给水管道顶管施工对既有桥台的影响分析

0 引言

随着城市建设不断发展，道路改建工程越来越普遍，而新增给排水管道为道路改建中很重要的一部分内容。目前新增管道的施工越来越多地开始采用顶管工艺，顶管工艺有如下优点：

①非开挖施工，减少了对现状地面的破坏；

②避开了原有管线，避免了大量的管线迁改工作；

③对土体扰动小，减少施工产生的变形问题。但是顶管施工过程中，不可避免地会对土体造成扰动，从而影响附近的已有构造物，此时需要分析顶管施工对附近构造物产生的影响。

针对顶管施工的既有研究中，冯欣川选择某市供水管道工程项目为研究对象，根据项目实际，有针对性设定观测方案，分析观测获取数据，通过两组试验总结了顶管施工对地基的扰动程度。马家良结合苏州城区某引水工程，应用ABAQUS有限元软件，分别对单行顶管和平行顶管进行数值模拟，研究不同施工因素对土体变形的影响，将模拟结果与实测数据进行对比，得出顶管施工造成土体变形的原因包含应力扰动和地层损失，其中地层损失是主要原因。目前国内大量类似工程经验显示，采用有限元软件分析顶管施工对附近构造物产生的影响从而指导设计与施工是一种较为可靠的分析手段。

1工程概况

县道X582（平东大道）升级改造工程为旧路改建工程，路线全长 6.65km，道路等级为一级公路兼城市主干道，建设内容包括路基路面工程、桥涵工程、交通工程、照明工程、给排水工程等。其中新建给水工程一般采用开挖施工，局部段落采用顶管施工。其中一处顶管施工需下穿某桥梁，顶管位置位于桥梁0#桥台附近。共需顶进两个平行管道，管道直径均为1300mm，管材为钢管。管顶覆土厚度为 5.5m，左侧管道中心线距离 0#桥台基础外边缘最近的距离为 3.45m。0#桥台的结构形式为重力式钢筋混凝土结构，桥台基础为扩大浅基础。桥台与顶管的位置关系见图1。

 

本次顶管施工有如下特点：顶管位置距离构造物较近，涉及的构造物为桥梁桥台，属于重要构造物。桥台为重力式结构，其基础形式为扩大浅基础，对变形较为敏感。综上所述，有必要在顶管施工前进行数值模拟计算，分析顶管施工对桥台造成的影响，以便提前预判风险，提出预防措施，指导本项目的顺利开展。根据设计方提供的要求，本桥梁墩台顺桥向差异沉降预警值为10mm，横桥向差异沉降预警值为3mm。

2 有限元分析

2.1 地质概况

根据本项目地质勘查报告，顶管所处位置的土层自上而下分布情况如下：素填土层2.87m厚；粉质黏土层6.5m 厚；粗砂层 1.7m厚，粗砂层以下为全风化花岗岩，各岩土层的岩土物理力学参数指标见表1。

 

2.2 数值模拟

本次数值模拟计算选用岩土通用有限元分析软件MIDAS GTS NX（New eXperience of Geo-Technical analy-sis System），该软件是一款针对岩土领域研发的通用有限元分析软件，支持静力分析、动力分析、渗流分析、应力-渗流耦合分析、固结分析、施工阶段分析、边坡稳定分析等多种分析类型，适用于地铁、隧道、边坡、基坑、桩基、水工、矿山等各种实际工程的准确建模与分析，并提供了多种专业化建模助手和数据库。GTS NX可以考虑岩土分析中最重要的材料非线性以及岩土的初始应力状态，最大化反映现场情况。在不同的荷载和边界条件下，可进行的分析包含静力分析、渗流分析、应力-渗流耦合分析、固结分析、施工阶段分析、动力分析、边坡稳定分析等各种分析领域。GTS NX可以如实模拟现场可能出现的各种荷载条件。特别是随时间变化的动力荷载，可利用数据库或者是输入简单的参数自动进行计算。它针对不同的分析类型提供多种边界条件和附加选项，使用时可自动生成基本的土体边界，特别是可以自动生成二维等效线性分析及线性/非线性时程分析所需的边界条件；具有全面的本构模型库，不但可以对简单的岩土问题进行分析，也可以对高度复杂的岩土问题，如线性弹塑性、非线性弹塑性模型等进行分析，许多经典的土体本构模型都可对各种土体或结构材料进行建模分析。

本模型中桥台采用线弹性模型，土体采用修正摩尔-库伦本构模型进行仿真分析。修正摩尔-库伦本构模型是一种弹塑性本构模型，相对摩尔-库伦本构模型更接近于塑性理论，是一种将非线弹性和塑性联合的组合模型。修正摩尔-库伦本构模型可以考虑按照加载或卸载的情况输入不同的弹模值，考虑土体的刚度与应力状态的相关性，是剪切屈服和压缩屈服之间互相没有影响的双重硬化模型。可以模拟包括软土和硬土在内的不同类型土体行为的弹塑模型，考虑了土体的剪胀性，并引入屈服盖帽（Cap），土体的刚度与应力相关。

本次数值分析采用的MIDAS GTS NX软件，以及选用的修正摩尔-库伦本构模型能够较真实模拟实际顶管施工对相邻桥台造成的位移影响。有限元二维模型见图 2。

 

2.3 荷载、边界条件

2.3.1 荷载条件

顶管施工期间，作用荷载主要考虑覆土自重及桥梁结构自重和桥梁上部车辆荷载，车辆荷载按照公路一级考虑，荷载取 10.5kN/m。桥台重度按照 25kN/m³考虑。

2.3.2 边界条件

根据本项目计算断面特点，对模型的左右两侧边界设置X方向的位移约束；对模型的底部设置Y方向的位移约束，模型上表面为无约束的自由边界。采用结构化网格划分技术，保证不同单元之间网格划分合理，使数值模拟计算更贴近实际情况。

2.4 模拟计算结果

本次二维有限元计算结果包括桥台的最大水平位移和最大竖向位移。用竖向位移结果计算桥梁相邻墩台的差异沉降，并与设计要求的差异沉降控制值做对比，而水平位移仅作为参考。本次模拟顶管施工一共分为3个工况，工况一为初始化地应力状态，工况二为模拟顶管顶进的施工过程，工况三为挖除顶管土后的状态，3个工况的计算结果见表2。

 

工况三桥台的水平位移及竖向位移分别见图3、图4。

 

从水平位移云图可知（水平位移：左为负，右为正），工况一为初始地应力状态，无位移发生；工况二，桥台最大水平位移为0.0387mm；工况三，挖除顶管土后，桥台的水平位移最大，最大位移为 0.5315mm。各工况最大水平位移均发生在基础底部靠近顶管一侧的角点处。由于管道与横桥向为平行敷设，因此顶管在横桥向造成的位移是基本一致的，可认为横桥向基本不存在差异沉降。

由工况三竖向位移云图可知（竖直位移：下为负，上为正）：工况一为初始地应力状态，无位移发生；工况二，桥台最大竖向位移为-0.0351mm；工况三，挖除顶管土后，桥台的竖向位移达到最大，最大竖向位移为-0.4996mm。各工况最大水平位移均发生在基础底部靠近顶管一侧的角点处。由于附近桥墩距离顶管较远，顶管施工基本对附近桥墩不造成影响，可假定邻近桥墩位移为0mm，则顺桥向差异沉降为0.499 6mm，小于预警值10mm。

3 结论

综上，可得以下结论：

（1）该桥台最大水平位移为0.531 5mm，最大竖向位移为-0.499 6mm，最大位移发生在桥台基底靠近顶管一侧的角点处。

（2）顶管为平行横桥向施工，顶管施工对桥台横桥向不同位置所造成的影响是一致的，因此可不考虑桥台横桥向的差异沉降问题，仅采用桥梁顺桥向差异沉降值作为校核指标。

（3）在相邻桥墩无位移的情况下，桥台的沉降值即为顺桥向差异沉降值，桥梁顺桥向差异沉降值在工况三达到最大，最大值为0.499 6mm，远小于桥梁顺桥向差异沉降预警值 10mm，因此认为本次顶管施工对邻近桥台不会造成影响，无需进行额外的加固处理。

（4）在顶管施工过程中，加强对桥台的位移监测工作，在制订合理的施工方案后可正常开展顶管施工工作。

 

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