顶管近距离侧穿作用下高速桥梁力学响应

刘继林何娜

引言

顶管隧道作为一种非开挖技术，以其诸多的优点，越来越多地应用于各类地下管线[1～2]。顶管推进过程会使周围土层受到挤压、剪切及卸载作用，由此引起地层扰动变形是不可避免的，从而迫使邻近建（构）筑物产生附加变形与应力。随着地下管线顶管建设的日益增多，顶管施工环境力学效应逐渐成为地下管线建设面临的热点和难点问题，也有许多专家学者开展了相关的研究。

魏纲等[3]简化地下管线的受力模型，基于winker地基模型，得到地下管线因顶管开挖引起的弯矩及变形计算方法。刘波等[4]采用有限元法，模拟顶管施工过程，预测施工可能引起的地铁隧道变形并提出了控制措施。王斌等[5]对比分析顶管施工前后土层的力学指标，以此探索顶管掘进对高速路堤沉降的影响。然而，现有顶管开挖影响大多通过既有结构变形评价，且顶管开挖对桥梁的扰动分析鲜见报道。本文以顶管侧穿高速桥梁实例为背景，分析顶管推进过程力学扰动的机理，建立顶管施工过程精细计算模型，探索邻近既有高速桥梁结构受顶管开挖影响的力学响应特征。

1　工程概况

广州某污水处理系统管网工程，全长约为15.4km，采用明挖和顶管法施工。该项目部分顶管区段近距离侧穿华南快速路，两者最小平面投影距离为2.5m，顶管与桥梁关系关系如图1所示。该区段顶管埋深约为5～5.5m，管径为900mm的焊接钢管。顶管工作井利用沉井法施工，井的外径为7900mm，壁厚450mm，埋深5m，坑底采用φ500mm的水泥土搅拌桩封底。根据现场勘查资料与桥梁结构设计资料，可得到表1土层-结构物理力学参数。

图1　顶管与既有桥梁位置关系

表1　土层与结构物理力学参数

2　顶管顶进对高速桥梁影响规律

2.1　数值计算模型及工况

模型计算区域选取时，充分考虑了边界效应，X、Y、Z方向计算尺寸分别取64m、40m及38m，整体计算模型、顶管与桥梁结构模型如图2所示。

图2　顶管施工三维计算模型

计算模型中土层、顶管泥浆套、桥梁桩基、地系梁、桥墩采用三维实体单元模拟，顶管管道、桥跨结构用壳单元模拟。模型中土层利用Mohr-Coulomb理想弹塑性本构模型，既有桥梁、新建顶管及工作井结构则用弹性本构模型。模型中地下桥梁、工作井结构与顶管泥浆套通过修改单元边界属性实现。模型侧向加水平位移约束，底部加竖向约束，顶面为自由面，不加约束。顶管外环形空隙借鉴盾构注浆等代层的思路，在顶管空隙处设置一定厚度的实体单元。

模型计算含顶管隧道长度67.5m，每次向前推进的长度为1.5m，分45步顶进完成。此次分析共计48个工况，即48个施工步，具体如表2所示。

表2　计算工况

2.2　模型可靠性分析

图3为顶管施工完的沉降云图，定义位移指向坐标正轴为正，反之为负。图3显示，受顶管开挖造成的挤压、剪切及卸载等作用，周围土层经历应力扰动、重塑及位移等过程，且因顶管埋深较浅，无法形成土拱，受到上部相对较大的“土柱”荷载作用，使顶管结构整体表现为沉降，最大竖向位移为-2.871mm，出现在管道顶部，地表最大沉降约为-1.68mm。

考虑到该项目未具体实施，为了考察计算模型的合理性，提取1#桩（图3）垂直对应的1#顶管地表沉降结果，与Peck[6-7]地表横向沉降槽理论计算结果对比分析。Peck公式为：

图3　顶管开挖完地表沉降云图

式中：y为图4中1#顶管轴线的横向水平距离（m）；S（y）为y处地面沉降量（m）；Smax为隧道轴线上方的最大地面沉降量（m）；Vloss为隧道单位长度的土体损失量（m3/m）；i为地面沉降槽宽度系数（m）；R为顶管隧道外半径（m）；h为隧道轴线至地面的距离（m）；n=0.8～1，土越软取值越大。将实例参数代入上述公式，计算得到i=3m，Vloss=0.014m3/m，Smax=1.87mm，进一步得到不同位置地表沉降与数值结果对比如图4所示。

图4　地表沉降对比曲线

由图4表明，顶管施工引起的地表沉降满足一般的认识，分布规律类似于正态分布，存在较为明显的拐点，与Peck沉降槽理论计算结果分布规律相近。数值计算沉降反映了实际地表沉降趋势，与理论计算结果较为吻合，两者最大仅相差11.3%，说明所采用的计算模型具备可靠性。

2.3　桥梁结构力学响应

图5顶管施工完桥梁结构位移云图

图5为顶管施工完临近桥梁结构位移云图，提取距离工作井与顶管最近的三根桩（1#、2#及5#桩）不同工况的位移值如表3所示。由图5和表3可知，桥梁结构受到的影响非常细微，桥梁结构产生的最大位移为0.216mm，远小于控制值10mm。由位移结果不难发现，桥梁结构位移总体水平较低，究其原因是顶管管径较小，开挖引起的扰动经土层扩散衰减后，传递至桥梁结构，由此引起桥梁结构力学响应不明显。

前述桥梁结构位移相对明显的区域在下部结构，同时考虑到桥梁结构受影响源于桥基和桥墩传递扩散，故此重点考察桥梁下部结构应力结果。图6为桥梁结构在顶管开挖前、后的最大主应力云图，定义应力受拉为正，承压为负。从应力云图分布情况来看，顶管施工引起的桥梁结构附加应力甚微，但由于桥梁结构自身与运营荷载作用下，产生的最大主应力为2.117MPa，超过了C30极限抗拉强度，说明结构局部出现裂隙，但未形成贯通的裂隙。综合桥梁结构位移和应力计算结果不难判断，实例顶管开挖引起的力学扰动较小，桥梁结构处于安全稳定状态。

表3　监控桩计算位移

图6　桥梁结构应力云图

3　结语

（1）实例顶管埋深浅，无法形成土拱，受到上覆相对较大的“土柱”荷载作用下，管道结构及地层表现为整体沉降，最大值出现在管道顶部；

（2）顶管施工引起的地表沉降遵循Peck沉降槽分布，数值与理论计算结果吻合，数值计算能反映实际地表沉降趋势，所用模型具备合理性；

（3）顶管施工引起的桥梁结构最大附加变形及附加应力均远小于控制值，说明实例顶管掘进对桥梁结构的影响很小，桥梁结构处于安全状态。

[1]Liang Zhen，Pizhong Qiao，Junbin Zhong，et al.Design of steel pipejacking based on buckling analysis by finite strip method[J].Engineering Structures，2017，132：139～151.

[2]Liang Zhen，Jin-Jian Chen，Pizhong Qiao，et al.Analysis and remedial treatment of a steelpipe-jacking accident in complex underground environment[J].Engineering Structures，2014，59：210～219.

[3]魏纲，朱奎.顶管施工对邻近地下管线的影响预测分析[J].岩土力学，2009，30（3）：825～831.

[4]刘波，章定文，刘松玉，等.大断面顶管通道近接穿越下覆既有地铁隧道数值模拟与现场试验[J].岩石力学与工程学报，2017，36（11）：2850～2860.

[5]王斌，陈帅，陶柏峰，等.顶管穿越路堤实测地基变形和扰动程度分析[J].岩石力学与工程学报，2010，29（S1）：2805～2812.

[6]郭彩霞，王梦恕，孔恒，等.水下盾构隧道的合理覆土厚度数值模拟分析[J].中国公路学报，2017，30（8）：238～246.