□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(jié)如何避免頂管對公路橋梁可能造成過大沉降。
【關(guān)鍵詞】：給水管道；頂管；公路橋梁；有限元
根據(jù)JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標準》，管道與各級公路相交叉且采用下穿方式時應設(shè)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。
某工程給水管線采用先頂鋼筋混凝土套管內(nèi)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(nèi)穿鋼管外防腐采用五布六油玻璃鋼加強外防腐，內(nèi)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(xiàn)狀路邊線約18.2 m，接收坑邊線距離現(xiàn)狀路邊線約39.8 m。CECS246：2008《給水排水工程頂管技術(shù)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(shè)計標準：采用汽-20，掛-100荷載標準。
3）橫斷面布設(shè)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(jié)構(gòu)：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(xiàn)澆空心板梁。
6）下部結(jié)構(gòu)：樁基接蓋梁結(jié)構(gòu)形式，蓋梁尺寸為1 m×1 m矩形截面，下對稱設(shè)置2根直徑0.8 m的樁基礎(chǔ)，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(jié)構(gòu)及支座墊石，重做橋面系及人行道。
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(tǒng)上部河床～河漫灘相沉積層（層厚1～2 m）、全新統(tǒng)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(tǒng)下組河床～河漫灘相沖擊層（層厚4 m）、上更新統(tǒng)河床～河漫灘相沉積（層厚10～11 m）。本次工程頂管位于全新統(tǒng)中組淺海相沉積層，主要由粉質(zhì)粘土組成，灰色，軟塑～可塑，含貝殼及少量有機質(zhì)，屬高壓縮性土，水平方向分布連續(xù)。勘測期間地下水位標高為2.18 m。
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(chǎn)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(shè)計頂管工程時必須結(jié)合實際工程情況對可能出現(xiàn)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(jié)構(gòu)內(nèi)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(shè)計等級以及橋梁配筋比較節(jié)省，經(jīng)計算，橋梁樁基計算內(nèi)力343 kN/m，與橋梁樁基實際抗力很接近。
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，模擬土體范圍取＞10D（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(nèi)頂部高差為3 m，原狀土采用單一土質(zhì)，涵洞開挖后大小比混凝土管涵內(nèi)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(cè)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(xié)調(diào)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(jié)果及分析
樁頂豎向位移為1.41 mm，即頂管對該橋產(chǎn)生的沉降為1.41 mm，滿足JTGD 63—2007《公路橋梁地基與基礎(chǔ)設(shè)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(nèi)力與老橋內(nèi)力疊加后與樁基礎(chǔ)屈服彎矩基本相當。
在橋梁現(xiàn)狀無頂管的情況下，對現(xiàn)狀橋梁樁基礎(chǔ)進行荷載驗算，在汽-20荷載標準下，樁基礎(chǔ)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(chǎn)生的內(nèi)力和荷載內(nèi)力疊加后達到了橋梁樁基設(shè)計強度。雖然本計算結(jié)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計強度后方可在橋位處頂管施工。
1）該頂管工程對橋梁產(chǎn)生的沉降滿足規(guī)范中關(guān)于橋梁墩臺變形的具體要求。
2）該頂管正常推進施工時，設(shè)置隔離墻后對橋梁產(chǎn)生的影響可以滿足設(shè)計要求，但考慮到施工中的不可預估的因素，應加強施工期橋梁變形監(jiān)測以及采取應急措施，以保證施工期的橋梁運營安全。
3）頂管正常推進施工時，引起的周圍地層地面沉降較小，但頂管過程中應采取相應措施使得地面變形對該橋在運營過程中不會產(chǎn)生大的影響。
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□趙 華/天津國際工程建設(shè)監(jiān)理公司。
□趙業(yè)海/中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司。
□中圖分類號：TU43
□文獻標識碼：C
□文章編號：1008-3197（2017）02-54-02
□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2017.02.020
□收稿日期：2017-02-15
□作者簡介：王 穎/女，1985年出生，工程師，天津國際工程建設(shè)監(jiān)理公司，從事工程技術(shù)管理工作。
