頂管頂進施工過程對鄰近地下管線的影響分析

龔玉鋒

（深圳市廣匯源環境水務有限公司，廣東深圳518001）

1 概述

作為一種非開挖施工工藝，頂管在市政工程得到廣泛應用，避免了開挖支護對周邊空間的占用及交通的影響，也最大程度地減小了對周圍土體的擾動。但如果鄰近地下管線相距較近，頂管的擠土效應也不能完全忽略，因此必須合理分析，準確評價，必要時甚至需要采用適當的補償措施，也是頂管設計時需要重點考慮的[1-3]。

本文采用三維有限元方法來模擬東方排洪渠整治工程中新增排洪管涵從高速公路高架橋底穿越對相鄰垂直交叉的橋樁基礎及地下管線的影響，定量評價其對樁基礎承載和燃氣管線運行安全的影響，為是否需要采用補償措施提供決策依據。

2 工程情況

東方排洪渠整治工程中排洪管涵從高速公路高架橋底穿越，擬采用頂管施工，管涵中心線與高速公路軸線基本垂直，且位于橋跨中部。高架橋下平行于路軸線方向敷設有DN500 次高壓燃氣管道，與頂管豎向凈距僅為2.0m。

根據地勘鉆孔，場地內自上而下可分為：人工填土、第四系沖洪積層、殘積層及震旦系基巖。其中，人工填土層（Qml）主要有粉質粘土、碎石等，土質不均勻，且松散，層厚0.50～5.10m。第四系沖洪積層（Qal+pl）包括淤泥、粘土、淤泥質土、粉砂、含砂粉質粘土，其物理力學性質較差，層厚在3.70～5.50m。

第四系殘積層（Qel）為砂質粘性土，可塑，韌性，強度中等。層厚2.20～15.50m。下臥震旦系基巖（Z）為花崗混合巖地層，全強風化，巖芯泡水易軟化、崩解，層厚3.50～12.30m。各巖土層物理力學參數如表1所示。

3 數值建模及計算假定

3.1 有限元模型

根據頂管尺寸及對周邊土層的影響，確定計算范圍為：管線兩側各向外取黨員大于10D管（頂管外徑），橋墩外側大于10D樁（橋樁直徑），取20.0m。從地面往下取20.0m；管線軸線方向，次高壓燃氣管道側從管道處往外20.0m，靠近上晉鈦金廠側橋樁處往外取20.0m，共72.6m。模型尺寸72.6m×40.0m×20.0m（長×寬×深），如圖1所示。各土層厚度根據地勘報告取平均值，地層參數根據表1選取。管線、橋樁及燃氣管道的位置按實際情況建入模型，見圖2。

表1 巖土層物理力學指標建議值表

圖1 頂管效應分析的三維有限元模型

圖2 頂管、橋樁及燃氣管道相對位置圖

模型中土體單元采用Solid45 單元，管線采用Shell43 單元，橋樁及燃氣管線采用Beam188 單元。管線處單元尺寸0.5m×0.5m，邊界處單元尺寸2m×2m。

計算邊界條件：地表為自由面，模型側面側向約束，底部全約束。

3.2 計算假定

土體為均勻的各向同性彈性體，采用三維8結點等參塊體單元模擬；頂管正面推力為圓形均布荷載，不考慮土體的時間效應，只考慮頂進空間距離的變化。

由于頂管機頭和襯砌的剛度遠大于土體剛度以及彈性體位移連續性的要求，不考慮實際的頂管機頭和襯砌，而以力來模擬。

3.3 數值模擬

計算模型范圍內模擬頂管頂進分為12 段進行模擬。每頂進1段，于頂管前艙面施加附加的正面推力，通過單元的激活以及失效控制命令激活該段的頂管單元，設置該段的土單元為失效狀態，使之模擬施工開挖過程。12段開挖則分為12個荷載步逐步施加。

4 結果分析

4.1 變形結果

圖3、圖4為頂管頂進過程中引起橋樁及燃氣管線位移變化圖。可以看出頂管頂進時對周圍的橋樁及燃氣管線存在一定的影響，且距離越近影響越大。由頂管頂進引起的燃氣管線最大變形為0.24mm，橋樁最大變形為0.12mm。

圖3 頂管首次頂進后的橋樁及燃氣管位移

圖4 頂管頂出后的橋樁及燃氣管位移

4.2 內力結果

圖5、圖6為頂管頂進過程中引起橋樁及燃氣管的最大內力。

圖5 橋樁及燃氣管道最大彎矩

圖6 橋樁及燃氣管道最大剪力

從圖上可以看出頂管頂進引起橋樁最大彎矩為19.2kN·m，最大剪力為4.8kN。

5 結束語

（1）本文針對東方排洪渠整治工程頂管穿越高速公路高架橋下的影響進行數值模擬分析，ANSYS有限元分析結果表明頂管穿越土層的剛度及彈模與頂管相比差異懸殊，造成的變形及應力分布調整影響極其有限，因而施工方案是可接受的。

頂管施工對橋樁引起的附加應力導致產生的位移0.12mm、彎矩19.2kN·m、剪力4.8kN，在結構允許的附加變形及受力范圍內，不影響高速公路正常運行。對于次高壓燃氣管線，受影響位移最大0.24mm，在其能承受的變形范圍內，不影響正常運行。

（2）頂管施工是一個動態過程[4-5]，施工過程中宜實時監測，必要時進行反演分析，進一步驗證分析結果，為后續類似工程的分析提供有借鑒意義的參考。