大直径电力顶管施工对邻近既有公路桥梁影响研究

蒋润兰

(怀化市农村公路建设办公室， 湖南 怀化 418000)

0 引言

顶管作为一种新型地下管线施工方法，在城市排水、电力等管网工程施工应用中越来越广泛，顶管断面也越来越大。由于城市环境的复杂性及用地限制，往往会遇到顶管紧邻桥梁桩基施工的情况，特别是对于大直径顶管，因开挖断面大、埋深浅其施工对周边地层及桥梁结构扰动较大，易使桥梁发生较大不均匀沉降而导致破坏[1-3]。因此研究顶管施工对桥梁扰动效应规律具有重要意义。对于顶管下穿桥梁，相关学者通过数值模拟、模型试验及现场监测等方法研究了其施工技术及影响规律[4-9]，但大直径顶管下穿公路高架桥梁对施工影响的研究甚少，有必要对其开展相关研究。

以某电力顶管下穿邻近既有城市公路桥梁段为工程背景，采用MIDAS GTS NX软件建立三维顶管与桥梁数值计算模型，分析顶管施工过程对桥梁结构沉降、桩基变形及应力的影响，并研究顶管埋深及顶管开挖直径变化对桥梁变形受力影响。

1 工程概况

某电力顶管下穿既有城市公路桥梁，顶管为外径4.5m、壁厚0.35m的C45钢筋混凝土管。顶管顶埋深5.3m，以68°斜交下穿桥梁段，长度约50m。顶管穿越段地层主要为填土、粉质黏土、全风化砂岩及强风化砂岩，每次循环顶进距离为2m，桥梁上部结构为现浇预应力砼连续梁，桥梁单孔跨径为25m，两端桥墩下各设5根钻孔灌注桩作为基础，桩基直径为1.1m，桩间距为9m，每根桩基长度为22m，顶管开挖边缘距离桥梁桩基最小净距约7.0m。顶管与桥梁位置关系如图1所示。

a) 立面图

b) 平面图

2 顶管下穿公路桥梁段施工数值模拟

2.1 有限元模型建立

为了充分考虑土层 — 结构相互作用，基于地层-结构法原理，通过MIDAS GTS NX有限元软件，建立大断面顶管与桥梁三维计算模型，模型纵向长度100m，模型宽度100m，高度60m，计算模型如图2所示。

顶管周边地层本构关系采取摩尔-库伦准则，管片及桥梁结构假定弹性模型，地层采用三维实体单元进行模拟，管片与桥面板采用壳单元模拟，桥梁承台及桩基采用梁单元模拟，建模时考虑桩基及承台梁单元与周边土体单元节点耦合，模型共划分10.8万个单元。考虑地面超载为20kN/m2，桥面荷载根据桥梁运营期间车辆荷载情况简化为均布荷载进行模拟，考虑触变泥浆作用下管壁与土的平均摩阻力为5kN/m2，根据地层情况及顶管设计参数，计算出顶管机的迎面阻力为2196kN，对模型底部单元节点进行竖向位移约束，模型顶部设置为自由边界，并对模型其他侧面的法向位移进行约束。

图2 顶管与桥梁结构有限元计算模型

模拟施工时每次循环顶进长度为2m，先钝化开挖区域土体单元，将管片范围内土体单元替换为管片支护，顶管下穿公路高架桥梁段长度为50m，将下穿桥梁段分25个施工计算工况，施工模拟过程如表1所示。

表1 顶管下穿桥梁段施工过程模拟工况编号工况计算模拟步骤说明1原地层初始应力场求解原地层自重应力平衡,并对位移进行清零;2桥梁施工模拟桥梁结构及桩基施工,施加桥面荷载并进行位移清零;3顶管支护段1,并施加顶力顶管顶进前24 m,施工前12个管节,顶管开始进入桥梁范围内4顶管支护段i(1

2.2 计算结果分析

为了分析顶管施工对邻近桥梁结构变形受力影响，提取顶管施工过程中引起的最大桥梁上部结构沉降、桩基位移及应力计算结果如图3～6所示。

图3 桥梁上部结构沉降云图

图4 桥梁桩基沉降图

图5 桥桩水平位移云图

图6 桥桩最大主应力云图

由图3～6可知：

1)顶管开挖所引起地层扰动对桥梁桩基沉降影响较大，由于顶管开挖引起较大地层损失，使土体发生较大变形，并向周围扩散衰减，导致靠近顶管侧第1排与第2排桩基沉降远大于远离顶管侧桩基沉降，进而引起桥面中部沉降大，两端沉降小，桥面中部最大沉降值为-28.77mm，沉降差为-18.57mm，大于规范允许值[10-11]，显然顶管施工扰动已危及桥梁结构安全。

2)顶管施工过程中，顶管开挖对桥梁桩基水平位移影响较为明显，由于顶管开挖引起较大地层损失，使土体向开挖面及管道外周移动，并向周围扩散衰减，导致邻近顶管侧第1排与第2排桩基向顶管侧发生较大侧移。因顶管埋深较浅，主要引起浅层土体水平位移，对深层土体影响较小，从而使桩基水平位移沿着桩身呈现出顶部最大趋势，施工时应重点对第1排与第2排桩基顶部水平位移进行动态监测。由于桩基水平位移过大，引起桩身产生较大拉应力，出现最大拉应力值为1.823MPa，远超规范要求值[12]，可见顶管邻近桥桩施工时会引起桩身产生较大的桩顶水平位移而发生受拉破坏。由于顶管埋深浅，开挖宽度大，顶管施工引起的扰动对邻近桥梁结构变形影响较大，已危及桥梁安全，需采取有效变形控制措施，以减小顶管施工对桥梁的影响。

3 顶管施工影响参数分析

为了进一步研究大断面顶管施工对桥梁的影响，选取不同顶管埋深H(取2.5、5、7.5、10、12.5、15m)及顶管直径d(取2、3、4、5、6、7m)，研究顶管埋深、顶管直径变化对桥梁变形受力的影响，得到合理的顶管设计参数(见图7～10)。

由图7～10可知：

1)桥梁结构最大位移和拉应力值随着顶管埋深增加而减小。当5 m

图7 顶管埋深对桥梁沉降影响

图8 顶管埋深对桥梁桩基变形受力影响

图9 顶管直径对桥梁沉降影响

图10 顶管直径对桥梁桩基变形受力影响

2)顶管直径变化对桥梁结构最大位移和拉应力值影响规律与顶管埋深类似，同样存在一个有效作用范围，在有效范围内通过减小顶管直径来减小顶管施工对邻近桥梁影响作用较为明显；当d>4m，顶管施工引起桥梁位移及拉应力较大，远远超过规范允许值，此时需要采取辅助加固措施，以减小顶管施工对地层扰动，减轻对桥梁结构安全性影响。

4 顶管施工监测分析

由于本工程顶管埋深较浅且直径较大，为了减小顶管施工对桥梁桩基影响，现场采用了袖阀管对桥桩周边土体进行加固处理，桥梁桩基加固以桩基为中心线，直径4m为范围加固区，加固深度为地表以下15m。加固后的顶管-桥梁有限元计算模型见图11。现场对顶管施工过程中靠近顶管的第1排与第2排桥梁桩基承台沉降及桩基水平位移进行监测，提取监测过程中桥梁桩基的最大沉降和水平位移监测值与数值计算值进行对比，结果见图12、13所示。

图11 加固后顶管-桥梁有限元计算模型

由图12、13可知，顶管穿越桥梁段施工过程中引起最大桥梁桩基承台沉降为-9.1mm，桩基水平位移为6.3mm，根据桩基沉降计算出相邻桥墩沉降差为5.7mm，桥梁桩基变形满足规范要求[10-11]，可见桥梁在顶管施工过程中处于安全状态。现场监测值略小于有限元计算的变形值，最大误差小于10%，且两者计算结果变化趋势表现一致，结果较为吻合，说明计算结果较安全合理，可为顶管施工引起的桥梁桩基变形进行预测。

图12 桩基承台沉降结果对比

图13 桩基水平位移结果对比

5 结论

依托某电力顶管下穿邻近既有城市公路桥梁段，采用MIDAS GTS NX软件建立三维顶管与桥梁数值计算模型，分析了顶管施工过程对桥梁结构沉降、桩基变形及应力的影响，并研究顶管埋深及顶管开挖直径变化对桥梁变形受力影响，主要研究结论如下：

1)顶管施工对桥梁桩基变形及受力影响较大，顶管开挖使靠近顶管侧桥梁桩基发较大沉降，易导致桥面中部沉降较大；顶管邻近桥桩施工会引起桩身产生较大的桩顶水平位移而发生受拉破坏，施工时应加强对靠近顶管侧桩基顶部水平位移进行动态监测。

2)顶管埋深、顶管直径变化对桥梁位移和拉应力值影响存在一个有效作用范围，在有效范围内通过增大顶管埋深、减小顶管直径可较为明显减小顶管施工对邻近桥梁影响；当顶管埋深小于10m或直径大于4m时，需采取辅助加固措施。