顶管施工对既有桥梁影响的三维数值分析

2022-11-01刘顺青王旭畅王文博周爱兆侯贺营

科学技术与工程 2022年26期

刘顺青，王旭畅，王文博，周爱兆，侯贺营

(江苏科技大学土木工程与建筑学院，镇江 212100)

随着国家海绵城市建设的不断推进，在城市进行管网建设时采用明挖施工的条件大多不具备，而顶管法作为一种非开挖法在城市管网建设中使用越来越广泛。顶管施工通常穿越的路线较长，在下穿过程中常会遇到既有桥梁，然而顶管施工对既有桥梁的影响如何已受到工程界和学术界的广泛关注。

目前中外针对顶管施工对周边环境及构筑物影响的分析方法主要有现场测试法[1-3]、理论分析法[4-5]及数值模拟法[6-9]。顶管施工是一个复杂的三维过程，依靠单纯的理论分析难以准确描述实际的工程条件[10]，而采用三维数值模拟结合理论分析对顶管的施工过程进行模拟，可为顶管施工对周边构筑物的影响提供较为合理的解决方案。目前已有的研究主要集于顶管施工中的力学问题[11-12]及顶管施工诱发的地面变形[13-14]等方面。袁心等[15]通过现场实测分析研究了苏州某管廊矩形顶管管周压力的变化规律；郭延辉等[16]采用数值模拟分析了天然气管道顶管施工引起的顶管结构及上部公路路面的变形规律和受力特征；尹文强等[17]以南水北调中线磁县段顶管为例，对顶管施工引起的地表沉降进行了理论预测，并采用现场实测结果对理论模型参数进行了优化。从上述的分析可知，目前顶管施工对既有桥梁变形的影响如何，特别是顶管施工对周边桥梁存在影响后如何提前处治仍缺少系统研究。

因此，现以镇江海绵城市建设项目中的沿金山湖溢流污染综合治理二级管网工程为背景，分析顶管施工对临近北新河桥的影响，并给出具体的安全保护方案。研究结果和方法为类似的顶管工程提供参考，具有实际工程意义。

1 工程概况

镇江海绵城市建设项目中的沿金山湖CSO溢流污染综合治理二级管网工程，以新河桥泵站为起点，沿新河西岸布设DN2000钢筋混凝土顶管，用于收集新河桥泵站及江南泵站服务片区及新河桥西侧排口对应服务片区的初期雨水，输入至大管道1号井，结合末段雨水泵站及处理设施，消减服务范围内的合流制溢流污染。工程服务范围约0.57 km2，设计标准按年一遇(80.6 mm)设计，二级管道设计流量约2.42 m3/s。

下穿北新河桥段顶管为钢筋混凝土管道，内径2.0 m，区间长度415 m，覆土深度最大11.4 m，主要穿越土层为砂质粉土层，主要障碍物为原北新河桥地基加固区，地质剖面如图1所示。

2 工程地质条件

根据勘察报告，分析研究区的地层从上向下依次为：① 杂填土，松～稍密，厚度为0.2～0.8 m；②-1 粉质黏土，灰黄～浅灰色、灰褐色，软塑～流塑，局部粉粒含量较高，层厚为5.60～0.50 m；②-3a 砂质粉土，灰色，很湿，稍～中密，夹有粉砂及粉质黏土薄层，层厚4.20～0.40 m；②-3a1粉质黏土，灰色，软塑～流塑，夹薄层～厚层灰色粉砂，局部为粉质黏土与粉砂(或粉土)互层，层厚10.60～1.50 m；②-3c 粉砂，灰色，中密，饱和，局部夹薄层灰色软～流塑状粉质黏土，层厚为7.80～0.90 m；②-4 粉质黏土，灰黄～浅灰色，局部灰绿色，可塑，局部偏硬，该层粉粒含量较高，含少量砂及碎石，偶见钙结核分布，层厚14.80～2.50 m。

3 顶管施工引起的地面沉降理论计算值

海绵城市管网中的顶管工程采用DN2000钢筋混凝土管，顶管管道中心埋深为10.0～11.5 m，顶管主要穿越土层为砂质粉土层，主要障碍物为新河桥地基加固区。本文选取覆土深度10 m来进行顶管施工引起地面沉降的计算。

混凝土管道内径:D=2 000 mm，混凝土管道外径:D1=2 420 mm。管道顶至原状地面的覆土厚度:Hs=8.79 m。

管顶土的加权内摩擦角为

(1)

管顶土的加权黏聚力为

≈11.0 kPa

(2)

管顶土的加权重度为

γs=4.2×18.1+1.8×18.4+1.5×18.9+

1.29×19.1/8.79≈18.4 kN/m3

(3)

管顶土的自重应力为

σ1=γsHs=18.4×8.79≈161.7 kPa

(4)

采用朗肯土压力理论按抗剪强度相等的原则进行换算，管顶土的折算内摩擦角为

≈25°。

沉降槽宽度系数为

顶管管道每米的计算出土量为

超挖量按计算出土量的2%计，则

Vs=V1×2%=4.597×2%≈0.092 m3/m。

根据《顶管工程设计标准》(J14552—2019)，顶进管道轴线上方的最大地面沉降量为

距离顶管中心线8.5 m处北新河桥的沉降估算值为

4 顶管施工对北新河桥桥台的影响分析

4.1 三维计算模型的建立

顶管施工对北新河桥桥台的影响分析采用三维有限元计算软件Midas GTS NX建立模型，主要包含以下内容：顶管的管道、地基土、原地基加固土、北新河桥桩基和承台，根据《城市桥梁养护技术标准》(CJJ99—2017)的要求，选取三维模型的计算范围为65 m(长)×65 m(宽)×60 m(高)。

为研究各构件的荷载和变形效应，以便指导后期的顶管施工，经综合考虑，各构件模拟情况如下：土体及加固土模型采用三维块体单元模拟，划分的网格单元数为28 092；承台及顶管管道采用板单元模拟，承台及顶管管道划分的网格单元数分别为248、1 840；桩基采用植入式梁单元模拟，划分的网格单元数为1 586。整体计算模型、顶管计算模型及北新河桥桥台计算模型分别如图2～图4所示。

图2 整体计算模型图Fig.2 Overall calculation model diagram

1～26为划分的顶管编号图3 顶管计算模型图Fig.3 Pipe jacking calculation model diagram

图4 北新河桥桥台计算模型图Fig.4 Calculation model diagram of Beixinhe bridge abutment

4.2 计算模型参数

根据该工程的勘察报告，三维计算模型中的岩土层参数分别如表1和表2所示。

表1 计算模型岩土层参数1Table 1 First rock and soil parameters of calculation models

表2 计算模型岩土层参数2Table 2 Second rock and soil parameters of calculation models

4.3 计算结果分析

为分析顶管施工对既有北新河桥桥台的影响，共采用28个工况进行分析，限于文章篇幅，重点给出典型顶管施工阶段的计算结果。不同工况下的整体沉降及横向位移分别如图5和图6所示。

图5 不同工况下的整体沉降图Fig.5 Overall settlement diagrams under different working conditions

图6 不同工况下的横向位移图Fig.6 Lateral displacement diagrams under different working conditions

从计算结果可以看出，顶管施工对地面沉降的影响明显大于横向位移，顶管施工引起的地面最大横向位移为0.8 mm，最大沉降为3.3 mm。为定量分析顶管施工对地面及北新河桥桥台沉降的影响程度，从顶管正上方向北新河桥桥台方向分别选取编号为1、2、3、4、5的5个位置，原土层加固区向北新河桥桥台方向分别选取编号为6、7、8、9、10的5个位置(图7)，分别分析顶管施工过程中这个10个位置的最大沉降量，分析结果分别如图8所示。由图8可知，顶管施工引起非加固区土体地表沉降的最大值为3.2 mm，此沉降值位于顶管施工正上方的地表附近，引起北新河桥桥台附近土体的最大沉降值约为1.0 mm。顶管施工引起原土层加固区内土体沉降的最大值为0.8 mm，引起北新河桥桥台附近土体的沉降值为0.1 mm。

图7 沉降位置点的选取图Fig.7 Selection diagrams of settlement points

图8 不同位置处的沉降图 Fig.8 Settlement diagrams at different locations

从上述的分析结果可知，土层加固对控制地面沉降具有较好的效果。因顶管与北新河桥桥台的最近距离为8.5 m，而此范围内的土层无加固处理，为进一步地减小顶管施工对北新河桥桥台的影响，可在顶管与北新河桥桥台之间设置应力及变形影响隔离墙。

5 设置隔离墙后顶管施工对北新河桥桥台的影响

5.1 三维计算模型的建立

设置应力及变形影响隔离墙后顶管施工对北新河桥桥台影响的计算模型主要包含以下内容：

顶管的管道、地基土、原地基加固土、新地基加固土、北新河桥桩基和承台，建立的三维模型计算范围仍然为65 m(长)×65 m(宽)×60 m(高)。

隔离墙采用3排直径为700 mm的双重管高压旋喷桩连续墙(图9)，土体、原加固土及隔离墙均采用三维块体单元模拟，划分的网格单元数为32 336；承台及顶管管道采用板单元模拟，承台及顶管管道划分的网格单元数分别为248、1 840；桩基采用植入式梁单元模拟，划分的网格单元数为1 586。设置隔离墙后的整体计算模型如图10所示。

图9 双重管高压旋喷桩连续墙加固剖面示意图Fig.9 Section diagram of continuous wall reinforcement with double pipe high pressure jet grouting piles

图10 设置隔离墙后的整体计算模型图Fig.10 Overall calculation model diagram after setting the isolation wall

5.2 计算结果分析

为分析设置隔离墙后顶管施工对北新河桥桥台的影响，本次共采用28个工况进行分析，因工况较多，限于文章篇幅，重点给出典型顶管施工阶段的计算结果。设置隔离墙后不同工况下的整体沉降及横向位移分别如图11和图12所示。

图11 设置隔离墙后不同工况下的整体沉降图Fig.11 Overall settlement diagrams under different working conditions after setting the isolation wall

图12 设置隔离墙后不同工况下的横向位移图Fig.12 Lateral displacement diagrams under different working conditions after setting the isolation wall

从上述分析结果可以看出，设置隔离墙后，顶管施工对北新河桥桥台的影响很小。为定量分析设置隔离墙后顶管施工对地面及北新河桥桥台沉降的影响程度，从顶管正上方向北新河桥桥台方向选取5个与未设置隔离墙时相同的位置，分析设置隔离墙后顶管施工过程中这5个位置的最大沉降量，分析结果如图13所示。从图13可知，设置应力及变形隔离墙后，介于隔离墙与北新河桥桥台区土体的沉降明显减小，桥台附近土体的沉降仅为0.1 mm。可见，双重高压旋喷桩连续墙具有较好的应力及变形阻隔作用，可以进一步减小顶管施工对北新河桥桥台变形的影响。