橋跨下管道開挖對橋梁基礎影響分析

王甫友

【摘 ? ?要】：為了研究雨水管道開挖對鄰近既有橋梁基礎的影響，以實際工程為例，采用Midas有限元分析軟件，研究管道溝槽開挖土層的壓縮模量等因素對鄰近橋梁基礎位移的影響，分析結果表明：管道開挖過程對基礎沉降影響主要集中在距管道開挖邊緣兩側1.5D（D為管道直徑）范圍，距溝槽越遠，沉降越小并趨于零；管道開挖范圍地基土壓縮模量影響樁基水平位移，壓縮模量越大，水平位移越小。

【關鍵詞】：管道；開挖；橋梁；基礎；壓縮模量；位移

【中圖分類號】：TU753【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）02-38-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.02.009

Effect Analysis of Pipeline Excavation under Bridge Span

WANG Fuyou

（Tianjin Transportation Science Research Institute， Tianjin 300300， China）

【Abstract】：In order to study the effect of rainwater pipeline excavation of bridge foundation， herein， the paper takes the pipeline excavation project as an example， uses Midas finite element analysis method ?to study the influence of soil compression modulus and other factors of pipeline excavation on the displacement of adjacent bridge foundation. The analysis results show that the influence of pipeline excavation on foundation settlement mainly concentrated in the range 1.5D （D is the diameter of the pipeline） from both sides of the excavation edge of the pipeline， the further away from the trench， settlement decreases and tends to zero. The horizontal displacement of pile fundation is affected by the compression modulus of foundation soil within the excavation range，the larger the compression modulus is， the smaller the horizontal displacement is.

【Key words】：pipeline; excavation; bridge; foundation; compression modulus; displacement

近年來，隨著交通基礎設施的發展，地下管線工程也進入快速發展階段。管道溝槽開挖是管道埋設工程的重要環節，開挖過程是否合理直接影響管道工程的質量。現有大量研究表明，管道溝槽開挖會對附近既有建筑地基與基礎變形產生一定影響；尤其對大型建筑物地基及基礎的變形不可忽略[1～3]，甚至導致嚴重的安全問題[4]。

關于開挖引起的鄰近既有建筑地基與基礎變形問題突出，國內外學者已做出許多研究并取得重要研究結果。鄒國鎖等[5]通過數值模擬的方法研究發現地鐵盾構隧道過程會引起附近地面明顯沉降；戴文亭等[6]采用Miads/GTS和FLAC等有限元軟件分析了地鐵換乘站開挖施工對附近建筑物基礎沉降的影響；張達棟[7]進一步對地基沉降機制做了分析，指出地鐵盾構過程中土艙壓力與等代層模量是影響地表沉降的兩個主要因素；趙延林等[8]通過ABAQUS有限元分析了基坑開挖對臨近獨立基礎變形的影響，研究結果表明基坑開挖對基礎沉降的影響程度大于對側向變形的影響程度。但針對管線埋設過程對既有橋梁影響的分析相對較少，本文實際工程為例，采用Midas/GTS有限元軟件，研究管道開挖過程對鄰近橋梁樁基位移的影響。

1 工程概況

天津市濱海新區開挖管道Y-3～Y-4和Y-30～Y-6段管線位于某橋下，橋下凈空高度3.5 m左右，不具備鋼板樁支護條件，因此采用放坡分三步等高度開挖，槽底寬D+1 200 mm（D為管徑），邊坡1∶1。Y-3～Y-4段管徑600 mm，最大埋深3.47 m，排水管中心距最近橋梁墩柱5 m，槽口上沿距最近墩柱僅為0.63 m；Y-30～Y-6段管徑1 200 mm，最大埋深4.42 m，排水管中心距最近橋梁墩柱11.2 m，槽口上沿距最近墩柱5.58m。見圖1。

管道下穿橋梁上部結構為25 m簡支預應力混凝土空心板梁，下部結構為雙矩形和馬蹄形組合墩，墩柱底部外輪廓尺寸西幅橋為3.5 m×1.4 m、東幅橋為3.5 m×2.2 m，承臺尺寸為7.4 m×5.0 m×2.0 m，下設6根直徑1m的鉆孔灌注樁，樁長42～44 m。

基于工程勘察報告，將部分性質相近的土層合并，自上而下簡化為5層土。見表1。

2 數值模擬

2.1 模型建模

采用Midas/GTS有限元軟件建立模型。各層地基土力學指標見表2。

樁基與頂部承臺為線彈性模型，分別按C20、C25混凝土強度等級設置參數；樁基與地基土間無厚度接觸面，用于模擬樁-土間相互作用；地基土的本構模型為修正的摩爾-庫倫彈塑性模型。見表3。

假定各層土體為各向同性連續介質且呈均質層狀分布；計算時不考慮活荷載、地下水位變化的對工程的影響，僅考慮樁-土結構自重及上部結構傳遞的橋梁荷載。地基土邊界條件除頂部表面為自由面外，其余表面邊界均固定。為了消除模型邊界效應，X、Y、Z方向長度分別為120、50、60 m。見圖2。

2.2 數值分析

因開挖深度內素填土與淤泥質土的壓縮模量變化較大，分別取最小值、最大值和均值（其他土壓縮模量取均值），共9種工況分析鄰近橋梁基礎變形。見表4。

取Y-3～Y-4和Y-30～Y-6段管線鄰近樁基進行分析，見圖3。

2.2.1 地基土沉降

對不同工況下地基土位移情況進行分析，各工況位移趨勢相似，工況1的地基土豎向位移見圖4。

溝槽兩側土體的沉降明顯大于地基其他各處的沉降。溝槽兩側區域為整個地基沉降幅值優勢區，即地表沉降量從溝槽開挖處向外逐漸減少。這是由于溝槽開挖會對周圍土體擾動，形成溝內土體上抬，兩側土下沉的趨勢，隨著距溝槽距離的增大，開挖對土層附加擾動也逐漸減小，在1.5D范圍外，沉降量變化趨于零。

2.2.2 基礎沉降

L1～L6、R1～R6樁基在工況1～工況9下的最大沉降變化值見表5和表6。

L1～L6隨著淤泥質土的壓縮模量增大，最大沉降變化值增大；隨著素土的壓縮模量增大，最大沉降變化值呈現先減小后增大的趨勢。R1～R6隨著淤泥質土的壓縮模量增大，兩側樁最大沉降變化值減小，中間樁基最大沉降變化值增大；隨著素土的壓縮模量增大，最大沉降變化值減小。主要是因為L1～L6距開挖點稍遠，R1～R6距開挖點較近；開挖時，R1～R6第一層土處于地基土位移場中，以豎向位移為主的區域，受地基土豎向位移影響較大，最大沉降值呈現出隨第一層素土的壓縮模量增大而減小的趨勢；而其他區域會受到較為復雜的地基土位移影響，尤其是水平位移的影響，導致隨該區域土的壓縮模量變化也相應復雜，但最大豎向沉降變化值為1.252 mm。根據JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測評定規程》，25 m跨徑橋梁相鄰墩臺均勻總沉降差容許限值為5 cm，不考慮已經累積的沉降差，因管道開挖對基礎沉降產生的影響較小。

2.2.3 基礎水平位移分析

由于溝槽開挖卸荷導致土體位移對鄰近樁基產生較大推力，故使樁基發生水平位移。水平位移與地基土壓縮模量呈負相關，壓縮模量越大，水平位移越小，最不利工況為工況1，最大位移值為4.008 mm。見圖5。

借鑒JGJ 106—2014《建筑基樁檢測技術規范》，按強度控制時，對水平位移敏感的結構物樁頂的水平位移允許值取6 mm的0.83倍，即4.92 mm。不考慮已經累積的水平位移，基礎因管道開挖而產生的水平位移未超限值，但已達限值的81.5%。

3 結論

1）管道開挖引起的鄰近橋梁基礎沉降量較小，與土層壓縮模量的關系跟基礎距開挖邊緣的距離、土層所處位置等有關系，并不是簡單的負相關。管道開挖對兩側地基沉降影響范圍在1.5D內。

2）管道開挖導致鄰近樁基發生水平位移，水平位移與開挖范圍地基土壓縮模量負相關，壓縮模量越大，水平位移越小。

3）案例中水平位移雖未超限值，但考慮施工中的不確定因素及后期養護等因素，建議將線路改至跨中，盡可能的遠離兩側墩柱，以將管道開挖對橋梁的影響降到最低。

參考文獻：

[1]雷華陽， 張磊， 許英剛， 等. 快速地鐵列車荷載下軟土地基沉降數值模擬研究[J]. 巖土工程學報， 2019，41（S1）： 45-48.

[2]劉加柱，孫禮超，丁銀平，等. 地鐵隧道暗挖施工對既有快速公交車站基礎的影響[J]. 鐵道建筑， 2018，58（8）：79-83.

[3]代君. 濟南盾構隧道施工對臨近建筑物地基沉降的影響分析[D]. 濟南：山東建筑科技大學，2020.

[4]陳云敏，胡琦，陳仁朋. 杭州地鐵湘湖車站基坑坍塌引起的基底土深層擾動與沉降分析[J]. 土木工程學報，2014，47（7）：110-117.

[5]鄒國鎖，鄒喻，何春偉. 地鐵盾構隧道施工引起地表沉降的數值模擬[J]. 公路交通科技（應用技術版），2017，13（10）：222-225.

[6]戴文亭，王宇放，王 振，等.地鐵換乘站開挖對臨近建筑物影響的分析研究[J]. 施工技術，2017，46（S1）：684-690.

[7]張達棟. 地鐵盾構隧道施工引起地表沉降機制及數值分析[J]. 公路交通科技（應用技術版）， 2015，11（2）：181-183.

[8]趙延林，朱慶潘，高紅梅，等. 深基坑開挖對鄰近既有獨立基礎變形的影響[J]. 黑龍江科技大學學報，2015，25（3）：294-298.