管道開挖對臨近高架橋墩臺影響的有限元分析

毛淑欣

蘇交科集團股份有限公司 江蘇 南京 211100

前言

管道工程開挖是一個動態過程，由于開挖擾動、地層損失和固結沉降等因素的影響，與之有關的穩定和環境影響也是個動態過程，從而導致臨近高架橋結構產生移動和變形。本文采用有限元軟件Midas GTS，對某污水管道施工涉沿線既有高架橋的影響進行數值模擬分析，通過對管道施工過程對橋梁墩臺影響的評估分析，得到管道施工造成橋梁墩臺沉降、水平位移的理論值，結合規范標準中的相關規定，為橋梁監測提供理論依據，并為管道施工過程中判斷橋梁結構安全提供技術支持和指導性意見。

1 工程背景

擬建工程位于南京市秦淮區雙橋門街，整體上呈東西走向，西起江寧路，東至龍蟠南路，道路全長1800m，道路紅線寬6～9m。雙橋門街新建DN400污水管道約380m，接至雙橋門泵站進水前水井，全線采用開挖施工，其中DN400污水管長373米，原管位恢復DN500雨水管長142m。

擬建管線臨近雙橋門高架西側匝道最近約15.8m，開挖深度3.8m，介于H=3.0m～4.0m之間，按照設計規定，采用9m長FSP-Ⅲ型拉森鋼板樁和兩道300×300×10×15型鋼進行基坑支護，其中第一道支撐距地面500mm[1]。開挖深度大于3.0m的支護結構剖面圖如圖1所示。管道場地開挖影響深度范圍內的土層主要物理力學性質見表1。

圖1 基坑大于3米支護剖面圖

表1 土層物理力學參數

2 有限元數值模型

2.1 基本假設

為了盡可能達到與實際相符的計算環境，需要對地層結構進行部分簡化和處理，以適應計算理論和軟件，本次計算基本假設包括：①初始應力只考慮土體的自重，忽略構造應力的影響。②所有材料均為均質、連續、各向同性，土體水平成層分布。③邊界條件：左右采用的為 X 向的法向約束，底面對 X、Y 兩個方向進行約束。

2.2 整體模型

本項目結構模擬采用彈性本構模型，土層采用修正Mohr-Coulomb模型，計算采用二維平面模型，模型采用地層-結構模型，土體采用平面應變單元模擬，本構模型為修正摩爾庫倫模型；鋼板樁和內支撐采用梁單元模擬，本構模型均為彈性； 橋墩和立柱采用映射網格劃分的平面應變單元，承臺和素混凝土墊層采用自由網格劃分的平面應變單元。

模型大小取為50m×30m，整體模型邊界條件設定外側土體四周約束其水平位移，底部邊界約束其豎向位移，地表為自由邊界。在模擬過程中，通過激活和鈍化開挖土體單元、支護結構單元模擬施工過程，模型設定管道施工前的初始位移為零，以便分析管道施工后對樁柱的影響。整體模型如圖2所示。

圖2 整體模型

3 管道開挖計算分析

通過對管道開挖過程的有限元分析，模擬管道開挖過程對橋梁墩臺的變形影響，評價雙橋門高架橋正常運營的安全風險。本項目數值模擬工況包括：初始應力、鋼板樁支護、第一次開挖、第一道支撐+第三次開挖、第二道支撐+第三次開挖。

3.1 管道開挖土體變形影響分析

管道施工造成土層損失，進而對管道施工影響范圍內的土體產生附加沉降變形。變形最大的位置位于基坑開挖底部土體，樁基一側的土體由于樁基及承臺的約束，且存在一定距離，土體豎向沉降變形會受到一定的限制。由圖3可視，最大地層沉降發生在管坑開挖底部，數值為 9.4mm，由管坑底部至地層深部及兩側逐漸衰減，直至無影響[3]。

圖3 管道施工造成地面的變形云圖

3.2 墩臺水平變形影響分析

管道開挖施工時，隨著開挖階段的推進對雙橋門高架墩臺的影響越來越大，墩臺最大水平變形發生在管道開挖至最后一步工況時，水平變形云圖如圖3所示，墩臺基礎最大水平位移約為0.25mm[4]。

圖4 管道施工造成橋梁基礎水平位移云圖

3.3 墩臺豎向變形影響分析

管道開挖施工時，雙橋門高架墩臺最大豎向變形發生在管道開挖至最后一步工況時，豎向變形云圖如圖4所示，墩臺基礎豎向附加沉降最大為0.08mm。橋梁樁基是支撐在強風化粉砂巖，由管道施工造成橋梁樁基不產生顯著豎向附加荷載，故而計算附加沉降量極小，可忽略不計[5]。

圖5 管道施工引起橋梁基礎豎向位移云圖

4 結束語

本文通過數值模擬分析得到以下結論：

（1）污水管道施工會造成土層損失，引起影響范圍內的土體產生附加沉降變形，可能會導致臨近基礎設施發生變形。

（2）從數值模擬結果可知，管道開挖過程中對雙橋門高架墩臺的變形影響最大情況為開挖至坑底時，此時由于開挖卸載造成高架橋墩臺最大水平位移為0.25mm，最大豎向變形為0.08mm。其理論計算結果均在可控范圍內，不會對既有高架橋運營造成安全隱患。

（3）為了確保污水管道施工涉既有高架橋梁的正常運營，管道施工過程中應盡量減小對周邊地層的擾動，土體開挖盡可能選擇振動較小的機械進行，并預留人工開挖土層，除特殊情況外不允許超挖；基坑工程施工應遵循分區、分塊、分層、對稱、限時原則，從而降低開挖過程中的變形量。