10kV接入工程非開挖頂管穿越高架的有限元分析

國(guó)網(wǎng)上海市電力公司市南供電公司 史 融 康 健

本工程屬國(guó)網(wǎng)上海市電力公司市南供電公司建設(shè)，本工程位于上海市閔行區(qū)虹橋鎮(zhèn)申長(zhǎng)路、揚(yáng)虹路、通虹路附近，須新建頂管過路頂管1處，該項(xiàng)目總管線長(zhǎng)為130米、電纜溝2座，頂管下方為揚(yáng)虹路，揚(yáng)虹路寬為60米，埋深約8～10m 頂管下端橫穿該道路。靠近施工場(chǎng)地附近為崧澤高架路，該橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱型梁作為結(jié)構(gòu)，經(jīng)測(cè)量該高架路約5～6米，頂管距離橋墩最近約6米。

本工程地基土均屬第四系全新世（Q4）及上更新世（Q3）沉積物，主要由粘性土、粉性土和砂土組成，一般具有成層分布特點(diǎn)。按其沉積時(shí)代、成因類型差異按上海市工程建設(shè)規(guī)范《巖土工程勘察規(guī)范》相關(guān)條款可劃分為七個(gè)主要層次，即雜壤土、灰黃色粉質(zhì)黏土、灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、灰色淤泥質(zhì)黏土、灰色黏土、暗綠色粉質(zhì)黏土、草黃色砂質(zhì)黏土。

場(chǎng)地地基土層分布較穩(wěn)定，土地地基土層分布較穩(wěn)定，土質(zhì)也相對(duì)穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)有影響區(qū)域穩(wěn)定的全新活動(dòng)斷裂，也未發(fā)現(xiàn)有火山活動(dòng)的跡象，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及地震等地質(zhì)、地震背景可知，場(chǎng)地?zé)o全新活動(dòng)性斷裂通過，近場(chǎng)區(qū)內(nèi)地震地質(zhì)環(huán)境較為簡(jiǎn)單，場(chǎng)地總體是穩(wěn)定的，本建筑場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g，且覆蓋層厚度較大，故區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定較好。通過對(duì)楊虹路路面、申長(zhǎng)路與長(zhǎng)虹路交叉口、崧澤高架橋橋墩及尺寸的實(shí)際測(cè)量，明確施工場(chǎng)地的合理性[1]。

1 安全性評(píng)估與分析

1.1 分析方法

為了更加詳盡的評(píng)價(jià)項(xiàng)目施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，除了采用傳統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方法外，應(yīng)用數(shù)值模擬方法是必要的。有限單元法作為一種數(shù)值分析方法已廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中，并在不斷指導(dǎo)工程建設(shè)。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷項(xiàng)目施工對(duì)周圍環(huán)境的影響程度，以此來(lái)作為項(xiàng)目施工的依據(jù)。本工程采用彈塑性有限單元法來(lái)進(jìn)行施工仿真模擬，定量計(jì)算項(xiàng)目施工過程對(duì)周邊環(huán)境的影響。

1.2 物理模型

采用有限元方法計(jì)算初始地應(yīng)力{σ0}時(shí)，據(jù)以建立求解過程的基本方程為：[K0]{δ}={Fb}0+{Fs}0+{Fc}0、{σ0}e=[D][B]{σ}e，式中[K0]為地層材料的初始總體剛度矩陣；{σ}為總體坐標(biāo)系下的結(jié)點(diǎn)位移向量；{Fb}0、{Fs}0、{Fc}0分別為由初始體積力{b}、面力{P}和集中力{Q}引起的等效結(jié)點(diǎn)力，其計(jì)算表達(dá)式分別為：{Fb}0=∫∫A[N]T{b}dxdz，{Fs}0=t∫[N]T{P}ds，{Fc}0=[N]T{Q}，式中：[N]為形函數(shù)矩陣；t 為單元厚度，對(duì)平面應(yīng)變問題t=1。

對(duì)軟土地層，初始地應(yīng)力常與由有限元計(jì)算法得出的結(jié)果不符。對(duì)這類地層，常需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出水平側(cè)壓力系數(shù)K0，據(jù)以計(jì)算初始地應(yīng)力。計(jì)算式 為：δz0=∑γiHi、δx0=K0(δz0-Pw)+Pw，式 中δz0，δx0分別為豎直向和水平向初始地應(yīng)力，γi為計(jì)算點(diǎn)以上第i 層土的容重，Hi為相應(yīng)的厚度，Pw為計(jì)算點(diǎn)的孔隙水壓力。無(wú)經(jīng)驗(yàn)可循時(shí)，水平側(cè)壓力系數(shù)可由下式估計(jì)確定：

式中φ`為有效內(nèi)摩擦角，OCR 為超固結(jié)系數(shù)。

1.3 開挖釋放力的計(jì)算

施工的開挖效應(yīng)一般通過在內(nèi)部邊界上設(shè)置釋放荷載，并將其轉(zhuǎn)化為等效的結(jié)點(diǎn)力。釋放荷載可以由已知初始地應(yīng)力或前一步開挖相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)確定。一般先求得預(yù)計(jì)開挖邊界上各結(jié)點(diǎn)的應(yīng)力，并假定各結(jié)點(diǎn)間應(yīng)力呈線性分布，然后反轉(zhuǎn)開挖邊界上各結(jié)點(diǎn)應(yīng)力的方向(改變其符號(hào))，據(jù)以求得釋放荷載[2]。通過對(duì)初始應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算和開挖釋放力的計(jì)算，得出了線性分布荷載和等效結(jié)點(diǎn)力的計(jì)算式：

對(duì)于各個(gè)施工階段，采用有限元方法按二維問題進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，可依據(jù)經(jīng)驗(yàn)或由現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)得到的位移分別選定不同的應(yīng)力釋放系數(shù)，據(jù)以反映不同施工階段的變化。各施工階段的狀態(tài)變化可由下式表示：

式中L 為施工階段數(shù)；[K0]為土體和結(jié)構(gòu)(如施工前存在)的初始剛度矩陣；[K]j為施工過程中土體和結(jié)構(gòu)剛度的增量或減量，用以體現(xiàn)土體單元的開挖、填筑及結(jié)構(gòu)單元的新增或減少；{Fr}i為第i 施工階段開挖邊界上的等效釋放力；{Fa}i為第i 施工階段新增自重等的等效結(jié)點(diǎn)力。對(duì)位移、應(yīng)變和應(yīng)力的計(jì)算，迭代公式如下，式中{δ},{ε},{σ}分別為位移、應(yīng)變和應(yīng)力向量，{σ0}為初始應(yīng)力，{Δσ}λ為任意時(shí)步的應(yīng)力增量。

分析模型基本假定如下：將土體視作彈塑性、同一巖層土體均為各向同性材料；假定施工管道為線彈性材料，管道間連接為剛性；工程實(shí)測(cè)可知地面變形較小，從目前頂管施工技術(shù)水平、施工區(qū)域特點(diǎn)等分析，頂管施工引起的地面變形屬于小變形問題；由于頂管施工對(duì)土體擾動(dòng)較小，而且應(yīng)力、應(yīng)變較小，一般不會(huì)出現(xiàn)土體的極限破壞變形，假定為彈塑性連續(xù)變形，并且符合Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則（D-P 模型）和相關(guān)流動(dòng)法則；由于水平方向的摩擦阻力恒定作用在土體上，而且因注漿后應(yīng)力水平較低，計(jì)算時(shí)忽略。保持作業(yè)面的正面推進(jìn)力為定值，正面推進(jìn)力簡(jiǎn)化為作用在圓形截面上的均布荷載。

1.4 有限元分析

模型參數(shù)設(shè)置。綜合考慮分析問題的合理性、計(jì)算速度和模型規(guī)模，采取二維有限元平面應(yīng)變模型進(jìn)行分析。項(xiàng)目施工分析過程中，針對(duì)不同分析對(duì)象采用不同的單元類型和本構(gòu)關(guān)系，分析模型的豎向底部采用全自由度約束，側(cè)面采用側(cè)向約束；有限元求解流程。圖1展示了頂管開挖CFD 和CSM耦合求解流程圖，首先建立開挖前模型，即劃分網(wǎng)格、輸入材料屬性（包括土體、接觸面等），建立邊界條件；其次加入橋梁結(jié)構(gòu)，接著求解，得到施工前的自重應(yīng)力場(chǎng)形成的初始平衡狀態(tài)，最后去除自重應(yīng)力場(chǎng)形成時(shí)產(chǎn)生的位移場(chǎng)。

圖1 數(shù)值模擬求解流程

2 結(jié)果和討論

2.1 模擬對(duì)象及模擬結(jié)果

根據(jù)土層參數(shù)，結(jié)合本工程基坑周邊環(huán)境特點(diǎn)，分別建造不同模型，模擬基坑開挖對(duì)周邊建構(gòu)筑物的影響。本工程主要模擬對(duì)象為兩部分：頂管施工對(duì)崧澤高架橋梁基礎(chǔ)（距離頂管約6m）的影響。水平位移Ux 極值為498.67×10-6m，垂直位移Uy 極值為4.60×10-3m；基坑開挖對(duì)DN2000雨水管（豎向距離約2.8m）的影響。變形的網(wǎng)格最大總位移4.6×10-3m，偏應(yīng)力最大偏應(yīng)力469.4kN/m2，相對(duì)剪切應(yīng)力最大相對(duì)剪切應(yīng)力0.97，管線最大位移2.22mm。

2.2 結(jié)果分析

從項(xiàng)目施工對(duì)崧澤高架橋基礎(chǔ)影響的數(shù)值模擬圖中可看出：施工結(jié)束后橋墩近頂管側(cè)最大水平位移0.4mm，橋墩遠(yuǎn)頂管側(cè)最大水平位移0.2mm。施工前初始最大偏應(yīng)力為464.50kN/m2，施工后最大偏應(yīng)力值為469.50kN/m2；最大垂直位移為-4.6mm，最大相對(duì)剪應(yīng)力為0.98。計(jì)算結(jié)果說明頂管施工對(duì)橋梁的整體位移影響較小，頂管相鄰處橋墩位移與其他橋墩相比變化較大，不相鄰橋墩的位移特別小。

由基坑開挖對(duì)雨水管的影響云圖可知，施工后最大水平變形位移為4.97mm，豎向最大變形位移為-4.6mm，最大偏應(yīng)力為469.4kN/m2，最大相對(duì)剪應(yīng)力為0.97。根據(jù)業(yè)主及查閱相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)可知，橋梁基礎(chǔ)變形限值20mm；大直徑剛性管線變形限制為10mm。從有限元模擬結(jié)果中顯然可見，橋墩最大變形值和雨水管最大變形值均在10mm 之內(nèi)。所以頂管施工過程中周邊保護(hù)對(duì)象的變形均在允許范圍內(nèi)，可以確保施工安全。

綜上，得出具體結(jié)論如下：模擬了基坑開挖對(duì)雨水管的影響，施工后最大水平變形位移為4.97mm、豎向最大變形位移為-4.6mm、最大偏應(yīng)力為469.4kN/m2、最大相對(duì)剪應(yīng)力為0.9。其變形量均在可控范圍之內(nèi)，進(jìn)而驗(yàn)證了該工程的合理性；城市非開挖頂管建設(shè)與既有公路、地下管道或其他建構(gòu)筑物有交叉影響時(shí)，以優(yōu)化方案為重點(diǎn)，該工程在該條件下選擇采用頂管施工合理，相對(duì)于盾構(gòu)、暗挖等工法極大地減小了橋梁沉降等風(fēng)險(xiǎn)；涉及高架橋梁施工，安全風(fēng)險(xiǎn)大、牽涉部門眾多、協(xié)調(diào)工作量大，提前籌劃，施工過程中建立有效聯(lián)動(dòng)機(jī)制。