桥跨下管道开挖对桥梁基础影响分析

王甫友

【摘    要】：为了研究雨水管道开挖对邻近既有桥梁基础的影响，以实际工程为例，采用Midas有限元分析软件，研究管道沟槽开挖土层的压缩模量等因素对邻近桥梁基础位移的影响，分析结果表明：管道开挖过程对基础沉降影响主要集中在距管道开挖边缘两侧1.5D（D为管道直径）范围，距沟槽越远，沉降越小并趋于零；管道开挖范围地基土压缩模量影响桩基水平位移，压缩模量越大，水平位移越小。

【关键词】：管道；开挖；桥梁；基础；压缩模量；位移

【中图分类号】：TU753【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）02-38-04

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.02.009

Effect Analysis of Pipeline Excavation under Bridge Span

WANG Fuyou

（Tianjin Transportation Science Research Institute， Tianjin 300300， China）

【Abstract】：In order to study the effect of rainwater pipeline excavation of bridge foundation， herein， the paper takes the pipeline excavation project as an example， uses Midas finite element analysis method  to study the influence of soil compression modulus and other factors of pipeline excavation on the displacement of adjacent bridge foundation. The analysis results show that the influence of pipeline excavation on foundation settlement mainly concentrated in the range 1.5D （D is the diameter of the pipeline） from both sides of the excavation edge of the pipeline， the further away from the trench， settlement decreases and tends to zero. The horizontal displacement of pile fundation is affected by the compression modulus of foundation soil within the excavation range，the larger the compression modulus is， the smaller the horizontal displacement is.

【Key words】：pipeline; excavation; bridge; foundation; compression modulus; displacement

近年来，随着交通基础设施的发展，地下管线工程也进入快速发展阶段。管道沟槽开挖是管道埋设工程的重要环节，开挖过程是否合理直接影响管道工程的质量。现有大量研究表明，管道沟槽开挖会对附近既有建筑地基与基础变形产生一定影响；尤其对大型建筑物地基及基础的变形不可忽略[1～3]，甚至导致严重的安全问题[4]。

关于开挖引起的邻近既有建筑地基与基础变形问题突出，国内外学者已做出许多研究并取得重要研究结果。邹国锁等[5]通过数值模拟的方法研究发现地铁盾构隧道过程会引起附近地面明显沉降；戴文亭等[6]采用Miads/GTS和FLAC等有限元软件分析了地铁换乘站开挖施工对附近建筑物基础沉降的影响；张达栋[7]进一步对地基沉降机制做了分析，指出地铁盾构过程中土舱压力与等代层模量是影响地表沉降的两个主要因素；赵延林等[8]通过ABAQUS有限元分析了基坑开挖对临近独立基础变形的影响，研究结果表明基坑开挖对基础沉降的影响程度大于对侧向变形的影响程度。但针对管线埋设过程对既有桥梁影响的分析相对较少，本文实际工程为例，采用Midas/GTS有限元软件，研究管道开挖过程对邻近桥梁桩基位移的影响。

1 工程概况

天津市滨海新区开挖管道Y-3～Y-4和Y-30～Y-6段管线位于某桥下，桥下净空高度3.5 m左右，不具备钢板桩支护条件，因此采用放坡分三步等高度开挖，槽底宽D+1 200 mm（D为管径），边坡1∶1。Y-3～Y-4段管径600 mm，最大埋深3.47 m，排水管中心距最近桥梁墩柱5 m，槽口上沿距最近墩柱仅为0.63 m；Y-30～Y-6段管徑1 200 mm，最大埋深4.42 m，排水管中心距最近桥梁墩柱11.2 m，槽口上沿距最近墩柱5.58m。见图1。

管道下穿桥梁上部结构为25 m简支预应力混凝土空心板梁，下部结构为双矩形和马蹄形组合墩，墩柱底部外轮廓尺寸西幅桥为3.5 m×1.4 m、东幅桥为3.5 m×2.2 m，承台尺寸为7.4 m×5.0 m×2.0 m，下设6根直径1m的钻孔灌注桩，桩长42～44 m。

基于工程勘察报告，将部分性质相近的土层合并，自上而下简化为5层土。见表1。

2 数值模拟

2.1 模型建模

采用Midas/GTS有限元软件建立模型。各层地基土力学指标见表2。

桩基与顶部承台为线弹性模型，分别按C20、C25混凝土强度等级设置参数；桩基与地基土间无厚度接触面，用于模拟桩-土間相互作用；地基土的本构模型为修正的摩尔-库伦弹塑性模型。见表3。

假定各层土体为各向同性连续介质且呈均质层状分布；计算时不考虑活荷载、地下水位变化的对工程的影响，仅考虑桩-土结构自重及上部结构传递的桥梁荷载。地基土边界条件除顶部表面为自由面外，其余表面边界均固定。为了消除模型边界效应，X、Y、Z方向长度分别为120、50、60 m。见图2。

2.2 数值分析

因开挖深度内素填土与淤泥质土的压缩模量变化较大，分别取最小值、最大值和均值（其他土压缩模量取均值），共9种工况分析邻近桥梁基础变形。见表4。

取Y-3～Y-4和Y-30～Y-6段管线邻近桩基进行分析，见图3。

2.2.1 地基土沉降

对不同工况下地基土位移情况进行分析，各工况位移趋势相似，工况1的地基土竖向位移见图4。

沟槽两侧土体的沉降明显大于地基其他各处的沉降。沟槽两侧区域为整个地基沉降幅值优势区，即地表沉降量从沟槽开挖处向外逐渐减少。这是由于沟槽开挖会对周围土体扰动，形成沟内土体上抬，两侧土下沉的趋势，随着距沟槽距离的增大，开挖对土层附加扰动也逐渐减小，在1.5D范围外，沉降量变化趋于零。

2.2.2 基础沉降

L1～L6、R1～R6桩基在工况1～工况9下的最大沉降变化值见表5和表6。

L1～L6随着淤泥质土的压缩模量增大，最大沉降变化值增大；随着素土的压缩模量增大，最大沉降变化值呈现先减小后增大的趋势。R1～R6随着淤泥质土的压缩模量增大，两侧桩最大沉降变化值减小，中间桩基最大沉降变化值增大；随着素土的压缩模量增大，最大沉降变化值减小。主要是因为L1～L6距开挖点稍远，R1～R6距开挖点较近；开挖时，R1～R6第一层土处于地基土位移场中，以竖向位移为主的区域，受地基土竖向位移影响较大，最大沉降值呈现出随第一层素土的压缩模量增大而减小的趋势；而其他区域会受到较为复杂的地基土位移影响，尤其是水平位移的影响，导致随该区域土的压缩模量变化也相应复杂，但最大竖向沉降变化值为1.252 mm。根据JTG/T J21—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》，25 m跨径桥梁相邻墩台均匀总沉降差容许限值为5 cm，不考虑已经累积的沉降差，因管道开挖对基础沉降产生的影响较小。

2.2.3 基础水平位移分析

由于沟槽开挖卸荷导致土体位移对邻近桩基产生较大推力，故使桩基发生水平位移。水平位移与地基土压缩模量呈负相关，压缩模量越大，水平位移越小，最不利工况为工况1，最大位移值为4.008 mm。见图5。

借鉴JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》，按强度控制时，对水平位移敏感的结构物桩顶的水平位移允许值取6 mm的0.83倍，即4.92 mm。不考虑已经累积的水平位移，基础因管道开挖而产生的水平位移未超限值，但已达限值的81.5%。

3 结论

1）管道开挖引起的邻近桥梁基础沉降量较小，与土层压缩模量的关系跟基础距开挖边缘的距离、土层所处位置等有关系，并不是简单的负相关。管道开挖对两侧地基沉降影响范围在1.5D内。

2）管道开挖导致邻近桩基发生水平位移，水平位移与开挖范围地基土压缩模量负相关，压缩模量越大，水平位移越小。

3）案例中水平位移虽未超限值，但考虑施工中的不确定因素及后期养护等因素，建议将线路改至跨中，尽可能的远离两侧墩柱，以将管道开挖对桥梁的影响降到最低。

参考文献：

[1]雷华阳， 张磊， 许英刚， 等. 快速地铁列车荷载下软土地基沉降数值模拟研究[J]. 岩土工程学报， 2019，41（S1）： 45-48.

[2]刘加柱，孙礼超，丁银平，等. 地铁隧道暗挖施工对既有快速公交车站基础的影响[J]. 铁道建筑， 2018，58（8）：79-83.

[3]代君. 济南盾构隧道施工对临近建筑物地基沉降的影响分析[D]. 济南：山东建筑科技大学，2020.

[4]陈云敏，胡琦，陈仁朋. 杭州地铁湘湖车站基坑坍塌引起的基底土深层扰动与沉降分析[J]. 土木工程学报，2014，47（7）：110-117.

[5]邹国锁，邹喻，何春伟. 地铁盾构隧道施工引起地表沉降的数值模拟[J]. 公路交通科技（应用技术版），2017，13（10）：222-225.

[6]戴文亭，王宇放，王 振，等.地铁换乘站开挖对临近建筑物影响的分析研究[J]. 施工技术，2017，46（S1）：684-690.

[7]张达栋. 地铁盾构隧道施工引起地表沉降机制及数值分析[J]. 公路交通科技（应用技术版）， 2015，11（2）：181-183.

[8]赵延林，朱庆潘，高红梅，等. 深基坑开挖对邻近既有独立基础变形的影响[J]. 黑龙江科技大学学报，2015，25（3）：294-298.