約1/2（6.58 mm），凈距為3.0D時約為1/3（4.23 mm＜5.0 mm），可以認為凈距3D以上樁基受到矩形管片頂進的影響大大削弱；圖9中樁基垂直頂進方向的位移隨樁基管片凈距的增加同樣顯著減小，當凈距大于1.5D時位移可認為已基本穩定，但由于垂直頂進方向的位移本身相對偏小，因此綜合判斷可知當樁基在頂管管片外3.0D范圍以內時，受到頂管施工的影響較大，需采用諸如注漿加固、隔離樁等措施進行處理以減小樁基的變形，當樁基遠離矩形頂管管片3.0D以上時可認為頂管施工對樁基影響較小，根據具體工程情況計算滿足橋梁樁基要求時即可不必采用加固隔離等工程措施。

4 結論

本文通過數值模擬分析，研究矩形頂管施工對周邊橋梁樁基的影響，可得結論如下：

（1）矩形頂管施工時會對側邊樁基產生不利影響使其發生沿頂進方向和垂直頂進方向的位變形，且沿頂進方向的位移變形為水平變形中主要部分。

（2）根據不同條件模型計算，樁基的水平變形隨著樁基與管片凈距的增加而逐漸減小，本管工程條件下當樁基與矩形管片凈距小于3.0D時，樁基受到頂管施工的影響較大，需考慮采用一定的工程隔離措施，當凈距大于3.0D時樁基變形已小于5 mm，可認為3.0D為本工程情況下矩形頂管對側邊樁基的安全保護距離，為今后類似相關工程提供一定參考。

[1]林曉慶.矩形頂管施工對鄰近地下管線的影響分析[D].廣東廣州：廣州大學,2012.

[2]趙飛陽.矩形頂管通道施工對既有地鐵區間隧道的影響分析[J].城市道橋與防洪,2017(4)：154-157

[3]張馳.大直徑頂管穿越磁浮線路變形影響實例分析[J].土工基礎,2017,31(1)：4-7

[4]張毅,翟之陽.超大直徑頂管穿越地鐵高架線路關鍵技術研究[J].工程建設與設計,2015(S1)：110-113

[5]王穎,趙華,趙業海.給水管道頂管穿越既有公路橋梁影響研究[J].天津建設科技,2017,27(2)：54-55

[6]龐臣軍,鮑先凱.矩形頂管施工的數值模擬研究[J].施工技術,2013(42)：410-412.

[7]楊朝帥.大斷面矩形頂管隧道施工土體穩定性分析[J].低溫建筑技術,2016(4)：131-134