管道开挖对临近高架桥墩台影响的有限元分析

毛淑欣

苏交科集团股份有限公司 江苏 南京 211100

前言

管道工程开挖是一个动态过程，由于开挖扰动、地层损失和固结沉降等因素的影响，与之有关的稳定和环境影响也是个动态过程，从而导致临近高架桥结构产生移动和变形。本文采用有限元软件Midas GTS，对某污水管道施工涉沿线既有高架桥的影响进行数值模拟分析，通过对管道施工过程对桥梁墩台影响的评估分析，得到管道施工造成桥梁墩台沉降、水平位移的理论值，结合规范标准中的相关规定，为桥梁监测提供理论依据，并为管道施工过程中判断桥梁结构安全提供技术支持和指导性意见。

1 工程背景

拟建工程位于南京市秦淮区双桥门街，整体上呈东西走向，西起江宁路，东至龙蟠南路，道路全长1800m，道路红线宽6～9m。双桥门街新建DN400污水管道约380m，接至双桥门泵站进水前水井，全线采用开挖施工，其中DN400污水管长373米，原管位恢复DN500雨水管长142m。

拟建管线临近双桥门高架西侧匝道最近约15.8m，开挖深度3.8m，介于H=3.0m～4.0m之间，按照设计规定，采用9m长FSP-Ⅲ型拉森钢板桩和两道300×300×10×15型钢进行基坑支护，其中第一道支撑距地面500mm[1]。开挖深度大于3.0m的支护结构剖面图如图1所示。管道场地开挖影响深度范围内的土层主要物理力学性质见表1。

图1 基坑大于3米支护剖面图

表1 土层物理力学参数

2 有限元数值模型

2.1 基本假设

为了尽可能达到与实际相符的计算环境，需要对地层结构进行部分简化和处理，以适应计算理论和软件，本次计算基本假设包括：①初始应力只考虑土体的自重，忽略构造应力的影响。②所有材料均为均质、连续、各向同性，土体水平成层分布。③边界条件：左右采用的为 X 向的法向约束，底面对 X、Y 两个方向进行约束。

2.2 整体模型

本项目结构模拟采用弹性本构模型，土层采用修正Mohr-Coulomb模型，计算采用二维平面模型，模型采用地层-结构模型，土体采用平面应变单元模拟，本构模型为修正摩尔库伦模型；钢板桩和内支撑采用梁单元模拟，本构模型均为弹性； 桥墩和立柱采用映射网格划分的平面应变单元，承台和素混凝土垫层采用自由网格划分的平面应变单元。

模型大小取为50m×30m，整体模型边界条件设定外侧土体四周约束其水平位移，底部边界约束其竖向位移，地表为自由边界。在模拟过程中，通过激活和钝化开挖土体单元、支护结构单元模拟施工过程，模型设定管道施工前的初始位移为零，以便分析管道施工后对桩柱的影响。整体模型如图2所示。

图2 整体模型

3 管道开挖计算分析

通过对管道开挖过程的有限元分析，模拟管道开挖过程对桥梁墩台的变形影响，评价双桥门高架桥正常运营的安全风险。本项目数值模拟工况包括：初始应力、钢板桩支护、第一次开挖、第一道支撑+第三次开挖、第二道支撑+第三次开挖。

3.1 管道开挖土体变形影响分析

管道施工造成土层损失，进而对管道施工影响范围内的土体产生附加沉降变形。变形最大的位置位于基坑开挖底部土体，桩基一侧的土体由于桩基及承台的约束，且存在一定距离，土体竖向沉降变形会受到一定的限制。由图3可视，最大地层沉降发生在管坑开挖底部，数值为 9.4mm，由管坑底部至地层深部及两侧逐渐衰减，直至无影响[3]。

图3 管道施工造成地面的变形云图

3.2 墩台水平变形影响分析

管道开挖施工时，随着开挖阶段的推进对双桥门高架墩台的影响越来越大，墩台最大水平变形发生在管道开挖至最后一步工况时，水平变形云图如图3所示，墩台基础最大水平位移约为0.25mm[4]。

图4 管道施工造成桥梁基础水平位移云图

3.3 墩台竖向变形影响分析

管道开挖施工时，双桥门高架墩台最大竖向变形发生在管道开挖至最后一步工况时，竖向变形云图如图4所示，墩台基础竖向附加沉降最大为0.08mm。桥梁桩基是支撑在强风化粉砂岩，由管道施工造成桥梁桩基不产生显著竖向附加荷载，故而计算附加沉降量极小，可忽略不计[5]。

图5 管道施工引起桥梁基础竖向位移云图

4 结束语

本文通过数值模拟分析得到以下结论：

（1）污水管道施工会造成土层损失，引起影响范围内的土体产生附加沉降变形，可能会导致临近基础设施发生变形。

（2）从数值模拟结果可知，管道开挖过程中对双桥门高架墩台的变形影响最大情况为开挖至坑底时，此时由于开挖卸载造成高架桥墩台最大水平位移为0.25mm，最大竖向变形为0.08mm。其理论计算结果均在可控范围内，不会对既有高架桥运营造成安全隐患。

（3）为了确保污水管道施工涉既有高架桥梁的正常运营，管道施工过程中应尽量减小对周边地层的扰动，土体开挖尽可能选择振动较小的机械进行，并预留人工开挖土层，除特殊情况外不允许超挖；基坑工程施工应遵循分区、分块、分层、对称、限时原则，从而降低开挖过程中的变形量。