臨近城市橋梁曲線頂管施工影響分析

張少華

（鎮江市城市干道工程建設辦公室，江蘇鎮江 212000）

0 引言

隨著海綿城市建設的全力推進，城市內地下管道的建設日益增加。頂管施工由于挖土少常被廣泛應用于地下管道施工。頂管施工往往會對周邊建筑、市政基礎設施的產生影響[1-2]。因此，在頂管施工過程中需要重點關注其對變形影響，尤其是城市內重要基礎設施。針對頂管施工的影響分析，已有大量學者進行了相關研究。如李永運等人采用MIDAS GTS軟件對淺覆蓋土層下矩形頂管施工進行研究，分析了頂管施工對鄰近橋梁基樁的水平變形影響[3]。王樂天等人借助ABAQUS有限元軟件，研究了大直徑深埋頂管施工對地表位移的影響，結果表明，頂管施工對地表的沉降在4倍管徑范圍內影響較大[4]。

雖然目前關于頂管施工對周邊環境變形影響分析已有較多研究，但是頂管施工對鄰近橋梁的影響分析較少。因此，本文以鎮江市某鄰近橋梁的頂管施工工程為背景，進行三維有限元模擬，研究頂管施工對橋梁的變形影響，為頂管施工提供指導。

1 概況

1.1 工程概況

鎮江市某新建雨水管道工程，位于市區主干道之下，擬敷設D2000雨水管收集地塊及路面雨水，分段就近接入新建的D2000雨水管內，由西向東排入古運河，新建的D2000雨水管采用頂管施工。根據施工圖可知，臨近橋梁Y8→Y10頂管段采用曲線頂管，頂管管道長約150m。

1.2 工作井與接收井概況

Y8圓形工作井內徑為7.0m，壁厚700mm，采用沉井施工工藝，井高8.8m，井壁頂標高為8.0m；Y10圓形井為接收井，內徑為6.5m，壁厚為700mm，采用逆作法施工，井高為8.3m，井壁標高為7.9m。結合地質情況，Y8沉井施工井計劃采用兩次澆筑，兩次下沉施工工藝，采用澆筑C20混凝土封底。逆作法施工井位單節澆筑高度為1.0m。

1.3 頂管概況

Y8→Y10段管道采用DN2000鋼筋混凝土管，混凝土強度等級C50，抗滲等級S8，內徑2000mm，外徑2400mm，管底高程約為0.2m，頂管長度150m。管道敷設采用泥水平衡曲線頂管方式，其中為減小地下水對開挖面的影響，工作井周邊采用雙排雙重管高壓旋噴樁落底式止水帷幕。

1.4 橋梁概況

橋梁橫跨古運河，為簡支梁橋，橋總長36.06m，橋梁兩側有6m長的橋頭搭板，橋寬為23.5m。橋梁上部結構為28m后張法混凝土空心板；下部結構橋臺采用組合橋臺，鉆孔灌注樁基礎，樁長分別為32m和30m，樁徑1.3m。

2 工程地質水文情況

2.1 巖土工程地質特征

根據勘察報告可知，勘察深度范圍內地基巖土層按時代、成因等自上而下共劃分為三大個工程地質層，其中①層又細分為兩個亞層，具體分層情況如下。

①1雜填土（Q4ml）：灰色，主要為原瀝青路面結構及道磚鋪設層，勘察時路面平整度差，堆填時間大于10年，層厚0.40~0.50m。

①2素填土（Q4ml）：灰黃色，局部色雜，很濕-飽和，稍密，主要成分為軟塑狀態粉質粘土夾少量碎石、碎磚、植根等，堆填時間大于10年。層厚1.10~4.30m。

②粉土夾粉砂（Q4al）：灰黃色，飽和，稍密狀態為主，局部中密，具層理，局部為粉土、粉砂互層狀，搖震反應迅速。層厚1.10~4.30m。

③粉質黏土（Q3al）：灰黃、灰色，飽和，軟可塑，夾少量粉土，干強度中等，韌性中，略有光澤。

④粉質粘土夾碎石：黃褐色-褐黃色，飽和，可塑~硬塑，夾鐵錳銹斑，局部夾碎石，干強度中等，韌性中等，有光澤，無搖震反應，中等壓縮性。

2.2 地下水

據鉆探揭露，場地地下水類型主要為孔隙潛水。孔隙潛水主要賦存于①2、②層土中。

①2層人工填土密實度尚不均勻，局部孔隙大，有利于地下水的儲存和滲透。②層透水性較弱，給水性較差。

地下水主要受大氣降水和古運河補給，排泄形式主要為蒸發。勘察期間初見水位位于地面下1.00~1.15m，24h后測得穩定水位位于地面下0.95~1.25m。孔隙潛水地下水年變幅1.00m左右。頂管施工場地內無地表水通過，頂管施工場地外側存在一條古運河，運河寬約22m。

3 橋梁的安全評估范圍與變形標準

3.1 安全評估范圍

由《城市橋梁養護技術標準》（CJJ 99—2017）[5]可知，對于修建地下結構、頂管推進、埋設管線、頂管施工等作業的城市橋梁安全保護區域，可劃分為橋梁水平投影周邊各60m范圍。因此，需要對橋梁60m范圍內的頂管施工進行安全影響評估。

3.2 變形控制標準

橋梁結構抗變形能力受多方面因素的影響，主要因素有地基工程地質、荷載形式和結構形式等。在制定頂管和基坑開挖對既有橋梁變形防控的統一標準，其難度大而且復雜。根據《城市橋梁養護技術標準》（CJJ 99—2017）、《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG 3363—2019）[6]、《公 路 橋 涵 養 護 規 范》（JTG 5120—2021）[7]和《公路橋梁狀況技術評定標準》（JTG-T-H 21—2011）[8]，結合實際工程中不同的橋梁確定變形防控標準。

（1）橋梁墩身沉降控制值為12mm，相鄰墩臺均勻沉降差值為6mm。

（2）橋梁基礎的位移最大速率控制值為1mm/d。

（3）橋臺的水平位移的控制值為3mm。

4 數值模擬

4.1 有限元模型建立

在整體仿真模型中，地層模型所占比重較大。土體模型建模過程中，需要首先考慮模型的形狀和尺寸。在整個仿真模型建立初期，主要是建立實體單元組成的土體模型（初始地層模型）。為方便定義邊界條件，模型將選擇為長方體；而模型的長、寬、高將根據橋梁和安全保護范圍和施工影響范圍確定。第二個重點是土體分層和土體網格劃分，土體分層是根據工程地質條件而來，而土體的網格劃分將直接決定整體模型的單元數量，最終影響軟件的運算速度。第三是模型中土體開挖處要注意與沉井底部和頂管節點“耦合”在一起。

4.2 模擬尺寸選擇及邊界條件

頂管的管道、地基土、工作井和橋梁，根據《城市橋梁養護技術標準》（CJJ 99—2017）的要求，選取三維模型的計算范圍為312m（長）×126m（寬）×45m（高）。為研究各構件的荷載和變形效應，以便指導后期的頂管施工，經綜合考慮，各構件模擬情況如下。

土體采用三維塊體單元模擬，頂管管道、沉井以及橋梁承臺采用板單元模擬，橋梁樁基采用植入式梁單元模擬。其中Y8→Y10頂管計算模型按照實際施工工況，按照每節管道2.0m進行單元劃分。橋臺計算模型按照橋梁結構圖進行建立，樁基采用1D植入式梁單元，承臺采用2D板單元。根據上述分析，建立三維模型如圖1所示，模型單元總數331697個。

圖1 數值模擬整體模型

4.3 模擬參數的選擇

模擬的地基為水平地基，模擬過程中不考慮地基土層的空間變化。土體采用實體單元模擬，Y10接收井采用板單元模擬，攪拌樁采用實體改變屬性模擬，樁基采用植入式梁單元模擬，橋承臺采用板單元模擬。由地勘報告可知，模擬區域共有6層土，地基土以及結構材料的物理力學性質如表1所示。

表1 材料力學參數

4.4 計算工況

Y8→Y10頂管主要穿越②粉土夾粉砂和③粉質黏土，②層具有透水性，頂進施工采用泥水平衡頂管機。首先，進行初始地應力平衡，接著進行工作井、接收·井和橋梁施工工況，然后開始進行頂管施工，通過激活頂管管片，頂管施工荷載以及鈍化頂管開挖土層模擬頂管施工工況，頂管共施工66節管片，即頂管施工模擬共66個工況。綜上計算工況共68工，其中前2個工況進行位移清零。

5 結果分析

由于城市橋梁安全保護范圍為60m，本節只對保護范圍內的頂管施工的結果進行分析，即臨近橋梁的頂管施工結果，為頂管施工工況45~68。模型在初始地應力平衡階段有土體和結構（如橋臺、橋樁等），為了模擬橋結構施工若干年后土體變形基本穩定，將該階段的位移清零。

5.1 沉降分析

圖2為橋梁安全保護范圍60m內不同頂管施工工況下橋梁產生的沉降。通過觀察圖2可知，隨著頂管施工逐漸臨近橋梁，橋梁的沉降逐漸增大。整個頂管施工結束后，橋梁的最大沉降為0.2mm，位于臨近頂管施工一側搭板處。通過與橋梁的沉降控制值對比發現，由頂管對橋梁產生的豎向位移遠遠小于豎向位移控制值12mm，說明頂管施工對橋梁的豎向位移影響較小。

圖2不同頂管施工工況下橋梁搭板處的沉降

5.2 水平位移分析

圖3 為橋梁安全保護范圍60m內不同頂管施工工況下橋梁產生的水平位移。由圖3可知，隨著頂管施工逐漸完成，橋梁的水平位移逐漸增大。整個頂管施工結束后，橋梁的最大水平位移約為0.28mm，位于臨近頂管施工一側樁基處。通過與橋梁的水平位移控制值對比發現，由頂管對橋梁產生的水平位移小于水平位移控制值3mm，說明頂管施工對橋梁的水平位移影響較小。

圖3 不同頂管施工工況下橋梁樁基礎處的沉降

6 結論與建議

通過三維有限元數值模擬，分析了頂管頂進施工對橋梁的變形影響，得到下結論，根據結論提出了合理的建議。

（1）Y8→Y10段頂管施工引起橋梁的最大橫向位移0.28mm，位于臨近頂管施工一側橋樁處；頂管施工引起橋梁的最大沉降為0.2mm，位于橋頭搭板位置處，認為頂管施工對新橋梁的變形影響較小。

（2）施工過程中，應注意觀察地下水壓力、泥水的濃度、泥水倉水壓力的變化，挖掘面是否穩定，并及時采取相應的措施和對策；當頂管頂進施工到新西門橋的安全保護范圍內時應控制頂管頂進速度；頂管結束后，及時對管體四周的縫隙充填水泥漿，使其密實堅固。

（3）為了進一步確保臨近橋梁結構安全，需要對橋梁結構加強監測。