給水管道頂管穿越既有公路橋梁影響研究

GXF360 2017-06-22

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給水管道頂管穿越既有公路橋梁影響研究

□文/王穎趙華趙業(yè)海

【摘要】：頂管是目前管道穿越既有公路、鐵路、城市道路采用的一種非開挖施工方法，具有管道施工時不影響公路、鐵路、城市道路正常通行的優(yōu)點。文章以具體工程為例，通過三維有限元分析，總結如何避免頂管對公路橋梁可能造成過大沉降。

【關鍵詞】：給水管道；頂管；公路橋梁；有限元

根據JTG B01—2014《公路工程技術標準》，管道與各級公路相交叉且采用下穿方式時應設置地下通道（涵）或套管。通道或套管應按相應公路等級的汽車荷載等級進行驗算。

1 工程概況

某工程給水管線采用先頂鋼筋混凝土套管內穿鋼管方式穿越津霸公路，受條件限制，穿越管位只能從津霸公路橋中間橋孔處頂管穿越，橋孔凈距9.2 m。內穿鋼管外防腐采用五布六油玻璃鋼加強外防腐，內防腐采用引水容器無毒環(huán)氧涂料。

頂管外徑3 550 mm、長70 m，選用C60頂管專用管材，管線與公路交叉角為90°。頂管工作坑邊線距離現狀路邊線約18.2 m，接收坑邊線距離現狀路邊線約39.8 m。CECS246：2008《給水排水工程頂管技術規(guī)程》要求頂管段覆土厚度不小于管徑的1.5倍。該穿越頂管中心線高程-5.30 m，管頂覆土厚度6 m。

津霸公路橋位于K14+770處，跨越永清渠。

1）修建時間：該橋修建于1984年。

2）設計標準：采用汽-20，掛-100荷載標準。

3）橫斷面布設為1.0 m人行道+10 m車行道+1.0 m人行道，橋梁全寬12 m。

4）跨徑布置：5跨10 m。每孔凈跨徑9.2 m（減去樁基寬度）。

5）上部結構：10 m鋼筋混凝土空心板梁（修建時），2007年維修更換為10 m整體現澆空心板梁。

6）下部結構：樁基接蓋梁結構形式，蓋梁尺寸為1 m×1 m矩形截面，下對稱設置2根直徑0.8 m的樁基礎，樁基中心距離9.2 m。橋臺樁長22 m，橋墩樁長（含墩柱）34.5 m。

7）維修歷史：2007年更換該橋上部結構及支座墊石，重做橋面系及人行道。

2 工程地質情況

津霸公路頂管穿越位置處于永清渠橋下，該場地屬于華北平原濱海沖積平原，屬海陸相沉積地層。自上向下30 m土層依次為全新統上部河床～河漫灘相沉積層（層厚1～2 m）、全新統中組淺海相沉積層（層厚7～9 m）、全新組下組沼澤相沉積層（層厚2 m）、全新統下組河床～河漫灘相沖擊層（層厚4 m）、上更新統河床～河漫灘相沉積（層厚10～11 m）。本次工程頂管位于全新統中組淺海相沉積層，主要由粉質粘土組成，灰色，軟塑～可塑，含貝殼及少量有機質，屬高壓縮性土，水平方向分布連續(xù)?？睖y期間地下水位標高為2.18 m。

3 頂管對既有橋梁影響分析

頂管施工不可避免會造成地面和地下土體的移動，即沉降和位移。地面沉降是會危及周邊橋梁安全的主要因素，過大的地面沉降對周邊橋梁的破壞是致命的，因此為了避免頂管法對周邊橋梁的破壞，必須嚴格控制地面沉降。頂管施工過程中產生地面變形的根本原因是頂管施工對周圍土體的擾動。

本工程頂管管徑3.55 m，頂管管位處相鄰墩臺間距僅9.2 m，而頂管施工擾動范圍一般為3～5倍管徑范圍，全橋受影響的范圍將有1～2跨，在設計頂管工程時必須結合實際工程情況對可能出現的地面沉降及沉降分布的形態(tài)和范圍做出可靠的估計。

為符合實際工況，對既有津霸橋的結構內力進行了復核。由于津霸公路永清渠橋修建年代較久，當時荷載設計等級以及橋梁配筋比較節(jié)省，經計算，橋梁樁基計算內力343 kN/m，與橋梁樁基實際抗力很接近。

4 分析模型建立

4.1 計算模型

為確保計算準確，采用ABAQUS有限元軟件建模，模型大小與實際一致，即按比例1∶1建模，模擬土體范圍?。?0D（D為管徑），本模型模擬范圍取35 m×40 m×40 m。模型頂面總寬40 m，原狀土表面距開挖后圓柱狀洞內頂部高差為3 m，原狀土采用單一土質，涵洞開挖后大小比混凝土管涵內徑與壁厚之和多出5 cm，長度與所截土體總長相同，取40 m。在所挖圓洞中心左右兩側分別有一個直徑0.8 m、長32 m的混凝土樁，其中樁外露5 m。土體與樁體均采用六面體單元，單元類型均采用C3D8I單元(8節(jié)點線性非協調單元)，樁體共劃分480個單元，土體劃分了20 760個單元；采用位移邊界條件，見圖1。

圖1 ABAQUS有限元軟件分析模型

4.2 計算結果及分析

樁頂豎向位移為1.41 mm，即頂管對該橋產生的沉降為1.41 mm，滿足JTGD 63—2007《公路橋梁地基與基礎設計規(guī)范》中對橋梁墩臺變形的具體要求。同時，開挖后，樁體在水平x向的最大正位移為1.95 mm，最大負位移為3.29 mm，樁體在豎向的最大彎矩為101.5 kN·m，最大彎矩位置與開挖洞口相平行。頂管引起的內力與老橋內力疊加后與樁基礎屈服彎矩基本相當。

在橋梁現狀無頂管的情況下，對現狀橋梁樁基礎進行荷載驗算，在汽-20荷載標準下，樁基礎配筋可以滿足規(guī)范要求。若在橋下進行頂管施工，則會對樁基增加彎矩，頂管產生的內力和荷載內力疊加后達到了橋梁樁基設計強度。雖然本計算結果中，頂管施工對樁基沉降及變形可以滿足要求，但降低了橋梁的安全儲備，同時考慮到頂管工程對橋梁樁基的整體影響應綜合考慮設計、施工及勘察等因素，故為進一步減小管道頂進對橋樁基的變形影響，建議采取橋梁樁基保護措施，減少頂管對橋梁樁基的擾動。

具體措施是在管道和橋梁樁基之間設置隔斷墻，阻止頂管引起地層變位的傳播路徑，以減少對周圍土體和既有橋梁的影響。隔離墻采用單排直徑0.6 m的高壓旋噴樁，樁與樁之間咬合0.25m（φ600mm@350mm），旋噴樁位置盡可能靠近套管，考慮到頂管施工誤差，樁中心距離套管外壁0.8 m，旋噴樁樁底距離套管底4.5 m，樁底高程-11.5 m，樁長11 m。隔離墻與橋梁寬度相同為12 m，共設置2道，隔離墻中心間距5.1m（0.8 m+3.5 m套管直徑+0.8 m）。旋噴樁達到設計強度后方可在橋位處頂管施工。