管线顶管法下穿公路桥梁安全评价与分析

于永正

(辽宁省公路勘测设计公司 沈阳市 110006)

根据《公路安全保护条例》第二十七条和二十八条的相关规定，对涉路工程项目需要进行“质量和安全技术评价”工作。以某雨水管线顶管法施工下穿公路桥梁为例，进行相应的技术评价与分析。

1 项目概况

滨海新区雨水管线东起河北路，西至津塘路泵站，雨水管主管内径为1.4m，总长3698m，其中K1+500处需要下穿津塘公路津车桥，与桥梁的交叉角度为84°。为保证桥梁结构安全，采用顶管法施工，并在雨水管线外设置直径2.4m的保护套管，管材采用顶进施工法用III级钢筋混凝土管道，钢承口，橡胶圈连接，雨水管道采用玻璃钢夹砂管，套筒式双插口形式柔性接头连接，环刚度大于等于12；钢筋混凝土套管与玻璃钢夹砂管的空隙采用吹砂填实。顶管始发井位于津塘公路南侧，基坑尺寸为6.6m×9.8m，基坑深度约12.93m，接收井位于津塘公路北侧，基坑尺寸为7.0m×7.3m，基坑深度约13.61m。钢筋混凝土套管距离桥梁桩基础位置的最小净距为5.6m，套管顶面覆土厚度为8.6m。项目穿越位置立面图如图1所示。

图1 穿越位置立面图

2 地质、水文概况

2.1 工程地质

本项目地处华北平原，根据岩土工程勘察报告提供的勘察资料，工程场地位于天津滨海新区塘沽，属海积低平原亚区(Ⅱ5)，主要涉及素填土①2、黏土③1、粉土③2、粉质粘土⑥1、淤泥质粉质黏土⑥、淤泥质黏土⑥2、粉土⑥3、粉质粘土⑥11、黏土⑥21、粉质粘土⑥22、淤泥质粉质黏土⑥26。盾构穿越土层以流塑⑥2淤泥质粘土为主，局部穿越软塑～流塑状⑥22粉质粘土，稍密状⑥23粉土，流塑状⑥25淤泥及流塑状⑥26淤泥质粉质粘土。顶管施工主要穿越⑥2淤泥质粘土。

2.2 水文地质条件

本项目所在区域地下水类型为第四系孔隙型潜水，主要补给来源为大气降水，以蒸发方式和向附近河流和低洼处排泄为主。勘探期间实测稳定水位埋深为2.40～5.10m(相对大沽标高为0.52～0.81m)，据区域资料及勘察经验，潜水位年变幅为0.50～1.00m。该场地抗浮设计水位可按大沽标高2.00m考虑，地标准冻结深度为0.60m。

3 施工期间桥梁结构安全评价与分析

3.1 分析方法

目前，国内外关于施工和运营引起地层变形的预测分析方法有很多种，主要有经验法、解析法、有限元法等。为保证分析结构的合理性和可靠性，更好地反应桩基受上部结构荷载作用后引起周围土体变形，进而引起地基变形这一过程，桥梁结构安全分析主要采用MIDAS/GTS NX软件进行模拟计算。采用有限元法分析上顶管穿越施工对既有桥梁的影响。

3.2 计算参数

依据地质资料所提供土层类型进行模拟计算，津车桥桥墩、钻孔灌注桩、管道均视为弹性材料，具体参数取值如表1、表2所示。

表1 静止侧压力系数、泊松比与地基土的水平抗力系数的比例系数

表2 模型中结构的物理力学参数表

3.3 有限元模型建立

采用Midas GTS建立三维模型，为便于描述，首先给出计算模型中拟采用的坐标系：沿津车桥东侧为X轴正方向，反之为负；沿垂直津车桥北侧方向为Y轴正方向，反之为负；沿竖直方向向上为Z轴正方向，反之为负。为消除计算边界效应的影响，考虑施工过程中的空间效应，计算模型取其有效影响范围，即模型沿X方向取85m，沿Y方向取60m，土层总深度60m。

模型建模思路为首先建立各土层，以此作为初始阶段；然后建立公路运营、开挖基坑、套管修建、管道运营等，并根据施工阶段激活或钝化相应单元及荷载，计算开挖基坑、管道修建、管道运营对既有津车桥桥墩的影响，分析模型如图2所示。

图2 整体模型

(1)三维实体单元

土体、桥墩、承台、管道结构选用三维实体单元，可分四节点、六节点和八节点构成，本模型选用混合网格单元，因为它的位移和应力结果与实际情况比较接近。实体单元仅有三个平移自由度，没有旋转自由度。

(2)桩单元

桩单元选用的单元类型是MIDAS-GTS中的梁单元，在三维实体模型中建立梁单元时，要考虑节点的共享。桩单元使用了嵌入式梁单元的方式，该单元由两个节点构成，属于“棱柱状三维梁单元”。梁单元的每个节点具有六个自由度，每个单元具有三个平移自由度和三个旋转自由度。

(3)桩土界面单元桩土接触单元采用MIDAS-GTS中提供的用于连接不同材料或刚度相差较大的材料的无厚度桩界面单元。

(4)边界条件

土体模型边界选用地面支承边界，即在左右边界约束x方向的自由度，在前后边界约束y方向的自由度，在底面边界约束z方向的自由度，地面不约束自由度。

(5)荷载形式自重：程序根据建立的单元材料容重，自动计算其体积后计算其自重，最后分配给各单元节点用于分析。管道运营荷载考虑管道内布置雨水管线。模拟管道施工过程分析为施工阶段分析，一般来说岩土材料都是非线性材料，材料的非线性特性可从岩土的初始条件获得。所谓初始条件是指施工前的现场条件，也叫原场地条件，其中原场地应力最具代表性，获得原场地的应力条件后在原场地条件下按施工顺序进行全施工阶段分析。现场的实际施工阶段非常复杂也经常发生变化，施工阶段分析一般是将其简化取比较重要的施工阶段进行分析。

3.4 施工过程分析

利用MIDAS/GTS软件在进行施工过程模拟分析时，大多是分步进行的，将每个施工步模拟结果包括荷载和体系位移等不断累加到下一个施工阶段，最终体现在最后施工阶段条件施加后产生的影响作用。施工步是指一个相对完整的施工阶段，每一次顶进开挖视作一个施工步。结合顶管施工过程，模拟顶管施工单次循环顶进2m。具体施工阶段划分：现状公路施工前初始应力场→公路运营→位移清零→分节顶进套管→管道运营。

3.5 位移计算与分析

套管的修建及运营会对津车桥的结构安全产生一定影响，选取部分施工阶段的位移云图进行分析，由图可以看出，每一节管道施工引起的土体竖向位移变化规律具有一致性，管道下方土体产生向上位移即隆起，管道上方土体产生向下位移即沉降。土体最大隆起发生在管道正下方拱底处，最大沉降值发生在管道正上方拱顶处。

(1)顶管施工期间总体位移分布情况如图3所示。

图3 模型的总位移云图(单位：mm)

(2)顶管施工期间桥梁位移分布情况如图4所示。

图4 桥梁的总位移云图(单位：mm)

(3)顶管施工期间桩基位移分布情况如图5所示。

图5 桩基的总位移(单位：mm)

(4)顶管施工期间桥梁桩基轴力变化情况如图6、图7、表3所示。

图6 桥梁桩基正常运行期间桩轴力云图(单位：mm)

图7 顶管施工完成桩轴力云图(单位：mm)

表3 最不利位置桥梁桩基轴力变化

4 结论与建议

本工程雨水管线下穿津塘公路津车桥，采用泥水平衡顶管法施工，管线与公路桥梁的交叉位置、角度、埋深等各项指标均满足国家相关技术标准和规范的要求。根据Midas GTS三维模型分析结果，桥梁桩基的竖向最大总位移为0.81mm，桩基础的不均匀沉降位移值为0.5mm，轴力变化最大值为2.66kN,顶管穿越施工对桥梁结构的整体稳定性影响较小，对上部桥面的影响基本可以忽略不计，穿越施工期间桥梁结构安全满足相关规定的要求，管线穿越施工对公路、桥梁及其附属设施质量和行车安全的影响较小，方案选择较为合理。

通过计算预测分析，施工期间对桥梁结构存在一定的影响，为了保证桥梁结构的稳定性，应对管线穿越影响范围内的地面沉降、桥梁位移、桩基轴力变化等均应进行动态监测工作，如变化值达到预警值，应立即停止施工，并分析原因，采取有效的补救措施及时处理。通过采取补救措施，可以预防和减少施工对公路、公路附属设施质量和安全的影响。