頂管隧道施工對橋梁樁基的影響

高駿 孟小偉 劉鴻 余云翔 楊浩

【摘要】文章以昆明4號線菊華站地鐵車站過街通道矩形頂管近接高架橋施工為背景，通過數值模擬的方法，分析在采用樁側土體注漿預加固及超灌觸變泥漿兩種措施下頂管隧道施工全過程中鄰近橋梁樁基的安全性。結果表明：（1）頂管頂進施工對橋梁樁基的受力影響不大;（2）頂進完成后，橋梁樁基將產生指向頂管隧道的橫向變形，較近側樁基產生沿頂進方向的變形，且橫向變形大于縱向變形，離頂管越近的樁基變形值也越大;（3）采用樁側土體預加固結合超灌觸變泥漿的方式能有效將樁基在頂管施工的全過程中的受力及變形控制在安全限值之內。

【關鍵詞】頂管隧道; 近接橋梁; 變形控制; 注漿預加固; 超灌觸變泥漿

【中國分類號】U455.47【文獻標志碼】A

頂管隧道施工作為一種非開挖的淺埋隧道施工方法，其基本原理是通過在工作井內安裝支座及掘進機，通過主頂油缸及中繼間等產生的推力，將頂管管節和掘進機從工作井一直推至接收井內完成施工。頂管法隧道施工技術最早于1896年被美國應用在北太平洋鐵路鋪設工程的施工中[1]，我國自1953年引入頂管法后，在之后的幾十年間大量應用到了實際工程當中，進而逐步形成了較為先進且具有自主知識產權的頂管隧道設計、制造與施工一體化技術[2]。

由于頂管隧道具有施工對環境影響小，施工期間無須進行道路封閉等優點，在周邊環境較為復雜的某些淺埋通道施工中，特別是在緊鄰周邊建筑物施工或下穿既有線路的通道施工中，常常選擇頂管法隧道施工。然而，頂管隧道的施工難免會影響這些鄰近建構筑物的正常使用，甚至會危及他們的結構安全。為此大批學者對頂管隧道施工的環境影響開展了研究。施成華等[3]首先將頂管施工隧道周邊巖土體看作一種隨機介質，將隧道開挖所引起的土體移動看作一隨機過程，應用隨機介質理論，對頂管施工隧道開挖引起的擾動區土體的移動與變形進行分析，得到了相應的擾動區土體下沉（隆起）、傾斜、水平移動、水平變形及彎曲曲率計算公式。吳勇等[4]通過建立數值模型，對注漿壓力和機頭作用的模擬方法進行了討論和改進，分析了頂管施工對周邊環境的影響，其結果表明了矩形頂管施工引起的地表沉降槽同樣符合Peck公式，土體損失在地層位移的形成中起主導作用。劉航軍等[5]采用有限差分法并考慮流固耦合的作用，分析研究了頂管頂進施工對周邊地表變形、土體內部位移、孔隙水壓力及土體主應力的影響規律，得出頂管頂進過程中沿頂管縱向地表位移在機頭前方約1D（D為頂管直徑）處隆起值最大，橫向地表受頂管施工擾動影響較大的區域為其軸線兩側3D范圍內。劉波等[6]以南京某頂管法施工的地下步行通道近距離穿越既有地鐵區間隧道及城市主干道為依托，通過數值分析及現場監測，發現下覆既有隧道的豎向位移在施工過程中表現為初始下沉、隆起增強和隆起穩定3個階段，在施工完成后由于通道內出土卸荷導致最終隧道豎向位移表現為隆起，并表明采用微欠挖工藝可有效控制下覆隧道的最終隆起。郭曙光[7]以雨水干線穿越既有橋梁頂管工程實例，采用空間有限元程序MIDAS/GTSNX建立的三維模型模擬頂管法施工過程，計算橋梁樁基礎附近土體沉降數值，對既有橋梁的安全性進行了評估。

綜上所述，可以看出針對頂管隧道施工的環境影響，前人已做了一定研究，也得到了一些規律性的成果。然而，頂管隧道近接穿越對既有建構筑物的影響與地質條件、既有建構筑物條件、頂管隧道開挖斷面大小與形狀、頂管隧道施工方案及既有建構筑物保護方案等因素密切相關，需針對具體問題做具體分析。昆明軌道交通4號線菊華站地鐵車站部分過街通道采用矩形頂管進行施工，且施工在近接高架橋樁基的情況下進行，具有較大的施工風險。在此背景下，本文以該地鐵車站過街通道近接橋梁樁基施工為依托，研究在特殊保護方案下進行頂管施工對既有橋基的影響，評估頂管施工全過程中橋基的安全性，以為實際工程提供理論指導。

1 工程概況

昆明市軌道交通4號線菊華站為地下二層2×7 m側式單停車線并與6號、8號線菊華站通道換乘的車站。該站共設置3個出入口，其中的B號出入口及A2號出入口采用頂管法施工，頂管外部輪廓為4.9 m×6.9 m（長×高），每節管節長1.5 m，頂管段總長46 m。兩矩形頂管隧道均近接既有高架橋橋樁施工，橋梁樁基為鉆孔灌注樁，承臺混凝土型號為C30（抗拉強度設計值為1.43 MPa）。本文僅研究A2號出入口施工對既有橋梁樁基的影響問題，B號出入口對既有橋梁樁基的影響已另文分析[8]。A2號出入口頂管隧道與橋梁樁基最近距離僅3.8 m，與橋樁相對位置關系如圖1所示。

由于頂管小凈距近接橋梁施工以及頂管所處地層較為軟弱，施工過程中既有橋梁結構將受到相應的擾動，由此帶來的施工風險較大。為保證施工過程中既有橋梁的安全，嚴格控制施工過程中橋樁的變形量，結合當地相關規范確定橋樁橫、縱向變形量控制值均為6 mm。為保證頂管施工過程中橋梁的安全性，本出入口施工擬采用頂管隧道與橋梁樁基間土體注漿預加固結合超灌觸變泥漿頂進的保護方案，其中土體的具體加固范圍如圖2所示。顯然，為了確保施工的順利進行及施工過程中橋梁的安全性，有必要對A2口頂管施工全過程對橋梁樁基的影響進行研究。

2 數值模擬

采用有限差分軟件FLAC3D，對菊花站出入口通道A2口建立數值模型，分析在土體注漿預加固結合超灌觸變泥漿的保護方案下，菊華站地鐵車站A2口過街通道矩形頂管施工全過程對鄰近高架橋樁基受力以及變形的影響。建立的頂管隧道模型尺寸為橫向70 m（x方向）×縱向46 m（y方向）×垂向44 m（z方向），模型的四周和底部邊界條件為法向約束，地表為自由邊界。數值模型中的土層、橋梁樁基、承臺以及橋墩均采用實體單元進行模擬，且土層及橋梁結構分別采用摩爾-庫倫彈塑性本構和線彈性本構描述其力學行為特征。為了簡化計算，本模型不考慮橋面結構，而是通過將橋面荷載施加于橋墩上的方式模擬橋面結構對下部結構的影響。此外，樁側土注漿預加固采用提高相應區域內土體的力學性能進行模擬。據此所建立的具體模型見圖3，模型材料參數見表1。

頂管隧道的施工過程采用文獻[8][9]的方法進行模擬，其中，頂管施工引起的地層損失通過在地層開挖輪廓線上沿輪廓法線并指向開挖土體的方向施加強制位移的方式來實現模擬，具體針對本地下通道注漿加固情況及頂管機超挖情況，地層損失參考文獻[8]取為20 mm，并在頂管機前端到達時刻和第一節管節前端到達時刻分兩次等量輸入;超灌觸變泥漿的效果主要是減小頂管頂進過程中的管土摩阻力，在數值模擬中，通過在頂管頂進時刻施加比正常減摩措施更小量值的摩擦力進行模擬，超灌觸變泥漿情況下的管土摩擦力取為4.9 kPa[8]。

3 計算結果分析

圖4為A2口矩形頂管過街通道在樁側土體注漿預加固結合超灌觸變泥漿兩種控制措施下，采用上述數值方法模擬施工過程中不同施工步下的鄰近樁基的橫縱向變形云圖。

從圖4中不同施工步下的樁基變形云圖可以看出，在剛開始施工時，即頂管機前端未通過橋梁樁基時，樁基產生背離頂管的橫向變形，隨著頂管的頂進，橫向變形的方向逐漸趨于指向頂管的方向，在頂管頂進完成后，頂管隧道兩側的樁基都產生了指向隧道中軸線的橫向變形。產生上述現象的主要原因為剛開始頂進時樁基的變形主要由頂管頂進時對土體的擠壓導致，樁基由此產生背離頂管的變形，而在頂管通過樁基的過程中，導致樁基變形的地層損失逐漸趨于主導地位，樁基變形遂逐漸趨于指向頂管的方向。由于右側的樁基離頂管更近，右側樁基的橫向位移也明顯大于左側樁基。最大橫向變形產生于與隧道中軸線同一高度處且離隧道最近的樁基點上，并沿著樁基長度方向沿上下遞減。樁基的縱向變形規律與橫向變形類似，其中距頂管較近側（右）產生與頂進方向一致的變形，距頂管較遠側（左）產生的變形量值相對較小。

從圖4中還可以看出，頂管頂進的過程中橫向變形值大于縱向變形值，且隨著頂管頂進的過程，橫縱向變形值均在增大;頂管頂進的整個過程產生的變形最大量值為頂進完成后的橫向變形值，可達3.85 mm，最大縱向變形值為2.61 mm，均小于6 mm的控制值。由此可知在頂管頂進的整個過程中，無論是橫向變形還是縱向變形，其變形值均在控制值之內。

圖5為A2口矩形頂管過街通道在樁側土體注漿預加固結合超灌觸變泥漿兩種控制措施下頂進完成時鄰近樁基的最大及最小主應力云圖。從圖5中可以看出，樁基最大主應力的最大量值為0.137 MPa，出現在橋梁承臺與橋墩樁基連接處附近，低于C30水泥抗拉強度設計值1.43 MPa，處于較低水平;樁基最小主應力的最小值約為1.07 MPa，出現在樁基底部。實際上，在頂管的其他典型施工步下，橋梁樁基的最大及最小主應力分布及量值與圖5類似，由此可見，在土體注漿預加固及超灌觸變泥漿頂進的保護方案下，頂管頂進施工對樁基受力的影響不大。

4 結論

本文以昆明市軌道交通4號線菊華站地鐵車站A2口過街通道矩形頂管近接高架橋施工為背景，研究在同時采用樁側土體注漿預加固及超灌觸變泥漿頂進兩種保護方案下，頂管隧道施工對鄰近橋梁樁基受力與變形的影響，并評估了橋梁樁基的安全性。通過研究，主要得到了以下結論：

（1）在頂管隧道開挖完成后，橋梁樁基將產生指向頂管隧道的橫向變形，較近側樁基將產生與頂進方向一致縱向變形，且離頂管越近的樁基變形值越大。

（2）頂管頂進的過程中橫向變形值大于縱向變形值，樁基變形最大量值為頂進完成后的橫向變形值，達3.85 mm，但仍低于控制值6 mm。

（3）在土體注漿預加固及超灌觸變泥漿頂進的保護方案下，頂管頂進施工對樁基受力的影響不大。

（4）采用樁側土體注漿預加固及超灌觸變泥漿頂進的保護方案，完全可以保障頂管施工全過程中鄰近橋梁的安全。

參考文獻

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[9] 黃宏偉，胡昕.頂管施工力學效應的數值模擬分析[J].巖石力學與工程學報，2003（3）：400-406.