頂管施工對既有橋梁影響的三維數值分析

劉順青， 王旭暢， 王文博， 周愛兆， 侯賀營

(江蘇科技大學土木工程與建筑學院， 鎮江 212100)

隨著國家海綿城市建設的不斷推進，在城市進行管網建設時采用明挖施工的條件大多不具備，而頂管法作為一種非開挖法在城市管網建設中使用越來越廣泛。頂管施工通常穿越的路線較長，在下穿過程中常會遇到既有橋梁，然而頂管施工對既有橋梁的影響如何已受到工程界和學術界的廣泛關注。

目前中外針對頂管施工對周邊環境及構筑物影響的分析方法主要有現場測試法[1-3]、理論分析法[4-5]及數值模擬法[6-9]。頂管施工是一個復雜的三維過程，依靠單純的理論分析難以準確描述實際的工程條件[10]，而采用三維數值模擬結合理論分析對頂管的施工過程進行模擬，可為頂管施工對周邊構筑物的影響提供較為合理的解決方案。目前已有的研究主要集于頂管施工中的力學問題[11-12]及頂管施工誘發的地面變形[13-14]等方面。袁心等[15]通過現場實測分析研究了蘇州某管廊矩形頂管管周壓力的變化規律；郭延輝等[16]采用數值模擬分析了天然氣管道頂管施工引起的頂管結構及上部公路路面的變形規律和受力特征；尹文強等[17]以南水北調中線磁縣段頂管為例，對頂管施工引起的地表沉降進行了理論預測，并采用現場實測結果對理論模型參數進行了優化。從上述的分析可知，目前頂管施工對既有橋梁變形的影響如何，特別是頂管施工對周邊橋梁存在影響后如何提前處治仍缺少系統研究。

因此，現以鎮江海綿城市建設項目中的沿金山湖溢流污染綜合治理二級管網工程為背景，分析頂管施工對臨近北新河橋的影響，并給出具體的安全保護方案。研究結果和方法為類似的頂管工程提供參考，具有實際工程意義。

1 工程概況

鎮江海綿城市建設項目中的沿金山湖CSO溢流污染綜合治理二級管網工程，以新河橋泵站為起點，沿新河西岸布設DN2000鋼筋混凝土頂管，用于收集新河橋泵站及江南泵站服務片區及新河橋西側排口對應服務片區的初期雨水，輸入至大管道1號井，結合末段雨水泵站及處理設施，消減服務范圍內的合流制溢流污染。工程服務范圍約0.57 km2，設計標準按年一遇(80.6 mm)設計，二級管道設計流量約2.42 m3/s。

下穿北新河橋段頂管為鋼筋混凝土管道，內徑2.0 m，區間長度415 m，覆土深度最大11.4 m，主要穿越土層為砂質粉土層，主要障礙物為原北新河橋地基加固區，地質剖面如圖1所示。

2 工程地質條件

根據勘察報告，分析研究區的地層從上向下依次為：① 雜填土，松～稍密，厚度為0.2～0.8 m；②-1 粉質黏土，灰黃～淺灰色、灰褐色，軟塑～流塑，局部粉粒含量較高，層厚為5.60～0.50 m；②-3a 砂質粉土，灰色，很濕，稍～中密，夾有粉砂及粉質黏土薄層，層厚4.20～0.40 m；②-3a1粉質黏土，灰色，軟塑～流塑，夾薄層～厚層灰色粉砂，局部為粉質黏土與粉砂(或粉土)互層，層厚10.60～1.50 m；②-3c 粉砂，灰色，中密，飽和，局部夾薄層灰色軟～流塑狀粉質黏土，層厚為7.80～0.90 m；②-4 粉質黏土，灰黃～淺灰色，局部灰綠色，可塑，局部偏硬，該層粉粒含量較高，含少量砂及碎石，偶見鈣結核分布，層厚14.80～2.50 m。

3 頂管施工引起的地面沉降理論計算值

海綿城市管網中的頂管工程采用DN2000鋼筋混凝土管，頂管管道中心埋深為10.0～11.5 m，頂管主要穿越土層為砂質粉土層，主要障礙物為新河橋地基加固區。本文選取覆土深度10 m來進行頂管施工引起地面沉降的計算。

混凝土管道內徑:D=2 000 mm，混凝土管道外徑:D1=2 420 mm。管道頂至原狀地面的覆土厚度:Hs=8.79 m。

管頂土的加權內摩擦角為

(1)

管頂土的加權黏聚力為

≈11.0 kPa

(2)

管頂土的加權重度為

γs=4.2×18.1+1.8×18.4+1.5×18.9+

1.29×19.1/8.79≈18.4 kN/m3

(3)

管頂土的自重應力為

σ1=γsHs=18.4×8.79≈161.7 kPa

(4)

采用朗肯土壓力理論按抗剪強度相等的原則進行換算，管頂土的折算內摩擦角為

≈25°。

沉降槽寬度系數為

頂管管道每米的計算出土量為

超挖量按計算出土量的2%計，則

Vs=V1×2%=4.597×2%≈0.092 m3/m。

根據《頂管工程設計標準》(J14552—2019)，頂進管道軸線上方的最大地面沉降量為

距離頂管中心線8.5 m處北新河橋的沉降估算值為

4 頂管施工對北新河橋橋臺的影響分析

4.1 三維計算模型的建立

頂管施工對北新河橋橋臺的影響分析采用三維有限元計算軟件Midas GTS NX建立模型，主要包含以下內容：頂管的管道、地基土、原地基加固土、北新河橋樁基和承臺，根據《城市橋梁養護技術標準》(CJJ99—2017)的要求，選取三維模型的計算范圍為65 m(長)×65 m(寬)×60 m(高)。

為研究各構件的荷載和變形效應，以便指導后期的頂管施工，經綜合考慮，各構件模擬情況如下：土體及加固土模型采用三維塊體單元模擬，劃分的網格單元數為28 092；承臺及頂管管道采用板單元模擬，承臺及頂管管道劃分的網格單元數分別為248、1 840；樁基采用植入式梁單元模擬，劃分的網格單元數為1 586。整體計算模型、頂管計算模型及北新河橋橋臺計算模型分別如圖2～圖4所示。

圖2 整體計算模型圖Fig.2 Overall calculation model diagram

1～26為劃分的頂管編號圖3 頂管計算模型圖Fig.3 Pipe jacking calculation model diagram

圖4 北新河橋橋臺計算模型圖Fig.4 Calculation model diagram of Beixinhe bridge abutment

4.2 計算模型參數

根據該工程的勘察報告，三維計算模型中的巖土層參數分別如表1和表2所示。

表1 計算模型巖土層參數1Table 1 First rock and soil parameters of calculation models

表2 計算模型巖土層參數2Table 2 Second rock and soil parameters of calculation models

4.3 計算結果分析

為分析頂管施工對既有北新河橋橋臺的影響，共采用28個工況進行分析，限于文章篇幅，重點給出典型頂管施工階段的計算結果。不同工況下的整體沉降及橫向位移分別如圖5和圖6所示。

圖5 不同工況下的整體沉降圖Fig.5 Overall settlement diagrams under different working conditions

圖6 不同工況下的橫向位移圖Fig.6 Lateral displacement diagrams under different working conditions

從計算結果可以看出，頂管施工對地面沉降的影響明顯大于橫向位移，頂管施工引起的地面最大橫向位移為0.8 mm，最大沉降為3.3 mm。為定量分析頂管施工對地面及北新河橋橋臺沉降的影響程度，從頂管正上方向北新河橋橋臺方向分別選取編號為1、2、3、4、5的5個位置，原土層加固區向北新河橋橋臺方向分別選取編號為6、7、8、9、10的5個位置(圖7)，分別分析頂管施工過程中這個10個位置的最大沉降量，分析結果分別如圖8所示。由圖8可知，頂管施工引起非加固區土體地表沉降的最大值為3.2 mm，此沉降值位于頂管施工正上方的地表附近，引起北新河橋橋臺附近土體的最大沉降值約為1.0 mm。頂管施工引起原土層加固區內土體沉降的最大值為0.8 mm，引起北新河橋橋臺附近土體的沉降值為0.1 mm。

圖7 沉降位置點的選取圖Fig.7 Selection diagrams of settlement points

圖8 不同位置處的沉降圖 Fig.8 Settlement diagrams at different locations

從上述的分析結果可知，土層加固對控制地面沉降具有較好的效果。因頂管與北新河橋橋臺的最近距離為8.5 m，而此范圍內的土層無加固處理，為進一步地減小頂管施工對北新河橋橋臺的影響，可在頂管與北新河橋橋臺之間設置應力及變形影響隔離墻。

5 設置隔離墻后頂管施工對北新河橋橋臺的影響

5.1 三維計算模型的建立

設置應力及變形影響隔離墻后頂管施工對北新河橋橋臺影響的計算模型主要包含以下內容：

頂管的管道、地基土、原地基加固土、新地基加固土、北新河橋樁基和承臺，建立的三維模型計算范圍仍然為65 m(長)×65 m(寬)×60 m(高)。

隔離墻采用3排直徑為700 mm的雙重管高壓旋噴樁連續墻(圖9)，土體、原加固土及隔離墻均采用三維塊體單元模擬，劃分的網格單元數為32 336；承臺及頂管管道采用板單元模擬，承臺及頂管管道劃分的網格單元數分別為248、1 840；樁基采用植入式梁單元模擬，劃分的網格單元數為1 586。設置隔離墻后的整體計算模型如圖10所示。

圖9 雙重管高壓旋噴樁連續墻加固剖面示意圖Fig.9 Section diagram of continuous wall reinforcement with double pipe high pressure jet grouting piles

圖10 設置隔離墻后的整體計算模型圖Fig.10 Overall calculation model diagram after setting the isolation wall

5.2 計算結果分析

為分析設置隔離墻后頂管施工對北新河橋橋臺的影響，本次共采用28個工況進行分析，因工況較多，限于文章篇幅，重點給出典型頂管施工階段的計算結果。設置隔離墻后不同工況下的整體沉降及橫向位移分別如圖11和圖12所示。

圖11 設置隔離墻后不同工況下的整體沉降圖Fig.11 Overall settlement diagrams under different working conditions after setting the isolation wall

圖12 設置隔離墻后不同工況下的橫向位移圖Fig.12 Lateral displacement diagrams under different working conditions after setting the isolation wall

從上述分析結果可以看出，設置隔離墻后，頂管施工對北新河橋橋臺的影響很小。為定量分析設置隔離墻后頂管施工對地面及北新河橋橋臺沉降的影響程度，從頂管正上方向北新河橋橋臺方向選取5個與未設置隔離墻時相同的位置，分析設置隔離墻后頂管施工過程中這5個位置的最大沉降量，分析結果如圖13所示。從圖13可知，設置應力及變形隔離墻后，介于隔離墻與北新河橋橋臺區土體的沉降明顯減小，橋臺附近土體的沉降僅為0.1 mm。可見，雙重高壓旋噴樁連續墻具有較好的應力及變形阻隔作用，可以進一步減小頂管施工對北新河橋橋臺變形的影響。

圖13 不同位置處的沉降對比圖Fig.13 Settlement comparison diagrams at different locations

6 結論

(1)采用原設計及施工方案，頂管施工引起非加固區正上方地表附近土體的最大橫向位移為0.6 mm，北新河橋橋臺附近地表土體的最大橫向位移0.1 mm；頂管施工引起非加固區正上方地表附近土體的最大沉降為3.2 mm，北新河橋橋臺附近地表土體的最大沉降為1.0 mm。

(2)采用原設計及施工方案，頂管施工引起加固區正上方地表附近及北新河橋橋臺附近土體的最大橫向位移約為0；頂管施工引起正上方地表附近及北新河橋橋臺附近土體的最大沉降為0.1 mm，可認為加固區頂管施工對北新河橋橋臺變形基本沒有影響。

(3)非加固區設置隔離墻后，頂管施工引起非加固區隔離墻附近土體的最大橫向位移為0.5 mm，北新河橋橋臺附近地表土體的最大橫向位移約為0。

(4)非加固區設置隔離墻后，頂管施工引起非加固區隔離墻附近土體的最大沉降為1.0 mm，北新河橋橋臺附近土體的最大沉降為0.1 mm，可認為非加固區設置隔離墻后頂管施工對北新河橋橋臺變形基本沒有影響。