并行雙頂管下穿高速公路橋梁安全性影響研究*

鄧小釗

(長沙拓正交通科技有限公司， 湖南 長沙 410008)

頂管施工可能導致橋梁樁基產生變形，變形大小主要取決于頂管開挖產生的地層損失及樁基和土體的相對剛度。頂管施工前，橋梁樁基在初始地應力場作用下處于平衡狀態；頂管施工對土體產生擾動，引起土體變形移動并產生地層損失，橋梁樁基受到相應擾動而產生變形。并行2根頂管在樁基之間穿過時，頂管施工的力學響應更復雜。鑒于常規安全評價方法難以揭露這種情況下橋梁的安全狀況，運用有限元法分析土體變形，將施工和其他復雜因素對周圍土體的擾動當成一個力學問題，根據土體特性及特點選取合理的本構模型進行求解分析。該文以湖南岳陽市某污水處理廠配套管網工程并行雙頂管下穿高速公路橋梁為例，采用有限元分析軟件MIDAS/GTS NX對土體和橋梁結構變形進行分析與評價。

1 工程概況

岳陽市某污水處理廠配套管網工程穿越高速公路橋南二孔，采用人工頂管施工，總長140 m。管材采用D1 000 mm(P線)、D1 000 mm(W線)專用鋼環套Ⅲ級砼高壓管，管厚為100 mm，每節頂管長度為2 m，其中P線的中心線埋深為2.698～3.484 m，W線的中心線埋深為3.475～4.188 m。2根污水管錯開施工，先施工P線，施工完畢再施工W線，施工由西往東進行。

2 模型建立

2.1 計算參數選取

采用MIDAS/GTS NX 有限元軟件進行模擬計算，土體采用摩爾-庫倫本構，頂管管體、橋梁結構均為砼，采用線彈性模型。材料參數依照工程地質資料選取(見表1)。

表1 土層與結構的物理力學參數

2.2 模型邊界大小和網格劃分

充分考慮邊界效應，X、Y、Z方向計算尺寸分別取80、43.5、30 m，頂管的中心軸平行于X軸。整體計算模型、頂管與橋梁結構模型分別見圖1、圖2。

圖1 頂管施工三維計算模型

圖2 頂管和橋梁的空間位置關系

3 施工工藝的模擬

3.1 頂管管節頂進的模擬

鑒于在MIDAS/GTXNX中實現對管節在地層中動態推進過程的模擬具有很大難度，將管節的整個開挖頂進過程劃分為多個階段性過程，每個階段的頂進距離為一節管節之長(2 m)，采用激活和鈍化網格組的方法模擬頂管頂進和管內土體開挖。

3.2 千斤頂推力模擬

頂管頂進主要依靠工作井中的油缸千斤頂推力，只有當推力大于整個頂管結構在隧道中受到的各種阻力時，頂管才能前進。鑒于對管節在地層中動態推進過程的模擬具有很大難度，建模時把頂管的頂進力假定為頂管橫截面上的均布荷載(見圖3)。

圖3 頂進力模擬示意圖

3.3 管節與地層間摩擦阻力的模擬

管節與地層間的摩擦阻力是管節在頂進過程中所受阻力的主要來源，數值模擬中必須考慮摩擦阻力。將頂管受到的各種側摩阻力簡化為均勻分布在頂管結構上的摩擦力，即對摩擦阻力的模擬通過在頂管管節與土體的接觸面上施加與頂進方向相反的均布面力來實現(見圖4)。

圖4 摩擦阻力模擬示意圖

4 數值模擬結果分析

按2 m一個頂推循環，2條污水管道共82個頂推循環。考慮到頂進步驟較多，僅選取8種施工工況進行分析：工況1為P線頂進10 m；工況2為P線頂進20 m；工況3為P線頂進30 m；工況4為P線頂進40 m；工況5為W線頂進10 m；工況6為W線頂進20 m；工況7為W線頂進30 m；工況8為W線頂進40 m。

4.1 地表沉降

頂管施工不可避免地會造成地面和地下土體移動。地面沉降是危及周邊橋梁結構安全和高速公路交通安全的主要因素，主要體現為橋梁開裂位移。為避免頂管法對周邊橋梁的破壞，需嚴格控制頂管施工區域的地面沉降。管周土體在施工過程中的豎向位移見圖5～12。

圖5 工況1下管周土體豎向位移云圖(單位：m)

圖6 工況2下管周土體豎向位移云圖(單位：m)

圖7 工況3下管周土體豎向位移云圖(單位：m)

圖8 工況4下管周土體豎向位移云圖(單位：m)

圖9 工況5下管周土體豎向位移云圖(單位：m)

圖10 工況6下管周土體豎向位移云圖(單位：m)

圖11 工況7下管周土體豎向位移云圖(單位：m)

圖12 工況8下管周土體豎向位移云圖(單位：m)

為更直觀地了解施工過程中地面豎向位移，分別提取P線、W線中軸線上方土體的節點位移并繪制成折線圖(見圖13、圖14)。

圖13 施工過程中P線頂管豎向位移

圖14 施工過程中W線頂管豎向位移

從圖13、圖14可看出：1) 無論是P管還是W管，頂管頂進過程中，頂管上方地表豎向位移最大區域均出現在頂管開挖面的上方，且不同頂進距離對應的沉降值略有差別，線路中心附近即橋位下方的地表沉降稍大于其他區域。2) 相較于P線施工，W線施工產生的地表沉降值略小，P線施工時地表平均沉降約為0.3 m，W線施工時地表平均沉降約為0.25 mm，降幅約為0.05 mm。其原因是P線頂管施工對土體產生了一定程度的錨固作用。總的來說，頂管施工過程中地表豎向位移不明顯，滿足施工技術要求。

4.2 橋梁樁基位移

頂管施工會引起周圍土體發生不同方向、不同程度的位移，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時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，一般不會發生豎向變形，主要考慮樁基水平向變形，提取各樁基頂點X、Y方向的位移(見圖15～18)。

從圖15～18可看出：頂管頂進施工過程中，各樁基頂端的水平位移變化幅度很小，基本為一條直線；各樁基水平方向的位移也較小，最大不超過0.2 mm，遠小于控制值10mm。橋梁結構水平方向位移總體較低，其原因是頂管管徑較小，開挖引起的擾動經土層擴散衰減后傳遞至橋梁結構，由此引起的橋梁結構力學響應不明顯。頂管兩側的樁基均超出頂管擾動范圍，頂管施工對樁基的影響小。

圖15 左側樁基X方向位移變化

圖16 左側樁基Y方向位移變化

圖17 右側樁基X方向位移變化

圖18 右側樁基Y方向位移變化

4.3 管線位移

由于機械設備有限，該項目的2條管線非同步施工，第2條管線(W線)施工會對已施工完畢的管線產生影響，管線也會產生變形。

W線施工共40個開挖步驟，每次開挖2 m，直至施工結束。為更好地觀察W線頂管施工對P線頂管的影響，在P線施工完畢后將模型的位移清零。W線施工過程中P線管道拱頂的位移見圖19、圖20。

圖19 P線管道拱頂豎向位移

圖20 P線管道拱頂水平位移

從圖19、圖20可看出：1) W線施工前后，P線的位移無明顯變化。隨著頂進距離的加大，P線豎向位移及水平位移均不同程度增加，但增幅較小，其中施工前后水平方向位移平均增加0.01 2 mm，豎向位移平均增加0.015 2 mm，說明W線頂管施工對P線的影響非常細微。W線施工結束時，P線水平方向位移的最大值為0.176 2 mm、平均值為0.004 2 mm，豎直方向位移的最大值為0.531 0 mm、平均值為0.293 2 mm，遠小于變形控制值。2) 無論是水平方向位移還是豎直方向位移，在橋位下方，位移曲線發生震蕩突變，其中拱頂豎向位移的震蕩幅度約為0.1 mm，拱頂水平位移的震蕩幅度約為0.3 mm，而P線水平方向位移和豎直方向位移的平均值分別為0.004 2、0.293 2 mm，說明橋梁樁基對管線豎直位移的影響大于對水平方向的影響。

5 結論

(1) P線地表在施工過程中產生的最大沉降值為0.343 9 mm，施工結束時的平均沉降值為0.152 0 mm，滿足要求；W線地表在施工過程中產生的最大沉降值為0.526 2 mm，施工結束時的平均沉降值為0.133 6 mm，滿足要求。橋位下方地表沉降值大于其他區域的變形值，需采取相應控制措施。

(2) 施工過程中，各樁基頂端的水平位移變化幅度很小，即頂管施工對樁基的影響較小；各樁基水平方向的位移也較小，最大不超過0.2 mm，遠小于控制值10 mm。

(3) W線施工前后，P線水平方向位移的最大值為0.176 2 mm、平均值為0.004 2 mm，P線豎直方向位移的最大值為0.531 0 mm、平均值為0.293 2 mm，遠小于變形控制值。