頂管近距離穿越高架結構的變形影響分析

摘要 文章依托高新園片區輸水管道改擴建工程案例，通過Midas-GTS三維有限元軟件建立模型，從工作井施作、接收井施作、頂管頂進等方面依次進行了探討，分析了管道頂管施工全過程對高架結構的影響。結果表明：（1）橋面沉降變形是橋面水平變形的1.68倍，頂管頂進中對橋面變形影響以沉降為主；（2）順橋向水平位移是橫橋向水平位移的3倍，頂管頂進對橋面結構產生的水平變形在垂直方向比平行于頂進方向大；（3）頂管管徑相對較小，空間效應顯著，對相鄰墩柱有較明顯的變形影響，其余較遠橋墩受相鄰橋墩遮擋和距離的影響作用相對較小；（4）工作井、接收井、頂管頂進施工對墩頂水平位移的影響基本成線性增加，線性斜率與影響距離成正比。研究的相關結論可為類似工程建設提供經驗借鑒。

關鍵詞 頂管；高架結構；橋墩；Midas

中圖分類號 TU992 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）05-0067-03

0 引言

頂管技術是一種非開挖工藝，因其對周邊環境影響較小，施工工藝成熟，在市政管道中得到廣泛應用。隨著市政路網越來越完善，配套管網敷設也越來越密集，不可避免地會出現新建管道與既有高架交叉的情況。高架結構變形要求高，如何控制管道施工過程對相鄰高架橋面、橋墩、橋樁的影響，是研究的重中之重。

針對頂管對周邊土體產生的變形機理，不少學者從理論和數值仿真方面進行了相關探討[1-2]，但大部分研究側重點在于對既有地下隧道結構的影響研究[3-5]，而高架結構的變形分析相對較少。該文依托高新園片區輸水管道改擴建工程案例，頂管工作井（接收井）、頂進過程會引起周圍土體的擾動，造成既有橋樁的側摩阻力減小，引起樁基變形，威脅上部橋面安全。通過Midas-GTS三維有限元軟件建立模型，根據施作順序，依次對工作井、接收井、頂管頂進進行影響分析，探求管道頂管全過程施工對高架結構變形的影響規律，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

高新園片區輸水管道改擴建工程給水工程與道路高架區間平面交叉，新建DN1200給水管，給水工程長約84 m，采用頂管法實施；采用D1220×18鋼管，管內徑DN1200，鋼材強度為Q355B。管道穿越點大致位于兩橋墩中間，管道中心距相鄰橋墩承臺的最小水平距離約為12.5 m，如圖1所示，交叉段管頂覆土厚4.19 m，管底埋深約為5.4 m，穿越土層3-1層粉質黏土層。頂管工作井（φ6.8 m）、接收井（φ4.0 m）與地鐵高架結構外輪廓線的最小水平距離分別約為34.0 m、34.4 m，其開挖深度均約為6.9 m，均采用逆作法實施。

頂管工作井直徑Φ6.8 m，支護井壁厚74 cm，內襯井壁厚60 cm，井深6.9 m；頂管接收井直徑Φ4.0 m，支護井壁厚74 cm，內襯井壁厚60 cm，井深6.9 m。

根據地質勘察資料，場地從上而下依次為1層素填土、3-1粉質黏土層、3-2粉質黏土層、4-2粉土夾粉砂層、K2c-1a強風化粉砂巖、K2c-2a弱風化粉砂巖，其中頂管主要位于3-1粉質黏土層，承載力特征值fak=200 kPa，土體物理力學參數如表1所示：

2 高架結構狀態

上部結構：采用25 m簡支U梁；橋梁墩身：錐形墩帽，T形橋墩，墩身截面為圓形，截面尺寸為φ1.6 m；承臺：5.8 m×5.8 m四樁承臺，樁徑1.2 m；樁基：采用4根φ1.2 m鉆孔灌注樁，樁長30 m，持力層為K2c-2a弱風化粉砂巖。預應力混凝土蓋梁采用C50，普通鋼筋混凝土蓋梁采用C40，墩柱采用C40，承臺和鉆孔灌注樁均采用C30；承臺下墊層混凝土采用C20。

為了解高架結構的既有現狀，摸清結構病害發展，經實地查看，發現管道施工影響范圍內的高架墩柱混凝土表面無銹水污漬，無劣化剝落鋼筋外露，橋梁外觀整體較完整，無明顯缺陷，結構外觀良好。經測試，橋墩彈性波速為3 578～4 312 m/s，混凝土內部完整。墩柱最大沉降量為-5.7 mm，最大沉降速率-0.013 mm/d，平均沉降速率-0.002 mm/d。總體來說，高架結構橋梁初始狀態較好。

3 三維數值分析

3.1 模型分析

該文通過Midas-GTS三維仿真軟件進行數值模擬，其可以考慮巖土分析中最重要的材料非線性及巖土的初始應力狀態，最大化地反映實際的現場情況。在不同的荷載和邊界條件下，可進行的分析包括應力-滲流耦合分析、固結分析、施工階段分析等。同時，Midas-GTS中工作井（接收井）、頂管頂進施工通過單元消隱模擬實現，能夠真實體現實際的施工過程。管道施工引起周圍土體應力變化，繼而引起相鄰高架結構的受力變化，反映其受力特性等。該文本構模型采用修正摩爾-庫倫彈塑性，土體采用實體單元模擬，土體剛度在小應變條件下具有高度非線性、應力及應力路徑相關性，對變形控制要求高、環境敏感且復雜的重大地下結構工程中的準確預測變形有著重要作用。

為考慮頂管施工的空間效應，此次模型尺寸的長、寬、深分別為150 m×150 m×40 m。為確保頂管全工況與實際施工工況相一致，對模擬工況按實際施工情況進行拆解，按土體初始應力場分析（區間高架橋激活）和位移清零、工作井結構施工（工況1）、接收井結構施工（工況2）、管道頂管施工（工況3）步序，其中頂管按每段頂進2～4 m，共分為70～100個分析步。

支護井圈、內襯井的混凝土強度等級為C30，采用板單元模擬。頂管管道為D1220×18鋼管，材質為Q355-B，同樣采用板單元模擬，并將頂管管道剛度減少0.8，以考慮管道間連接而引起變形的不連續性。橋梁上部結構、蓋梁、墩柱及承臺均采用實體單位模擬，其中蓋梁混凝土強度等級為C50，墩柱混凝土強度等級為C40，承臺混凝土強度等級為C30。承臺下樁基采用梁單元模擬，混凝土強度等級為C30。鉆孔灌注樁、承臺、墩柱、支護井、頂管管道單元的計算參數見表2所示：

3.2 高架結構變形影響分析

3.2.1 橋面變形

根據模擬分析，頂管施工過程中高架結構橋面的沉降變形云圖顯示，橋面最大沉降、水平位移分別約為0.65 mm、0.388 mm，滿足《江蘇省城市軌道交通工程監測規程》（DGJ32/J 195—2015）[6]變形控制要求。

由圖2可知，在頂管施工過程中，橋面隨著頂管工況的推進而不斷增大，但工作井、接收井施工期間，對橋面變形影響較小，主要因為工作井和接收井距離高架結構相對較遠；隨著頂管頂進施工，橋面沉降、水平變形均迅速增加。其中，橋面沉降變形達到0.65 mm，順橋向橋面水平位移最大約為0.388 mm，橋面沉降變形是水平變形的1.68倍，說明頂管頂進對橋面變形影響以沉降為主。同時，值得注意的是，順橋向水平位移是橫橋向水平位移的3倍，說明頂管頂進對橋面結構產生的水平變形在垂直方向比平行于頂進方向大。

3.2.2 橋墩、樁變形

根據模擬分析，頂管施工過程中的橋墩、樁變形云圖顯示，橋墩、樁的最大沉降、水平位移分別約為0.698 mm、0.345 mm，滿足《江蘇省城市軌道交通工程監測規程》變形控制要求。

各工況下墩頂沉降變形位移如圖3所示。由圖3可知，工作井、接收井施工對10～13#墩頂產生的沉降值相對較小，且隨著與工作井和接收井距離的減小而增大，10～13#墩增量分別為0.024 mm、0.05 mm、0.11 mm、0.15 mm。頂管頂進中的10～13#均有明顯增量，且12#、13#墩的增量更為顯著，主要由于頂管管徑相對較小，空間效應顯著，僅對相鄰墩柱有較明顯的影響，而其余橋墩受相鄰橋墩遮擋和距離的影響作用，損失較快。

各工況下順橋向墩頂水平位移如圖4所示。由圖4可知，工作井、接收井、頂管頂進施工對墩頂水平位移影響基本成線性增加。工作井、接收井施工完成后，10～13#墩增量分別為0.074 mm、0.1 mm、0.16 mm、0.2 mm；而頂管頂進完成后，10～13#墩增量分別為0.046 mm、0.06 mm、0.161 mm、0.145 mm，線性斜率與影響距離成正比。

根據現場實際監測數據，頂管施工全過程中引起相鄰高架墩柱出現了沉降和水平位移，其最大值分別約為0.94 mm和0.51 mm，與前面Midas數值三維模擬結果較為吻合，說明了數值模擬的可靠性和準確性，也證明了其能較好地反映頂管施工全過程對高架結構的影響規律，變形結果滿足《江蘇省城市軌道交通工程監測規程》的變形控制要求。

4 結論與建議

該文依托高新園片區輸水管道改擴建工程案例，在頂管工作井、接收井、頂進施工過程中會引起周圍土體的應力變化，造成既有橋樁的側摩阻力減小，引起樁基變形，威脅上部橋面安全。通過Midas-GTS三維有限元軟件建立模型，依次對工作井施作、接收井施作、頂管頂進進行探討；根據影響分析可知，頂管施工全過程中引起相鄰高架結構的最大豎向變形約為0.65 mm，最大水平變形約為0.387 mm，且與實際監測數據接近。根據頂管施工全過程模擬可知，對相鄰高架結構的影響表現為以下幾點：

（1）橋面沉降變形是橋面水平變形的1.68倍，頂管頂進中對橋面變形影響以沉降為主。

（2）順橋向水平位移是橫橋向水平位移的3倍，說明頂管頂進對橋面結構產生的水平變形在垂直方向比平行于頂進方向大。

（3）頂管管徑相對較小，空間效應顯著，對相鄰墩柱有較明顯的變形影響，而其余較遠橋墩受相鄰橋墩遮擋和距離的影響作用相對較小。

（4）工作井、接收井、頂管頂進施工對墩頂水平位移影響基本成線性增加，線性斜率與影響距離成正比。

參考文獻

[1]許有俊，王雅建，馮超，等.矩形頂管施工引起的地面沉降變形研究[J].地下空間與工程學報， 2018（1）：192-199.

[2]鄧長茂，彭基敏，沈國紅.軟土地區矩形頂管施工地表變形控制措施探討[J].地下空間與工程學報， 2014（4）：1002-1007.

[3]劉波，章定文，劉松玉，等.大斷面頂管通道近接穿越下覆既有地鐵隧道數值模擬與現場試驗[J].巖石力學與工程學報， 2017（11）：2850-2860.

[4]謝昌遠.軟土地層頂管施工對運營鐵路線路變形影響分析[J].國防交通工程與技術， 2020（2）：47-50+13.

[5]楊果岳，劉浩航，尹志政，等.頂管上穿施工對既有地鐵隧道的影響[J].吉首大學學報（自然科學版）， 2014（2）：57-61.

[6]城市軌道交通工程監測技術規范：GB 50911—2013[S].北京：中國建筑工業出版社， 2014.