顶管隧道施工对高速公路通道桥的影响分析

2024-02-01尹正风

北方交通 2024年1期

尹正风

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司沈阳市 110166)

0 引言

随着我国管网和路网的日益发展与完善,新建管线穿越运营期的高速公路的现象非常普遍。如何采取合理的方法在满足管线施工要求的同时确保高速公路不断交,保证后期运营安全成为重要课题[1]。顶管施工是一种地下管道施工方法,无需开挖面层,并且能够穿越公路、铁道、地面建筑物以及地下管线等。目前,顶管施工技术已成为一种常规施工方法,自来水管、煤气管、动力电缆、通信电缆和发电厂循环系统等许多管道也采用了该技术。控制好顶管施工过程中的地表下沉和周边构筑物沉降,是下穿既有构筑物安全施工的关键。目前,针对地表沉降,常见的分析方法有经验公式法、理论解析法、模型试验法及数值分析法。用数值模拟的方法,对地表沉降及地表建构筑物的影响进行预测,在现今的交通设计中应用非常广泛[2-5]。文章针对辽西北供水盘锦应急支线供水工程顶管穿越京哈高速G1通道桥施工,采用有限元方法建立模型进行全过程模拟,对工程方案进行分析。

1 工程概况

辽西北供水盘锦应急支线供水工程输水管线穿越京哈高速G1,位于盘锦市盘山县,穿越位置管线起点至终点桩号为G66+193.589～G66+496.589,穿越位置管线中心桩号为G66+373.369。该段供水管道采用1×DN2000钢管,管线与公路夹角70.0°,采用泥水平衡钢筋混凝土顶套管穿越,顶套管内径DN2800mm,穿越长度303m。工程位置平面图见图1。

图1 工程位置平面图

京哈高速G1通道桥位于K527+048.003处,为钢筋混凝土薄壁式桥,分为旧桥2座、新桥2座。旧桥桥桩长19～21m,新桥桥桩长29～30m,均为1.2m直径钢筋混凝土桩。

顶管线路位于桥涵单孔跨径中央且平行桥涵走向布置,由西侧桥孔(北京方向侧)顶管穿越。

顶管穿越的输水管道为直径DN2000的钢管,对应套管内径为DN2800,顶管长度303m,套管采用钢承口钢筋混凝土顶套管,内径2800mm,单节长3m,套管顶距地面最低处(鱼塘底)约为5.1m,桥涵位置深度6.7m,套管外壁距离灌注桩中心线3.33m。

2 工程风险

结合现有工程地质及水文地质条件,通过该工程施工全过程数值模拟分析,并结合相关技术规范及管理规定,分析顶进施工对通道桥桥桩及上部结构的影响。

3 地质勘察情况

⓪-1层耕植土,黄褐色,以黏性土为主,含植物根系,层厚0.7m左右,主要分布在道路及鱼塘两侧耕地。

①层淤泥质亚黏土,黄褐色,饱和,呈可塑状,中等～高压缩性,揭露层厚1.8～2.5m。

②层细砂,灰色,饱和,松散～稍密。层间夹有10～30cm粉土层多层,粉土夹层,灰色,稍湿～湿,稍密。揭露层厚4.2～5.2m。

③层粉质黏土,灰褐色,饱和,呈可塑状,中等压缩性,最大揭露层厚5.4m。

④层细砂,灰色,饱和状,稍密,场地均有分布,最大揭露层厚8.8m。

地下水位埋深为1.4～1.5m,相应高程为0.03～0.85m。地下水类型为第四系孔隙潜水,主要接受绕阳河河水及海水的地下侧向补给,向西北侧地下径流为主要排泄方式。地下水位变幅在1.0m左右,主要含水层为粉砂夹粉土。力学参数见表1。

表1 岩土层力学参数表

4 模拟及分析

(1)计算模型

文章采用三维数值模拟软件Midas GTS NX软件建立地层结构模型,对顶管隧道下穿京哈高速公路天桥施工过程进行模拟,建立1∶1有限元模型,模型尺寸为100m×60m×50m。模型中各地层及结构材料参数按地勘提供资料选取。

(2)计算假定

(a)采用弹塑性计算模型;

(b)假定结构及土体之间符合变形协调原则;

(c)采用均一地层,岩土体的变形是各向同性的;

(d)初始地应力的计算只考虑初始自重应力,不考虑构造应力;

(e)施工遵循设计工序,处于正常良好控制的条件下;

(f)不考虑地下水渗流影响;

(g)不考虑顶进施工过程中摩擦引起的土体损失。

(3)模拟说明

模型尺寸为100m×60m×50m,包含顶管隧道、高速公路桥、高速公路路基。各岩土层均采用弹塑性模型,三维实体单元,屈服准则采用Mohr-Coulomb准则;结构采用弹性模型,供水管钢管采用板单元模拟,桥桩采用梁单元模拟,桩与土体间附摩擦单元。结构单元节点与土体网格节点耦合。模型侧面边界水平位移受到约束,底面边界竖向位移受到约束。模型共计90832个单元。计算模型及透视图见图2、图3。

图2 计算模型

图3 透视图

路面荷载以20kPa的均布荷载施加于路面。

(4)施工步序

按实际经验和工筹考虑,施工计算模拟步序如表2所示。

表2 施工步序详表

5 计算结果分析

为便于呈现计算结果,将各桩编号进行布置,如图4。

图4 桩编号布置图

(1)桩的位移

新桥桥桩最大水平位移分别发生在A11桩和B2桩桩身,旧桥桥桩最大水平位移分别发生在A6桩和B5桩桩身。桩的水平位移云图及最大水平位移曲线图见图5、图6。从图5、图6曲线变化趋势可以看出,随着供水管顶管施工,桥桩水平位移逐渐增大,顶管施工完成后内部回填水泥并铺设钢管时,水平位移小幅度减小。A11桩最大水平位移-0.05mm,累计水平位移-0.04mm,桩基垂直度1.72×10-4%(桩长29m);B2桩最大水平位移0.04mm,累计水平位移0.03mm,桩基垂直度1.29×10-4%(桩长31m);A6桩最大水平位移-0.05mm,累计水平位移-0.04mm,桩基垂直度2.5×10-4%(桩长20m);B5桩最大水平位移0.04mm,累计水平位移0.03mm,桩基垂直度1.8×10-4%(桩长22m)。受顶管施工影响产生的桩身垂直度变化均未超过1%的规范控制值。

图5 桩的水平位移云图

(2)桩的竖向沉降

最大竖向位移发生在A11桩,从图7、图8曲线变化趋势可以看出,随着供水管顶管施工,桥桩因产生负摩阻力,位移逐渐减小,顶管施工完成后内部回填水泥并铺设钢管时,竖向位移增大。最大竖向位移-0.49mm,累计竖向位移-0.49mm,顶管施工引起的沉降量远小于10cm的规范控制值。

图7 桩的竖向位移云图

(3)桩的差异沉降

如表3所示,因顶管施工位于A轴与B轴之间,A、B轴之间最大差异沉降发生在5号桩、6号桩所在区域,差异沉降量为0.13mm,倾斜率为0.013%;B轴、C轴之间最大差异沉降发生在13号桩、14号桩所在区域,差异沉降量为0.08mm,倾斜率为0.008%。顶管施工引起的差异沉降量远小于5cm的规范控制值,倾斜率远小于0.2%的规范控制值。