管線頂管法下穿公路橋梁安全評價與分析

于永正

(遼寧省公路勘測設計公司 沈陽市 110006)

根據《公路安全保護條例》第二十七條和二十八條的相關規定，對涉路工程項目需要進行“質量和安全技術評價”工作。以某雨水管線頂管法施工下穿公路橋梁為例，進行相應的技術評價與分析。

1 項目概況

濱海新區雨水管線東起河北路，西至津塘路泵站，雨水管主管內徑為1.4m，總長3698m，其中K1+500處需要下穿津塘公路津車橋，與橋梁的交叉角度為84°。為保證橋梁結構安全，采用頂管法施工，并在雨水管線外設置直徑2.4m的保護套管，管材采用頂進施工法用III級鋼筋混凝土管道，鋼承口，橡膠圈連接，雨水管道采用玻璃鋼夾砂管，套筒式雙插口形式柔性接頭連接，環剛度大于等于12；鋼筋混凝土套管與玻璃鋼夾砂管的空隙采用吹砂填實。頂管始發井位于津塘公路南側，基坑尺寸為6.6m×9.8m，基坑深度約12.93m，接收井位于津塘公路北側，基坑尺寸為7.0m×7.3m，基坑深度約13.61m。鋼筋混凝土套管距離橋梁樁基礎位置的最小凈距為5.6m，套管頂面覆土厚度為8.6m。項目穿越位置立面圖如圖1所示。

圖1 穿越位置立面圖

2 地質、水文概況

2.1 工程地質

本項目地處華北平原，根據巖土工程勘察報告提供的勘察資料，工程場地位于天津濱海新區塘沽，屬海積低平原亞區(Ⅱ5)，主要涉及素填土①2、黏土③1、粉土③2、粉質粘土⑥1、淤泥質粉質黏土⑥、淤泥質黏土⑥2、粉土⑥3、粉質粘土⑥11、黏土⑥21、粉質粘土⑥22、淤泥質粉質黏土⑥26。盾構穿越土層以流塑⑥2淤泥質粘土為主，局部穿越軟塑～流塑狀⑥22粉質粘土，稍密狀⑥23粉土，流塑狀⑥25淤泥及流塑狀⑥26淤泥質粉質粘土。頂管施工主要穿越⑥2淤泥質粘土。

2.2 水文地質條件

本項目所在區域地下水類型為第四系孔隙型潛水，主要補給來源為大氣降水，以蒸發方式和向附近河流和低洼處排泄為主。勘探期間實測穩定水位埋深為2.40～5.10m(相對大沽標高為0.52～0.81m)，據區域資料及勘察經驗，潛水位年變幅為0.50～1.00m。該場地抗浮設計水位可按大沽標高2.00m考慮，地標準凍結深度為0.60m。

3 施工期間橋梁結構安全評價與分析

3.1 分析方法

目前，國內外關于施工和運營引起地層變形的預測分析方法有很多種，主要有經驗法、解析法、有限元法等。為保證分析結構的合理性和可靠性，更好地反應樁基受上部結構荷載作用后引起周圍土體變形，進而引起地基變形這一過程，橋梁結構安全分析主要采用MIDAS/GTS NX軟件進行模擬計算。采用有限元法分析上頂管穿越施工對既有橋梁的影響。

3.2 計算參數

依據地質資料所提供土層類型進行模擬計算，津車橋橋墩、鉆孔灌注樁、管道均視為彈性材料，具體參數取值如表1、表2所示。

表1 靜止側壓力系數、泊松比與地基土的水平抗力系數的比例系數

表2 模型中結構的物理力學參數表

3.3 有限元模型建立

采用Midas GTS建立三維模型，為便于描述，首先給出計算模型中擬采用的坐標系：沿津車橋東側為X軸正方向，反之為負；沿垂直津車橋北側方向為Y軸正方向，反之為負；沿豎直方向向上為Z軸正方向，反之為負。為消除計算邊界效應的影響，考慮施工過程中的空間效應，計算模型取其有效影響范圍，即模型沿X方向取85m，沿Y方向取60m，土層總深度60m。

模型建模思路為首先建立各土層，以此作為初始階段；然后建立公路運營、開挖基坑、套管修建、管道運營等，并根據施工階段激活或鈍化相應單元及荷載，計算開挖基坑、管道修建、管道運營對既有津車橋橋墩的影響，分析模型如圖2所示。

圖2 整體模型

(1)三維實體單元

土體、橋墩、承臺、管道結構選用三維實體單元，可分四節點、六節點和八節點構成，本模型選用混合網格單元，因為它的位移和應力結果與實際情況比較接近。實體單元僅有三個平移自由度，沒有旋轉自由度。

(2)樁單元

樁單元選用的單元類型是MIDAS-GTS中的梁單元，在三維實體模型中建立梁單元時，要考慮節點的共享。樁單元使用了嵌入式梁單元的方式，該單元由兩個節點構成，屬于“棱柱狀三維梁單元”。梁單元的每個節點具有六個自由度，每個單元具有三個平移自由度和三個旋轉自由度。

(3)樁土界面單元樁土接觸單元采用MIDAS-GTS中提供的用于連接不同材料或剛度相差較大的材料的無厚度樁界面單元。

(4)邊界條件

土體模型邊界選用地面支承邊界，即在左右邊界約束x方向的自由度，在前后邊界約束y方向的自由度，在底面邊界約束z方向的自由度，地面不約束自由度。

(5)荷載形式自重：程序根據建立的單元材料容重，自動計算其體積后計算其自重，最后分配給各單元節點用于分析。管道運營荷載考慮管道內布置雨水管線。模擬管道施工過程分析為施工階段分析，一般來說巖土材料都是非線性材料，材料的非線性特性可從巖土的初始條件獲得。所謂初始條件是指施工前的現場條件，也叫原場地條件，其中原場地應力最具代表性，獲得原場地的應力條件后在原場地條件下按施工順序進行全施工階段分析。現場的實際施工階段非常復雜也經常發生變化，施工階段分析一般是將其簡化取比較重要的施工階段進行分析。

3.4 施工過程分析

利用MIDAS/GTS軟件在進行施工過程模擬分析時，大多是分步進行的，將每個施工步模擬結果包括荷載和體系位移等不斷累加到下一個施工階段，最終體現在最后施工階段條件施加后產生的影響作用。施工步是指一個相對完整的施工階段，每一次頂進開挖視作一個施工步。結合頂管施工過程，模擬頂管施工單次循環頂進2m。具體施工階段劃分：現狀公路施工前初始應力場→公路運營→位移清零→分節頂進套管→管道運營。

3.5 位移計算與分析

套管的修建及運營會對津車橋的結構安全產生一定影響，選取部分施工階段的位移云圖進行分析，由圖可以看出，每一節管道施工引起的土體豎向位移變化規律具有一致性，管道下方土體產生向上位移即隆起，管道上方土體產生向下位移即沉降。土體最大隆起發生在管道正下方拱底處，最大沉降值發生在管道正上方拱頂處。

(1)頂管施工期間總體位移分布情況如圖3所示。

圖3 模型的總位移云圖(單位：mm)

(2)頂管施工期間橋梁位移分布情況如圖4所示。

圖4 橋梁的總位移云圖(單位：mm)

(3)頂管施工期間樁基位移分布情況如圖5所示。

圖5 樁基的總位移(單位：mm)

(4)頂管施工期間橋梁樁基軸力變化情況如圖6、圖7、表3所示。

圖6 橋梁樁基正常運行期間樁軸力云圖(單位：mm)

圖7 頂管施工完成樁軸力云圖(單位：mm)

表3 最不利位置橋梁樁基軸力變化

4 結論與建議

本工程雨水管線下穿津塘公路津車橋，采用泥水平衡頂管法施工，管線與公路橋梁的交叉位置、角度、埋深等各項指標均滿足國家相關技術標準和規范的要求。根據Midas GTS三維模型分析結果，橋梁樁基的豎向最大總位移為0.81mm，樁基礎的不均勻沉降位移值為0.5mm，軸力變化最大值為2.66kN,頂管穿越施工對橋梁結構的整體穩定性影響較小，對上部橋面的影響基本可以忽略不計，穿越施工期間橋梁結構安全滿足相關規定的要求，管線穿越施工對公路、橋梁及其附屬設施質量和行車安全的影響較小，方案選擇較為合理。

通過計算預測分析，施工期間對橋梁結構存在一定的影響，為了保證橋梁結構的穩定性，應對管線穿越影響范圍內的地面沉降、橋梁位移、樁基軸力變化等均應進行動態監測工作，如變化值達到預警值，應立即停止施工，并分析原因，采取有效的補救措施及時處理。通過采取補救措施，可以預防和減少施工對公路、公路附屬設施質量和安全的影響。