矩形顶管施工对周边桩基础位移影响规律研究

张建安

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

随着国家对基础设施建设的大力投入，市政建设工程在越来越多城市中兴起，道路、桥梁、管廊等一系列的工程建设加快了城市化进程的步伐，在部分城市和地区地面空间越来越稀缺，城市地下空间的开发和利用受到了更多的关注，各种地下空间施工方法得到了空前的发展，其中矩形顶管由于其覆土要求较低、空间利用率高、不影响上部道路交通等特点在地下通道、地铁出入口等项目中应用越来越多。

目前很多学者对矩形顶管施工对土体及管线的影响做了较多的研究工作，其中林晓庆[1]采用FLAC-3D进行数值模拟分析了矩形顶管施工引起的土体及邻近地下管线变形和应力分布特点。赵飞阳[2]通过三维建模分析了矩形顶管对既有地铁区间的影响。对顶管一侧有建筑物基础或桥梁桩基等情况亦有部分学者进行了探讨，张驰[3]对于圆形顶管穿越磁浮高架线时对其桩基的影响做了一定分析。张毅等[4]对圆形顶管穿越高架线路的案例进行了探讨。王颖等[5]通过三维有限元分析总结了如何避免圆形顶管对公路桥梁可能造成过大沉降。但对于矩形顶管施工时对侧方桥梁桩基的影响尚不充足。

本文以某过街通道矩形顶管为例，在算例中增加高架桥梁桩基，采用Midas/GTS软件进行三维数值模拟方法，分析在一侧有高架桩基条件下矩形顶管施工对桩基的影响，给出不同净距条件下矩形顶管对桩基的影响规律和影响程度划分，为日后类似工程设计施工提供一定参考。

1 工程概况

本次分析模型采用断面净尺寸为5.5 m×3.3 m（宽×高）的矩形管片，壁厚500 mm，共顶进30节，每节管片长1.5 m，管片示意见图1。分别在穿越段南北侧设始发工作井及接收工作井。场地土层分布自上而下依次为：1-1层杂填土，土质松软；2-2层粉土，中压缩性，工程地质特性较差；2-4层粉砂，中等压缩性，工程地质特性一般；3层粉质黏土，工程地质特性较好，5层中风化岩，工程地质特性好。各土层相应物理参数详见表1，新建顶管通道主要在粉土及粉砂层内顶进施工。

分析中采用的高架桥梁承台尺寸为4.0m×2.0 m，埋深为2.0 m，桩基采用直径800 mm钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩长25 m。

2 数值模拟

根据其他学者研究结论，矩形顶管对上覆土体的横向影响范围约±3.0 D[1][6]，因此本文主要研究矩形顶管施工对该范围内的桩基的影响，根据矩形顶管断面宽度（D）尺寸，分别分析桩基距离管壁 3 m（0.5D）、6 m（1D）、9 m（1.5D）、12 m（2D）、15 m（2.5D）、18 m（3D）情况下桩基因顶管施工所产生的附加变形。

图1 顶推管节断面图（单位：mm）

表1 土层及注浆材料物理参数

2.1 计算假设

参考其他研究人员对顶管施工的数值模拟研究工作[1，6，7]，对计算模型做如下的假定：

（1）模型土体为各向同性、均质、理想弹塑性体；

（2）暂不考虑管片接缝的影响，将其视为各向同性的线弹性体；

（3）顶管推进过程中不考虑土体时间效应，只考虑顶进空间位置的变化；

（4）顶管正面推进力为矩形均布荷载，地层损失沿通道轴向均匀分布，矩形顶管顶进面推力选取1.0P（P为掌子面中心土体竖向压力）。

2.2 计算模型

分析采用Midas/GTS有限元分析软件，综合考虑本项目的范围，考虑三维模型尺寸为122 m（沿通道长度）×70 m（宽度）×29.7 m（深度），见图2。始发井、接收井结构、顶管管片材料参数、桩基参数等相见表2。

桩基与顶进管片相对位置关系见图3。

2.3 计算工况

顶管顶进施工的模拟不考虑始发井及接收井的施工过程，顶进前桩基及承台均为现状条件。模拟分析时，通过激活、钝化不同区域单元模拟矩形顶管顶进过程，每顶进一节管片为一步施工工况。修改管片外一层单元参数来模拟管片外注浆。30节管节共分为30个顶进步，结合初始阶段和最后机头进入接收井的施工，将本工程分为32个施工工况。施工工况示意见图4。

图2 分析模型示意图

表2 结构材料物理力学参数

图3 管片与桩基相对位置示意图

图4 施工工况示意如图

3 结果分析

3.1 桩基变形分析

顶管施工会引起周围土体发生不同方向和不同程度的位移，从而使包裹在土体中的桥梁承台及桩基发生位移，进而产生附加弯矩，当桩基位移及附加弯矩超越一定限值后桥梁结构将无法正常使用。由于大部分桥梁基础均为端承型桩，一般不发生竖向变形，因此本次研究主要考虑桩基水平向变形。

选取桩基与管壁净距1.5D模型结果，随着矩形顶管的步步顶进，桥梁桩基发生沿顶进方向的变形（最大值为8.21 mm），同时发生垂直顶进方向的横向变形（最大值为1.74 mm），见图5、图6。

图5 净距1.5D时桩基沿顶进方向变形示意

图6 净距1.5D时桩基垂直顶进方向变形示意

对比分析可知桩基垂直顶进方向变形大约为沿顶进方向变形的1/5，可认为矩形顶管施工主要造成桩基沿顶进方向的变形。

选取每一顶进步下桩基沿顶进方向变形见图7，可知当顶管机头到达桩基范围前主要由于矩形顶管机头顶推力的作用使机头前方及侧方土体发生变形而使桩基发生变形，顶管穿越桩基范围后虽然管片四周进行了注浆减摩处理，但随着后续管片的推进带动作用周围土体仍然发生沿顶进方向的位移，最后当顶管机头进入接收井后桩基位移达到稳定值，最大位移可达8.21 mm，因而在顶管施工全过程中桩基变形会一直随管片的顶进而逐渐变大。

图7 桩基与管片净距1.5D时随顶进过程桩基沿顶进方向位移

3.2 不同净距桩基变形分析

上述分析结果为桩基与管壁净距1.5D情况，分别计算净距为 0.5D、1.0D、2.0D、2.5D、3.0D 时顶管施工桩基变形，选取桩基沿顶进方向以及垂直顶进方向最大变形见图8、图9。

根据计算结果可知，随着桩基与矩形管片净距的加大，虽然仍会随顶管的顶进而发生变形，但变形值会明显逐渐减小，图8中桩基管片净距为2.0D时桩基沿顶进方向的位移是0.5D时的约1/2（6.58 mm），净距为3.0D时约为1/3（4.23 mm＜5.0 mm），可以认为净距3D以上桩基受到矩形管片顶进的影响大大削弱；图9中桩基垂直顶进方向的位移随桩基管片净距的增加同样显著减小，当净距大于1.5D时位移可认为已基本稳定，但由于垂直顶进方向的位移本身相对偏小，因此综合判断可知当桩基在顶管管片外3.0D范围以内时，受到顶管施工的影响较大，需采用诸如注浆加固、隔离桩等措施进行处理以减小桩基的变形，当桩基远离矩形顶管管片3.0D以上时可认为顶管施工对桩基影响较小，根据具体工程情况计算满足桥梁桩基要求时即可不必采用加固隔离等工程措施。

4 结论

本文通过数值模拟分析，研究矩形顶管施工对周边桥梁桩基的影响，可得结论如下：

（1）矩形顶管施工时会对侧边桩基产生不利影响使其发生沿顶进方向和垂直顶进方向的位变形，且沿顶进方向的位移变形为水平变形中主要部分。

（2）根据不同条件模型计算，桩基的水平变形随着桩基与管片净距的增加而逐渐减小，本管工程条件下当桩基与矩形管片净距小于3.0D时，桩基受到顶管施工的影响较大，需考虑采用一定的工程隔离措施，当净距大于3.0D时桩基变形已小于5 mm，可认为3.0D为本工程情况下矩形顶管对侧边桩基的安全保护距离，为今后类似相关工程提供一定参考。

[1]林晓庆.矩形顶管施工对邻近地下管线的影响分析[D].广东广州：广州大学,2012.

[2]赵飞阳.矩形顶管通道施工对既有地铁区间隧道的影响分析[J].城市道桥与防洪,2017(4)：154-157

[3]张驰.大直径顶管穿越磁浮线路变形影响实例分析[J].土工基础,2017,31(1)：4-7

[4]张毅,翟之阳.超大直径顶管穿越地铁高架线路关键技术研究[J].工程建设与设计,2015(S1)：110-113

[5]王颖,赵华,赵业海.给水管道顶管穿越既有公路桥梁影响研究[J].天津建设科技,2017,27(2)：54-55

[6]庞臣军,鲍先凯.矩形顶管施工的数值模拟研究[J].施工技术,2013(42)：410-412.

[7]杨朝帅.大断面矩形顶管隧道施工土体稳定性分析[J].低温建筑技术,2016(4)：131-134