顶管施工对高架桥桩基础影响的数值分析

郭 伟， 蔡 旺， 任宇晓*

(1.天津大学建筑工程学院， 天津 300072； 2.滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室(天津大学)， 天津 300072)

顶管施工法已经历了一百多年的发展[1]。在埋深大、临近交通干线或周围环境对位移有严格限制的地段，顶管是较为安全和经济的施工方法。该方法以其适用性广、对环境影响较小、成本控制较好等优势广泛应用于水、电、煤气等直径相对较小的隧道工程中[2-4]。但顶管施工作为一种地下开挖方法，会对周围的土体产生扰动，使土体产生地层损失并出现卸载或加载等一系列复杂的力学行为，导致土体的应力状态不断发生变化，进而引起管道周围土体的变形[5]。

顶管施工对周围土体的影响吸引了诸多学者展开研究，通过对顶管施工过程中地表变形的观测发现，沿顶管推进轴线方向所产生的地表沉降发展一般规律可分为三个阶段：工具管前部土体变形阶段、施工沉降阶段和土体固结沉降阶段[5]。由顶管施工造成的土体扰动又可分为七个区域[6-8]。引起地层损失的原因也多种多样[9-13]，一方面在顶管施工过程中，土体开挖会造成卸载，另一方面，由于掘进机外径比后续管道大2～4 cm，不可避免地产生土体损失，从而引起地面沉降。因此，尽管目前顶管施工方法已经发展较为成熟，但由该方法引起地层移动和地面沉降的因素十分复杂，并受地质、施工、结构温度[14]等许多不确定条件的影响很大，当隧道周围存在构筑物时，构筑物的形式、刚度和尺寸、隧道上方堆载情况[15]等因素都会对地表变形产生较大影响，进行理论研究较为困难且难以适用于所有工况，对这些影响因素加以定量评价和分析不但工程量巨大还不易于现场应用。用实验来完全模拟不同地层条件、施工工况和临近构筑物特性下顶管施工的过程目前还难以实现，很难得到确切数据[16-17]。目前数值模拟大多研究外界因素对顶管隧道安全性的影响[18-19]，顶管及沉井施工对周围构筑物的影响情况研究较少。

依托某电缆隧道工程，现采用有限元方法对电缆隧道开挖过程中的沉井施工和顶管施工两个阶段进行了数值模拟，分析了两次施工对快速路高架桥桩基础及周围土体的影响，既充分考虑了各种影响因素间的相互作用关系，又能节约时间和资金成本。研究结论可为类似工程提供参考。

1 工程背景

1.1 项目概况

某电缆隧道线路总长约2.5 km，工程在3#与4#工作井的连接段需穿越现有快速路高架桥的桩基，为减小对高架桥下桩基的影响，拟采用顶管作业的方式，沉井外径为12.8 m，顶管外径3.56 m，顶进距离203 m。管道在两座桥墩桩基间穿过，管道外边缘至桥墩边缘距离约为14 m。管顶埋深约15 m。如图1和图2所示，分别为工井3#-4#的相对位置剖面示意图及相对位置平面布置示意图。

1.2 工程地质条件

拟建场地属于华北平原海积～冲积滨海平原地貌。拟建线路沿线分布有环线快速路、铁路支线及住宅小区等对位移敏感的建筑物。根据勘察资料，在场地埋深50 m深度范围内，地基土按成因年代分层如表1所示。

表1 地层情况

2 数值模拟

2.1 几何模型及边界条件

三维有限元分析建立在以下基本假定的基础上：①土体为均值、各向同性、理想弹塑性体；②不考虑管道接头的影响，管道材料为各向同性的线弹性体；③不考虑顶管掘进机的影响；④土体在自重作用下产生的变形在开挖前已经完成，在施工阶段分析计算中不予考虑；⑤顶管在顶进过程中不考虑土体变形的时间效应；⑥土体与管壁间摩擦阻力认为沿管道长度方向均匀分布。

数值模型建立步骤为：①等比例建立计算所需部件，包括土体、桩基础、沉井和顶管；②根据工程现场实际测量结果给不同部件赋予参数；③按照图2所示各部件相对位置将部件进行装配；④结合现场工况条件给模型施加边界条件和荷载；⑤采用六边形单元对模型进行网格划分。

根据顶管与快速路高架桥墩的位置关系，以及前文叙述的数值模型建立步骤和要点，建立数值计算模型，如图3(a)所示。沉井底部埋深19.34 m，外径为12.8 m，内径为11 m。顶管外直径为3.6 m，内径3 m，纵向延伸长度为153.73 m与沉井相连，剪切扰动区域半径为3.6 m。桥墩直径均为1.5 m，长56 m。桥墩承台为6.4 m×6.4 m×1.5 m立方体。为消除边界影响，计算模型尺寸为250 m×250 m×200 m。图3(b)为各结构物的相对位置关系，计算结果中的位移方向以此图中标识的方向为准。

图3 计算模型示意图

对于土体模型约束底部所有自由度，侧向约束水平向位移，其中顶管、桩基础、与结构相接触位置土体的网格进行加密处理，单元采用八节点线性六面体单元(C3D8R)。桩基础、沉井顶管与土之间采用“内置区域”进行约束，在不同分析步中进行激活来模拟不同施工阶段。

2.2 计算参数选取

对钻孔灌注桩和桥墩承台均按线弹性本构关系，弹性模量依据配筋率等效得到，相关参数取值如表2所示。各层土体深度和物理力学参数如表3所示。在顶管与土体之间需要考虑摩擦力，沉井、顶管、桩基础与土体接触面的切向摩擦模型采用罚函数，摩擦系数为0.3，法向采用硬接触。桥墩桩基础与承台之间、顶管与沉井之间采用绑定连接。根据实际施工顺序，依次模拟了沉井施工和顶管施工，分析了两次施工对于快速路高架的桥墩基础及周围土体的影响。

表2 钻孔灌注桩和桥墩承台物理力学参数表

表3 土体物理力学参数表

2.3 计算结果分析

2.3.1 沉井施工结果分析

沉井施工过程对高架桥桥墩及周围土体的影响，土体变形云图如图4所示。由图4可知，沉井施工会引起土体卸载，造成小范围的土体隆起，土体最大位移为164 mm。根据三个方向的位移云图显示，水平向变形分别为19.6 mm、22 mm，而竖向变形为164 mm，三个方向的最大变形均出现在沉井上部土体周围。

图4 沉井施工后土体位移云图

桥墩桩基础在沉井施工后x方向(沿顶管隧道方向)上的水平位移情况如图5所示。4号桩基现场实测数据与计算值对比如图5(b)所示，从地面向下每间隔6 m设置一个测量点，共计5个，由图5可知，计算值与实测值吻合较好，最大计算误差小于13%。4个桥墩基础在x方向的位移发展规律基本相同，在基础顶部位置产生背离沉井的水平位移，基础下半部分则逐渐过渡到靠近沉井的水平位移，最大的x向水平位移约为1.13 mm。

图5 沉井施工后桥墩桩基础在x方向上的水平位移

桥墩桩基础在沉井施工后y方向上(垂直于顶管方向)的水平位移情况如图6所示。由图6可知，对于顶管的y轴负方向一侧的1号和3号桥墩基础，显示出上部为负值，下部为正值，即基础上部产生靠近顶管方向的水平位移，而基础下部产生远离顶管方向的水平位移；对于顶管另一侧即y轴正向的2号和4号桥墩基础，也显示出同样的位移趋势。最大y向水平位移约为0.8 mm。沉井施工后桥墩基础的应力分布如图7所示。由图7可知，桥墩桩基础最大应力为2.45 MPa，小于桩基极限应力，出现在基础底部位置，远小于桩基强度。

图6 沉井施工后桥墩桩基础在y方向的水平位移

图7 沉井施工后桩体应力分布云图

综上，由于沉井施工引起的周边土体隆起，将造成桥墩桩基础的上部产生远离沉井的水平位移，而基础下部则产生较小的靠近沉井方向的水平位移。另外，将沉井施工后产生的桥墩基础的水平位移和竖向变形汇总如表4所示。

表4 沉井施工后产生的桥墩基础的水平位移和竖向变形

2.3.2 顶管施工结果分析

考虑顶管施工过程中注浆剪切扰动区和卸荷扰动区域对高架桥桥墩及周围土体的影响，土体变形云图如图8所示。由图8可知，由于土体卸载后出现小范围变形，土体最大位移为170 mm，出现在顶管底部扰动土体。三个方向的位移云图显示，土体x方向的最大位移为34 mm,y方向的最大位移为22 mm,竖直方向的最大位移为170 mm。

图8 顶管施工后土体位移云图

桥墩桩基础在顶管施工后x方向上的水平位移情况如图9所示。由图9可知，四个桥墩基础在x方向的位移发展规律基本相同，基础顶部水平位移最大，约1 mm，方向为远离沉井方向，随着桩深度的增加，至深度25 m处左右，位移为0；当埋深继续增加时，基础底部均产生靠近沉井方向的水平位移，桩底水平位移最大，约为0.3 mm。

图9 顶管施工后桩基础在x方向上的水平位移

桥墩桩基础在顶管施工后y方向上的水平位移情况如图10所示。由图10可知，对于顶管的y轴负方向一侧的1号和3号桥墩，基础相对于顶管及扰动区位置处的水平位移较大，最大达到1.6 mm左右，方向为远离顶管方向。而基础顶部和底部位置的水平位移与中部顶管位置处相比较小。对于顶管另一侧，即y轴正向一侧的2号和4号桥墩基础，也显示出同样的变形趋势。四个桥墩基础最大的y向水平位移约为1.6 mm。顶管施工后桥墩基础的应力分布如图11所示。由图11可知，桥墩桩基础最大最大应力为2.79 MPa，小于桩基极限应力，出现在基础底部位置，远小于桩基强度。

图10 顶管施工后桩基础在y方向上的水平位移

图11 顶管施工后桩体应力分布云图

综上，顶管施工会造成周边土体扰动，顶管两侧的四个桥墩桩基础在垂直于顶管方向上体现出中部平行于顶管及扰动区的部位水平位移较大，位移方向为远离顶管，其他部分水平位移较小。另外，将顶管施工后产生的桥墩基础的水平位移和竖向变形汇总如表5所示。

表5 顶管施工后桥墩基础产生的水平位移和竖向变

3 结论

结合某电缆隧道工程的沉井和顶管施工的具体情况，对沉井和顶管施工过程中周边的快速路高架下桥墩基础的变形情况进行了数值模拟分析，得到施工情况下桥墩桩基础的应力和位移情况，为设计和施工，以及评估桥梁的安全性提供有益参考。主要得到以下结论。

(1)沉井施工会使得周围土体产生较大的隆起，最大回弹量为164 mm左右，同时对距离为30 m处的桩基也产生一定影响，桩体沿顶管方向(指向沉井方向)上的受到影响较大，在其顶部产生背离沉井的水平位移，下部则逐渐过渡到趋近沉井的水平位移。

(2)顶管施工会使土体出现小范围变形，最大位移为170 mm，对其周围的桩基础有一定影响；对于垂直顶管方向，最大水平位置处于平行于顶管及扰动区的桩身部位，桩基础在隧道开挖部位呈现远离顶管的趋势，影响范围为顶管隧道施工范围上下15 m处。