桥梁桩基础施工对既有给水管线的安全影响分析

慕建刚，徐 建

1.绍兴市交通运输行政执法队，浙江绍兴312000

2.浙江建设职业技术学院，浙江杭州311231

0 引 言

目前，研究建筑物施工对既有给水管线的影响等相关的文章较少，但有部分学者探讨研究了桩基（与本文类型不同）施工对既有建筑或既有管线的影响。李富荣等［1］从管线直径、埋深、管线与沉桩施工距离等几个参数入手，通过模型试验研究了沉桩施工过程中地下管线的应变影响规律。黄鹏［2］结合实际工程从岩质地层桩基施工对近距离市政管涵的影响角度进行有限元数值分析。王嘉勇等［3］基于位移贯入法，分别建立了桩管土接触面并在桩顶施加位移荷载实现动态压桩过程，分析了静压沉桩过程对邻近埋地管道的影响。刘玉柱［4］从桥梁桩基受力的角度出发，分析桩基对地下管线的影响程度。梁燏东［5］利用有限元软件分析桩基础施工对既有结构的影响，并评估相应安全性。徐莹［6］、王龙等［7］也从有限元的角度出发模拟桩基础施工对周围土体的变形，并进行了分析研究。

随着城市人口的密集，城市的建设发展迅速，建筑物分布在既有建筑物下邻近施工作业已然成为一种常态［2］。由于管线结构自身刚度的限制，其对变形控制要求极为严格，如何采取有效措施控制管线的变形，保护管线安全，是值得探索和研究的课题［8］。对危险部位事先采取防范措施，规避风险提出可行性建议，以减少工程实施过程中对管线产生的不利影响。

1 工程概况

杭州至宁波国家高速公路（杭绍甬高速）河庄互通主线桥及萧山高架1号桥邻近DN1800的给水钢筒管道，需针对桥桩施工分析对给水管的影响。

主线桥第5联下部结构采用柱式墩，钻孔灌注桩基础。给水管影响范围基础采用摩擦桩，持力层位于圆砾层，桩径2 m，桩长约80 m。桥墩单桩轴向容许承载力中墩桩基础顶力不小于18 000 kN，边墩桩基础桩顶力不小于8 000 kN。

上部结构第6联上跨青六线为钻孔灌注桩基础。给水管线的影响及桥梁桩基础与第5联相同。

场地浅部分布全新统冲海积粉土、粉砂，松散—稍密，厚度10 m 左右；中部为海积淤泥质土，流塑，厚度约40 m，局部渐变呈软塑状粉质黏土，并夹杂细砂、粉砂层；中下部局部分布冲积的圆砾层，中密—密实状，厚度达40 m 以上，物理力学性质较好；下部为白垩系凝灰岩，中风化岩体性质较好，岩质坚硬，埋深约102.5 m。

2 给水管探明及其与桩基础位置关系

为了确保桥梁桩基础施工作业时既有管线的安全，需探明既有管线的材质并分析判断其与桥梁桩基的位置关系，为后续桥梁桩基的安全有序施工和既有管线的安全奠定坚实的基础。探明的情况简述如下：

既有给水管线管道由高强度混凝土管芯、钢筒、冷拉预应力钢丝、密实的水泥砂浆保护层、钢制承插口接头组成。高强度混凝土管芯是管道的主要结构，可提供光滑的内表面以利水流。该管芯内的钢筒起到防渗作用，提供纵向抗拉强度，并可增加环向强度。

冷拉预应力钢丝以一定的拉应力螺旋式缠绕在管芯上，在管芯上产生均匀的预压应力以抵偿由内压和外荷载产生的拉应力。

密实的水泥砂浆保护层可以保护高强度钢丝和管芯，使之免受物理损坏和外界腐蚀。

钢制承插口接头焊在钢筒的两端，是PCCP的连接件和密封件。

根据精探成果，采用直埋方式铺设DN1800给水钢筒管道。管道精探3处，最大管顶埋深为（3.05±0.3）m。给水管位于河庄互通主线桥及萧山高架1号桥北侧，桩基与给水管水平净距最小约为5 m，最大距离约为14.9 m，桥桩承台开挖深度约2.5 m。桩基础与既有管线的位置关系见图1。

图1 桩基础与既有管线的位置关系示意

3 桩基对周边环境影响理论分析及变形控制

桩基础工程包含挤土桩与非挤土桩，两种不同的成桩类型对邻近构筑物结构产生的影响有不同的特点。本项目主要采用钻孔灌注桩，为非挤土桩。桩基础的承载力由侧摩阻力和端阻力组成，上部荷载通过桩传入地基，桩基施工及后期承载过程中对周围土体产生影响，进而对管线产生附加荷载，桩基础对管线的影响主要与上部结构荷载、桩基础选型、施工工法、桩基与管线结构的空间关系、工程地质等因素有关。根据建设阶段，可分三个部分考虑桩基础对水管的影响：1）桩基成桩阶段——即桩基施工阶段对水管的影响；2）荷载施加阶段——即桩基瞬间荷载施加对水管的影响；3）正常使用阶段——即桩基长期沉降对水管的影响。

3.1 桩基成桩阶段影响分析

根据相关研究，钻孔过程会造成钻进位置附近土体水平应力降低7%左右，但影响范围较小，仅影响到距离钻进位置水平2 m范围。钻孔过程对桩孔附近土体的竖向应力影响非常微弱。钻孔过程会造成钻孔位置附近土体孔隙水压力降低，距离钻孔1 m位置的土体孔隙水压力降幅约为静水压力的9%。

在混凝土浇筑的过程中，当混凝土浇筑面高于所观测土体位置时，桩孔附近的土体水平应力急剧增长，增长幅度可达54%，但同样其影响范围很小，距离桩孔2 m处土体水平应力变化率仅为距离桩孔1 m处的土体水平应力变化率的13%。土体竖向应力有1%～3%的降幅。同时紧邻桩孔1 m位置的土体孔隙水压力急剧上升直至混凝土浇筑完成，升幅约为26%。在混凝土浇筑完成后的硬化阶段，桩孔附近土体水平应力及竖向应力均无变化。整个过程对结构的横截面弯矩以及纵向弯矩影响的绝对量值均较小。但从过程变化来看，泥浆护壁钻孔过程以及混凝土浇筑面未达到位置前，弯矩变化率明显小于混凝土浇筑面高于位置后，以及混凝土硬化和后期固结阶段。整体来看，整个钻孔灌注桩施工过程中影响较大的阶段为混凝土浇筑面高于位置后以及混凝土硬化阶段。

钻孔灌注桩在正常施工的情况下，对邻近的影响较小。但在施工质量有问题时（塌孔、缩颈等），钻孔灌注桩施工对周围影响较大。

本项目所在场地以粉砂性地层为主，且桩径达到2 m，塌孔风险极大。在本工程中，可以考虑采用钢套筒护壁等方式，减小钻孔灌注桩施工对周边环境的影响。

3.2 荷载施加阶段影响分析

桩基施工完毕，在上部墩台和桥梁施工过程中，桩基础逐步承担上部荷载。在垂直载荷下，桩基础会产生竖向沉降，并且带动周围土体的竖向及水平变形。对于距离桩基础较近的运营水管，会产生附加变形及应力。

3.3 正常使用阶段影响分析

对桩基周边长期沉降进行监测，从监测数据来看，邻近周边后期加载区域的管线变形明显大于其他区域，邻近管线的建筑物加载施工是造成管线长期沉降的一个重要因素。

通过研究发现，从上部结构施工期间来看管线的变形情况与施加于柱基础上的荷载水平相关，随着荷载水平加大，桩基沉降增长速率逐渐加大，管线受到的影响亦相应加大。

3.4 桥梁桩基施工振动对邻近埋地管道影响试验研究

在常规振动监测中，针对邻近埋管桩基施工的，主要监测管道上方地表的竖向振动速度。在施工桩孔与管道距离较近的情况下，可采取人工掘进桩孔至深度位于管道水平面以下再冲击施工，以有效减小管道的振动速度进而保证埋地管道的安全运行。

对微地震信号作震源的定位分析与研究，得到由施工冲击振动引起岩土体破裂的区域半径为冲锤半径的3倍左右。据此研究结论得出，如果埋管位于3 倍冲锤半径（3R） 之外的范围，即可保证冲击施工过程中所产生的振动不会对管基的岩土层造成破坏，继而避免威胁到管道的安全。

对埋地管道附近桥梁桩基振动施工，建议冲击钻、强夯影响在管道振动速度0.1 cm/s 以下。

3.5 控制标准

结合现有规范《给水排水管道工程施工及验收规范（GB 50268—2008）》［9］和研究成果，当无相关经验时，对给水管线的变形给出如下变形建议的控制值（表1）。结合类似工程项目的实践经验，本次安全评估对给水管的安全控制标准如下：累计值10 mm；变化速率2 mm/d；差异沉降0.25%L。

表1 给水管沉降及差异沉降控制值建议

4 桩基础施工对给水管结构影响的三维数值模拟分析

有限元方法是模拟基坑开挖问题的有效方法，它能考虑复杂的因素如土层的分层情况和土的性质，支撑系统分布及其性质，土层开挖和支护结构支设的施工过程等。本文研究土体为理想型，且根据相关的研究表明地下水等对土体沉降的影响很小，所以本文从单一变量来研究桩基施工对管线沉降的影响。

目前，随着信息科学技术的进一步发展，许多的地下工程均可用软件模拟分析，为了更好地研究桩基施工对既有水管的影响，在结合工程实际的基础上采用GTS NX软件对杭绍甬高速公路杭州至绍兴段桥梁桩基施工进行三维模拟，计算桩基施工对DN1800给水管的空间影响。

4.1 模拟过程及工况

为了计算桥桩施工对既有水管产生的最不利影响，沿水管纵向50 m 范围建立三维模型。模型共包含113 600个单元，20 280个节点。

项目桥梁桩基的施工模拟过程有6 个，分别描述如下：初始应力状态；位移清零；钢套筒施工；泥浆护壁；挖去套筒内部土体，利用水压力模拟泥浆压力；浇筑混凝土，施加上部桥梁荷载。建立的有限元模型见图2。模型中桩基与水管线的相对位置关系简图见图3。

图2 施工过程有限元模拟

图3 桩基与水管线相对位置关系简图

计算的工况有6个：1）桩基与水管距离5 m，不设钢护筒；2）桩基与水管距离10 m，不设钢护筒；3）桩基与水管距离15 m，不设钢护筒；4）桩基与水管距离5 m，设10 m钢护筒；5）桩基与水管距离5 m，设20 m钢护筒；6）桩基与水管距离5 m，设全长钢护筒。

4.2 有限元模拟分析

工况一下既有水管线受力的变形图见图4，鉴于篇幅问题，其他各工况下的变形图不再赘述。

图4 工况一下既有水管线的受力变形

通过数值模拟，得到管道在各方案工况情况下的竖向及水平位移，工况一至工况三情况下具体数值及分析见表2，最大变形量满足控制要求的限值，总体而言能够满足给水管保护要求。

表2 工况一至工况三管道竖向位移与水平位移统计

工况四至工况六情况下具体数值及分析见表3。表中竖向位移负值为沉降，正值为隆起，水平位移负值为朝桥桩侧位移，表中所列数值为该方案对应全部施工阶段完毕后的累加值。

表3 工况四至工况六管道竖向位移与水平位移统计

施工便道荷载及施工平台荷载作用下，管道的最大竖向位移约为5.3 mm；最大水平位移约为1.4 mm。综合考虑桩基施工以及地面施工荷载，采用10 m钢护筒情况下，管道最大竖向位移约为9.6 mm；最大水平位移约为2.3 mm，能够满足保护要求。由以上监测数据绘制管线影响变形特性及分布趋势见图5。

图5 管线影响变形特性及分布趋势

由图5可知，工况一至工况三不加钢护筒的情况下，桩基距离管线（5 m）时，管线有较明显的沉降，距离超过10 m 以后沉降基本趋于稳定。由于本项目桩径较大，且存在深厚砂层，打桩过程中容易产生塌孔，实际因为打桩引起的土体损失与地层沉降均可能比计算值更大。因此建议桩基施工对自来水管线影响较大的区域增设钢护筒。工况四至工况六增设钢护筒后，能够有效改善成桩过程槽壁稳定，结合不同钢护筒深度计算结果与工程经验，建议采用10 m钢护筒较为经济合理。管线外侧3 m以外荷载不大于35 kPa，距离管线3 m内严禁堆载及行车。

5 结 论

在既有管线的城市桥梁施工会成为后续工程经常遇到的问题和难点，施工前期要精细勘探并依据相应的理论进行有限元模拟，为施工的安全有序提供保障。本工程施工前期的一系列有效研究确保了桥梁桩基础的顺利施工和既有水管线的安全，为同类型的工程提供了参考和借鉴。相应的技术总结如下：

1）由于本项目浅表以粉砂性地层为主，桩基施工塌孔风险较大。采用钢套筒后，根据三维计算分析预测，距离最近5 m的桩基施工，引起的给水管水平位移2.3 mm，竖向位移9.6 mm，能够满足保护要求。

2）本项目施工采取了钢护筒等措施后对给水管的影响满足保护要求。为改善成桩过程槽壁稳定，结合不同钢护筒深度计算结果与工程经验，建议采用10 m 钢护筒较为经济合理。

3）砂性地层塌孔的可能性及对周边环境的影响与桩基的直径密切关联，如果能减小桩径，则对保护邻近给水管更有利。