頂管隧道施工對高速公路通道橋的影響分析

尹正風

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

隨著我國管網和路網的日益發展與完善,新建管線穿越運營期的高速公路的現象非常普遍。如何采取合理的方法在滿足管線施工要求的同時確保高速公路不斷交,保證后期運營安全成為重要課題[1]。頂管施工是一種地下管道施工方法,無需開挖面層,并且能夠穿越公路、鐵道、地面建筑物以及地下管線等。目前,頂管施工技術已成為一種常規施工方法,自來水管、煤氣管、動力電纜、通信電纜和發電廠循環系統等許多管道也采用了該技術?？刂坪庙敼苁┕み^程中的地表下沉和周邊構筑物沉降,是下穿既有構筑物安全施工的關鍵。目前,針對地表沉降,常見的分析方法有經驗公式法、理論解析法、模型試驗法及數值分析法。用數值模擬的方法,對地表沉降及地表建構筑物的影響進行預測,在現今的交通設計中應用非常廣泛[2-5]。文章針對遼西北供水盤錦應急支線供水工程頂管穿越京哈高速G1通道橋施工,采用有限元方法建立模型進行全過程模擬,對工程方案進行分析。

1 工程概況

遼西北供水盤錦應急支線供水工程輸水管線穿越京哈高速G1,位于盤錦市盤山縣,穿越位置管線起點至終點樁號為G66+193.589～G66+496.589,穿越位置管線中心樁號為G66+373.369。該段供水管道采用1×DN2000鋼管,管線與公路夾角70.0°,采用泥水平衡鋼筋混凝土頂套管穿越,頂套管內徑DN2800mm,穿越長度303m。工程位置平面圖見圖1。

圖1 工程位置平面圖

京哈高速G1通道橋位于K527+048.003處,為鋼筋混凝土薄壁式橋,分為舊橋2座、新橋2座。舊橋橋樁長19～21m,新橋橋樁長29～30m,均為1.2m直徑鋼筋混凝土樁。

頂管線路位于橋涵單孔跨徑中央且平行橋涵走向布置,由西側橋孔(北京方向側)頂管穿越。

頂管穿越的輸水管道為直徑DN2000的鋼管,對應套管內徑為DN2800,頂管長度303m,套管采用鋼承口鋼筋混凝土頂套管,內徑2800mm,單節長3m,套管頂距地面最低處(魚塘底)約為5.1m,橋涵位置深度6.7m,套管外壁距離灌注樁中心線3.33m。

2 工程風險

結合現有工程地質及水文地質條件,通過該工程施工全過程數值模擬分析,并結合相關技術規范及管理規定,分析頂進施工對通道橋橋樁及上部結構的影響。

3 地質勘察情況

?-1層耕植土,黃褐色,以黏性土為主,含植物根系,層厚0.7m左右,主要分布在道路及魚塘兩側耕地。

①層淤泥質亞黏土,黃褐色,飽和,呈可塑狀,中等～高壓縮性,揭露層厚1.8～2.5m。

②層細砂,灰色,飽和,松散～稍密。層間夾有10～30cm粉土層多層,粉土夾層,灰色,稍濕～濕,稍密。揭露層厚4.2～5.2m。

③層粉質黏土,灰褐色,飽和,呈可塑狀,中等壓縮性,最大揭露層厚5.4m。

④層細砂,灰色,飽和狀,稍密,場地均有分布,最大揭露層厚8.8m。

地下水位埋深為1.4～1.5m,相應高程為0.03～0.85m。地下水類型為第四系孔隙潛水,主要接受繞陽河河水及海水的地下側向補給,向西北側地下徑流為主要排泄方式。地下水位變幅在1.0m左右,主要含水層為粉砂夾粉土。力學參數見表1。

表1 巖土層力學參數表

4 模擬及分析

(1)計算模型

文章采用三維數值模擬軟件Midas GTS NX軟件建立地層結構模型,對頂管隧道下穿京哈高速公路天橋施工過程進行模擬,建立1∶1有限元模型,模型尺寸為100m×60m×50m。模型中各地層及結構材料參數按地勘提供資料選取。

(2)計算假定

(a)采用彈塑性計算模型;

(b)假定結構及土體之間符合變形協調原則;

(c)采用均一地層,巖土體的變形是各向同性的;

(d)初始地應力的計算只考慮初始自重應力,不考慮構造應力;

(e)施工遵循設計工序,處于正常良好控制的條件下;

(f)不考慮地下水滲流影響;

(g)不考慮頂進施工過程中摩擦引起的土體損失。

(3)模擬說明

模型尺寸為100m×60m×50m,包含頂管隧道、高速公路橋、高速公路路基。各巖土層均采用彈塑性模型,三維實體單元,屈服準則采用Mohr-Coulomb準則;結構采用彈性模型,供水管鋼管采用板單元模擬,橋樁采用梁單元模擬,樁與土體間附摩擦單元。結構單元節點與土體網格節點耦合。模型側面邊界水平位移受到約束,底面邊界豎向位移受到約束。模型共計90832個單元。計算模型及透視圖見圖2、圖3。

圖2 計算模型

圖3 透視圖

路面荷載以20kPa的均布荷載施加于路面。

(4)施工步序

按實際經驗和工籌考慮,施工計算模擬步序如表2所示。

表2 施工步序詳表

5 計算結果分析

為便于呈現計算結果,將各樁編號進行布置,如圖4。

圖4 樁編號布置圖

(1)樁的位移

新橋橋樁最大水平位移分別發生在A11樁和B2樁樁身,舊橋橋樁最大水平位移分別發生在A6樁和B5樁樁身。樁的水平位移云圖及最大水平位移曲線圖見圖5、圖6。從圖5、圖6曲線變化趨勢可以看出,隨著供水管頂管施工,橋樁水平位移逐漸增大,頂管施工完成后內部回填水泥并鋪設鋼管時,水平位移小幅度減小。A11樁最大水平位移-0.05mm,累計水平位移-0.04mm,樁基垂直度1.72×10-4%(樁長29m);B2樁最大水平位移0.04mm,累計水平位移0.03mm,樁基垂直度1.29×10-4%(樁長31m);A6樁最大水平位移-0.05mm,累計水平位移-0.04mm,樁基垂直度2.5×10-4%(樁長20m);B5樁最大水平位移0.04mm,累計水平位移0.03mm,樁基垂直度1.8×10-4%(樁長22m)。受頂管施工影響產生的樁身垂直度變化均未超過1%的規范控制值。

圖5 樁的水平位移云圖

(2)樁的豎向沉降

最大豎向位移發生在A11樁,從圖7、圖8曲線變化趨勢可以看出,隨著供水管頂管施工,橋樁因產生負摩阻力,位移逐漸減小,頂管施工完成后內部回填水泥并鋪設鋼管時,豎向位移增大。最大豎向位移-0.49mm,累計豎向位移-0.49mm,頂管施工引起的沉降量遠小于10cm的規范控制值。

圖7 樁的豎向位移云圖

(3)樁的差異沉降

如表3所示,因頂管施工位于A軸與B軸之間,A、B軸之間最大差異沉降發生在5號樁、6號樁所在區域,差異沉降量為0.13mm,傾斜率為0.013%;B軸、C軸之間最大差異沉降發生在13號樁、14號樁所在區域,差異沉降量為0.08mm,傾斜率為0.008%。頂管施工引起的差異沉降量遠小于5cm的規范控制值,傾斜率遠小于0.2%的規范控制值。

表3 各軸差異沉降 單位:mm

6 結語

(1)頂管隧道施工工藝整體比較成熟,采用頂管施工的方法近距離穿越橋梁對橋梁產生的影響理論上可以得到有效控制。

(2)考慮橋梁長期運營安全,類似工程施工前應對橋梁上部結構情況進行檢測鑒定,如有需要應在施工前處置。對混凝土管與橋樁之間的土體進行注漿加固,以提高土體強度,減小施工擾動對橋樁承載能力的影響。

(3)頂管施工期間,建議對通道橋橋樁的沉降進行嚴格監測,同步監測橋面的變形、差異沉降及裂縫,及時利用監控量測結果指導和優化施工。