承台近接既有热力管道的施工技术

刘 新

（中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江湖州 313000）

1 概 述

在桥梁的建设过程中会不可避免地遇到各种复杂工况，其中桥梁承台邻近埋地管道施工就是经常出现的一个难点。新建桥梁承台施工会对周边地层产生扰动，通过岩土体传递给既有埋地管道和地层，使其产生位移场与应力场的变化，特别是当承台施工工程量较大时可能会引起管道发生变形与开裂，影响其正常使用或引发事故。因此开展新建承台施工对既有埋地管道与周边环境的影响研究成为该类工程安全设计与施工的重要前提，有着较为重要的研究意义。目前针对承台施工对隧道、路面和既有桥梁基础等的影响研究较多［1-5］，而对于其近接管道施工的方法和影响分析较少，因此本文以海启高速公路HQ－RD5标如泰运河大桥14＃承台施工为依托背景，利用FLAC3D软件开展新建桥梁承台施工对既有热力管道的影响研究。

2 工程概况及数值计算模型

2.1 工程概况

如泰运河大桥施工区段在14号墩施工过程中，与沿河堤方向的既有热力管道位置非常接近，横向间距仅为3.6 m，极易对既有热力管道产生影响，可能引起其发生变形甚至破坏，需要开展相关的影响研究。经探明，既有热力管道埋设深度3.5～4 m，管径为700 mm。根据地勘报告，场地地层土主要有粉质黏土、粉质黏土夹粉砂、粉砂、粉砂夹粉质黏土、细砂。热力管道与邻近桥墩的纵断面位置关系见图1。

图1 桩基与热力管道相对位置

2.2 承台基坑开挖方案比选

承台基坑开挖可采取的方案较多，本工程承台基坑开挖深度8 m左右，开挖土方量大，因此需采用放坡开挖或采取可靠的支护体系，在各种支护方案中，拉森钢板桩具有重量轻、强度高、施工速度快、利用率高等优势，在各类基坑工程中得到了普遍应用。选用不同的开挖方式对既有热力管道的影响也不一样，因此本文将放坡开挖和采用拉森钢板桩加钢支撑支护开挖两种开挖方式下对管道的影响分别进行模拟和对比研究，以期选择出较优的开挖方案。

根据圣维南原理和实际工况，取整个模型计算范围为60 m×40 m×30 m（长×宽×高），桥梁承台和热力管道等尺寸根据实际情况选取。由于土体是一种典型的弹塑性材料，其模拟选用摩尔-库伦本构模型，对承台和管道的模拟选用弹性模型，采用实体单元建立。拉森钢板桩采用liner衬砌单元模拟，钢支撑则采用beam 单元模拟，采用结构单元建立［4-5］。在衬砌与土体之间建立接触面来模拟桩基与土的接触作用。见图2。

图2 承台、热力管道位置关系与钢板桩支护结构

2.3 计算参数及荷载施加

根据地勘报告，结合土体和结构体所选的本构模型，取各地层计算参数见表1。

表1 地层计算参数

承台的模拟根据实际工况选用C30混凝土的参数，热力管道钢管及支护结构的参数见表2。

表2 热力管道与支护结构计算参数

施工模拟可分为地应力平衡、热力管道施工、土体开挖、承台施工、荷载施加5个分析步，承台顶部荷载根据实际中上部情况会受到的桥梁自重荷载、二期恒载等以均布荷载的形式施加，取值为13 850 kN。

桥梁承台施工完成后两种不同基坑开挖方式下的既有热力管道沿轴线方向的最大竖向变形曲线见图3。

图3 两种开挖方式下的管道最大竖向位移曲线

由图3知，管道最大竖向位移随着距基坑开挖中心位置的接近而逐渐增大，承台基坑采用放坡开挖时对既有管道的扰动影响较大，使管道发生了较大的竖向位移，最大竖向位移值达到了20.73 mm，而采用拉森钢板桩加钢支撑支护的开挖方式管道最大竖向位移为6.26 mm，两者相差较大，这是由于放坡开挖工程量较大，对周围环境扰动效应较为显著，而拉森钢板桩的采用则能有效阻拦承台施工引起的变形传递，减小对既有管道的影响。考虑到在承台施工中应尽量减小对既有结构物的影响作用，本工程承台基坑宜采用拉森钢板桩加钢支撑支护的施工方案。

既有热力管道在承台的施工作用下产生了一定的附加沉降，管道上部的沉降整体要大于下部，且距离桩基较近处一侧管道位移量要大于较远一侧，距离桩基越近处土体位移越大，管道最大沉降发生在管道的左上方。管道右下方由于土体变形在传递过程中受到管道左侧结构的遮拦作用，其沉降值最小，为4.42 mm。因此在承台的施工过程中需要着重关注管道左上方的变形情况。

2.4 桥梁承台邻近既有热力管道施工的风险防控建议措施

基于上述模拟和分析结果，有针对性地提出新建桥梁承台邻近既有热力管道施工的风险防控建议措施：

1）施工前做好科学详尽的探测和预测，探明既有管线的具体位置。深入分析工程区域的水文地质条件，严格规划和执行该地质条件下的施工工法，准确掌握既有热力管道的保护区域和要求，根据地质条件和热力管道既有的受力和变形情况进行施工参数的优化调整。

2）选取合适的承台基坑开挖方案并进行优化，比如本文选取的拉森钢板桩加钢支撑的开挖方法或是对基坑开挖进行分区并合理安排开挖顺序都能较好地控制管道变形。

3）采取加固措施，如采用柔性加刚性材料对管道进行防护、注浆，对其周边土体进行加固等措施，都能有效地控制既有热力管道的变形，减小施工风险。

4）加强管理，密切关注既有热力管道较为危险区域的受力和变形情况，及时采取控制措施，保证施工安全。施工期应规划好材料和施工器具的存放位置，严禁将工程材料堆放在管道上方，以减少附加荷载，防止在桩基施工期间对管道产生更加不利的影响。完善相关风险和安全评估方法，并做好应急预案。

3 结 语

通过FLAC3D软件建立三维数值模型，研究了承台施工对周边土体及既有热力管道的变形影响规律，并开展了相关的敏感性分析，得出以下结论：承台基坑不同的开挖方法对既有热力管道的影响会有较显著的差别，一般来说，采用拉森钢板桩加钢支撑支护的开挖方式相比放坡开挖能有效阻拦基坑开挖影响的传递，能保证施工的安全性。随着距离基坑开挖中心的接近，管道变形逐渐增大，管道上部沉降要大于下部，且其最大变形发生在其左上方。在承台施工过程中应及时做好对管道状态的检查和保护，及时采取措施，为管道的正常工作提供保障。