出入口通道顶管近接高架桥桩施工影响

黄 杰， 王新强， 吴 悦， 雷元亮， 宋晓旭

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031；2.中铁建大桥工程局集团第二工程有限公司，广东深圳 518083)

作为解决城市化进程中交通拥堵问题的有效公共出行工具，地铁在我国迅速发展。伴随地铁的广泛建设，在城市道路两侧、交叉路口附近新增大量的地铁出入口[1]，由此产生大量的出入口通道近接既有建筑施工问题。

由于埋深较浅，出入口通道以往多采用明挖法或浅埋暗挖法施工。近年来，顶管法凭借适用范围广、安全性好、施工效率高、不破坏地面交通等优点，在出入口通道工程中逐渐得到重视，也有学者进行了相关研究。郭建鹏[2]对哈尔滨一地铁车站出入口下穿通道顶管工程计算钢管节内力变形和地面沉降，验证了类似项目中顶管施工的安全性；林晓庆[3]运用有限差分软件模拟邻近地下管线的矩形顶管施工过程，探讨了矩形顶管施工对土体和管线的影响以及地下管线的破坏模式和控制标准；宋杰、侯艳春[4]总结了矩形顶管在沿海软土地区城市地下出入口通道中的应用，介绍了工作井、管节和防水设计的技术经验。但是，既有研究多集中于常规的顶管工程，关于出入口通道顶管近接高架桥桩施工研究目前仍不充分。

本文依托广州地铁某下穿高架桥的出入口通道顶管工程，建立有限元模型计算顶管贯通后的地表竖向位移、桥桩沉降及水平位移，分析现实中大断面浅埋顶管近接高架桥桩施工对既有桩基和周围土体的影响。

1 工程实例

1.1 项目概况

广州地铁某车站出入口通道采用顶管法施工，类矩形管节横断面外轮廓宽7.7 m，高5.3 m，厚0.55 m，单环管节长2.5 m，顶管上覆土层厚度仅4.9 m，属于浅埋大断面[5]顶管。场地地层由地表往下依次为人工填土层、淤泥层、淤泥质粉细砂、粉细砂层、粉质黏土层、全风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩、微风化泥质粉砂岩，通道开挖掘进主要通过淤泥层、淤泥质粉细层和粉细砂层。顶管从始发井依次从既有快速路匝道的1#桥墩和2#桥墩之间、快速路主干道高架桥的47#和48#桥墩之间以及另一侧匝道的1#桥墩和2#桥墩之间穿过，最终到达接收井。

1.2 下穿高架桥概况

顶管所下穿的快速路主线高架为分幅双向八车道，两条匝道均为双车道，设计载荷均为公路-Ⅰ级。桥梁单跨长度为20 m，采用独柱墩，桥墩下部的桩为无承台钻孔灌注桩，桩长、桩径见表1，桩位分布见图1。为便于描述，双向主干道按照行车方向分别编号，靠近顶管始发端的为主干道1，同理，靠近顶管始发端的匝道为匝道1。

表1 近接桥桩参数

图1 桥桩分布平面

2 顶管施工环境效应数值模拟

2.1 计算模型

根据已有的研究结果，暗挖隧道周边土体受影响的区域为3～5倍洞径，取模型尺寸为80 m×70 m×50 m(纵向长度×横向宽度×高度)，模型共包含13.65×104个单元，其中，土层采用三维实体单元，顶管机钢壳体和管片采用二维板单元模拟，桥桩及其顶部的系梁采用一维梁单元模拟。完整的有限元模型和顶管与桥桩的相对位置见图2。

图2 有限元模型

模型中土体本构选取摩尔-库伦弹塑性模型，管节、顶管机钢壳、桥桩及系梁等结构单元均为弹性模型。采用等代层模拟施工过程中注浆对土体的加强效果。开挖面压力设置为沿竖向梯形分布荷载，开挖面中心处值为60 kPa。模型中的构件材料和地层物理力学参数见表2、表3。其中，钢材重度为考虑机头全部重量换算得到的值。

表2 构件材料计算参数

表 3 地层土体计算参数

模拟的施工步骤顺序为：

(1)平衡初始地应力，位移清零。

(2)开挖一段管节长度的土体，同时激活对应位置的顶管机钢壳，在开挖面上施加压力。

(3)向前开挖一段管节长度的土体，在上一步开挖区域杀死顶管机钢壳单元，激活管节单元，注浆区原有的土体用等代层替代，同时激活新开挖区域位置的钢壳，在新的开挖面上施加压力。

(4)重复步骤(3)直至贯通。

2.2 桩顶荷载计算

主要研究对象为桩，为减小计算开销，将桥墩、主梁等桥桩以上的构件对桥桩的作用简化为施加在桩顶面上的荷载。桩顶荷载计算包括如下部分[6]：

(1)一期恒载：包括桥跨自重，桥梁跨度为19.5 m，结构容重取26 kN/m3。

(2)二期恒载：包括桥面铺装及栏杆等附属设施重量，按主桥二期恒载100 kN/m，匝道二期恒载60 kN/m计算。

(3)桥墩自重：桥墩结构包括支撑垫石、顶帽、托盘和墩身，桥墩容重取25 kN/m3，自重全部传递至下部桩体。

(4)活载：快速路主线和匝道设计荷载等级为公路-Ⅰ级汽车荷载，即车道均布荷载标准值10.5 kN/m，集中荷载则按照跨径内插得到，为240 kN，根据影响线分析取最不利布载进行计算。

将上述荷载累计得到每根桩顶部所受上部结构传递下来的总荷载，其值见表4。

表 4 近接桥桩顶部荷载

3 计算结果分析

3.1 地表竖向位移

对主干道高架桥中轴线在地面投影线上的一系列节点提取竖向位移，得到图3。可见沉降主要发生在47#、48#桥墩之间，即顶管开挖上部，最大值分别为5.1 mm、5.6 mm。与一般暗挖隧道施工引起的地表沉降曲线不同，在47#、48#桥墩附近局部产生隆起，最大值达到0.8 mm。这是因为顶管两侧桥桩距离顶管外壁只有5 m左右，在顶管机通过时造成挡土效应，土体水平位移受到限制，初始隆起值超过无近接结构的常规顶管工况，顶管机通过后虽有沉降，但无法完全抵消隆起，最终顶管上方靠近桥墩区域地表表现为隆起。

图3 主干道高架桥下方沿轴线地表竖向位移

3.2 主干道高架桥桩基位移

主干道高架桥47#和48#桩基受顶管近接施工影响较大，根据有限元模拟计算结果，顶管穿越后主干道1、2高架桥桩47#、48#桩顶沉降值极为接近，最大沉降均发生于47#桩，分别为0.40 mm、0.39 mm，可见由于顶管埋深相较于桩长很小，顶管施工对近接桥桩竖向位移的影响也很小。

数值模拟计算得到的主干道高架桥47#和48#桩基最终水平位移如图4～图7所示，其中，横桥向即为平行于顶管纵轴方向。主干道1高架桥47#、48#桩沿桩身顺桥向水平位移最大值分别为1.18 mm、1.10 mm，横桥向水平位移最大值分别为4.37 mm、4.22 mm；主干道2高架桥47#、48#桩沿桩身顺桥向水平位移最大值分别为1.00 mm、0.97 mm，横桥向水平位移最大值分别为3.68 mm、3.62 mm，受顶管近接施工影响而产生的最大水平位移均发生于桩顶，且均小于规范[7]容许值。比较后发现，同一主干道高架桥的47#、48#桩水平位移值接近，近似对称于顶管通道，水平位移主要体现在横桥向；顶管先通过的主干道1高架桥桩顺桥向与横桥向水平位移均稍大于主干道2高架桥桩，横桥向水平位移差异更加明显。

图4 主干道1高架桥47#桩水平位移

3.3 匝道桥梁桩基位移

匝道高架桥受顶管近接施工影响较大的桩基为1#和2#桩，与主干道高架桥桩桩顶沉降结果相似，顶管穿越后匝道1、2高架桥1#、2#桩顶沉降值接近，最大沉降均发生于2#桩，分别为0.50 mm、0.51 mm。

图5 主干道1高架桥48#桩水平位移

图6 主干道2高架桥47#桩水平位移

图7 主干道2高架桥48#桩水平位移

数值模拟计算得到匝道高架桥1#、2#桩最终水平位移如图 8～图 11所示。匝道1高架桥1#、2#桩沿桩身顺桥向水平位移最大值分别为1.47 mm、1.33 mm，横桥向水平位移最大值分别为3.78 mm、4.44 mm；匝道2高架桥1#、2#桩沿桩身顺桥向水平位移最大值分别为0.62 mm、0.72 mm，横桥向水平位移最大值分别为2.06 mm、2.31 mm，最大水平位移均发生于桩顶，且均小于规范容许值。比较后发现，同一匝道高架桥的1#、2#桩水平位移值差异较主干道高架桥有所增大，但仍基本对称于顶管通道，横桥向为水平位移主要发生方向；顶管先通过的匝道1高架桥桩顺桥向与横桥向水平位移均大于最后通过的匝道2高架桥桩，以横桥向差异更为明显，由于匝道1、匝道2相隔较远，这一差异程度超过主干道1和主干道2之间的横桥向水平位移差异，体现为匝道1与匝道2相同编号桥桩相同方向水平位移之比接近1∶2。

图8 匝道1高架桥1#桩水平位移

图9 匝道1高架桥2#桩水平位移

图10 匝道2高架桥1#桩水平位移

图11 匝道2高架桥2#桩水平位移

4 结论

依托广州地铁某车站出入口顶管通道近接高架桥桩施工项目，借助有限元软件建立地层-桥桩-顶管三维数值模型，分析计算结果得到如下结论：

(1)主干道轴线地面投影线的地表竖向位移主要发生于最靠近顶管通道的47#、48#桥墩之间区域，最大值分别为5.1 mm、5.6 mm，且顶管两侧的47#、48#桥墩造成一定的挡土效应，具体表现为47#、48#桥墩靠近顶管一侧地表隆起，最大值为0.8 mm。

(2)主干道高架桥桩桩顶沉降最大值约0.4 mm，位置为顶管顶进方向左侧的47#桩；匝道高架桥桩桩顶沉降最大值约0.5 mm，位置为顶管顶进方向右侧的2#桩。数值模拟结果说明浅埋顶管施工对近接桥桩沉降的影响很小。

(3)主干道和匝道高架桥桩受顶管近接施工影响而产生的最大水平位移均发生于桩顶，且均小于规范容许值。主干道与匝道高架桥靠近顶管两侧的桥桩水平位移值接近，接近对称，水平位移主要体现在横桥向。顶管先通过的主干道1高架桥桩顺桥向与横桥向水平位移均大于后通过的主干道2高架桥桩，横桥向水平位移差异更大；而匝道1与匝道2同一编号桥桩相同方向水平位移之比接近1∶2。