顶管井深基坑近接高架桥桩施工影响及参数优化研究

刘家均

(芷江县交通运输局 农村公路建设管理办公室， 湖南 怀化 419100)

0 引言

随着我国经济高速发展，城市地下管道需求量越来越大。顶管作为一种非开挖方法在管道工程中应用越来越广泛，且规模越来越大，为了解决顶管接收与始发的地下作业空间需求，顶管工作井在顶管施工中起到至关重要作用。受城市空间条件限制，顶管井所处的环境一般较复杂，往往会遇到顶管井基坑近接高架桥梁桩基施工情况。基坑距离桥梁桩基较近，开挖时对周边地层及桥梁结构扰动较大，为了减小顶管井基坑施工对周边桥梁的不利影响，需准确掌握基坑施工扰动效应，并采取可靠控制措施，因此研究顶管井基坑扰动效应规律及其控制措施具有重要意义。目前许多学者对顶管基坑近接桥梁桩基进行了相关研究，并取得了一定成果，但研究内容主要集中在顶管井设计与施工关键技术问题分析[1-5]及施工影响规律[6-8]上，针对顶管井深基坑近接高架桥桩施工扰动效应及其安全控制措施方面内容较少，因此亟需对其展开相关研究。

本文依托某污水管顶管井基坑工程，基于Midas Gts Nx建立基坑与桥梁三维有限元模型，研究顶管井深基坑开挖对基坑本身稳定性及桥梁桩基变形影响与坑外注浆加固对桥梁位移的控制效果。

1 工程概况

湖南某城市主干道新建污水管工程，采用顶管法施工，顶管与道路主线平行布置，顶管采用DN2400三级钢筋混凝土管，壁厚240 mm，管顶覆土7.7～9.5 m，两端顶管井尺寸为11 m×7 m(长×宽)，井深为11 m；工作井采用逆作法进行开挖，每次循环开挖深度为1 m，施做1 m范围内C30钢筋混凝土井壁，井壁厚度为1 m，工作井基坑围护结构采用一排直径0.8 m、间距1 m的钻孔灌注桩与高压旋喷桩止水，桩长20 m；基坑所处地层自上而下为杂填土、淤泥、淤泥质粉质粘土、粉质粘土、强风化粉砂岩、细砂岩(土状)，土层物理力学参数见表1。

顶管段道路为现浇预应力混凝土连续梁桥(自西向东为顺桥向)，单孔跨径为18 m，单幅桥面宽度为8.5 m，基础采用φ1 000 mm钻孔灌注桩，桩基长度为22 m，每个桥墩设1根桩，桩横向间距为4 m。基坑北侧距主干路城市高架桥梁桩基(桩基1-1、桩基2-1)较近，二者最小净距为7.18 m，位置关系如图1所示。

表1 材料物理力学参数材料天然密度/(kN·m-3)弹性模量/MPa泊松比黏聚力/kPa内摩擦角/°层厚/m杂填土1 950120.331554.2淤泥、淤泥质粉质粘土1 70080.35552.8粉质粘土1 980180.32131212强风化粉砂岩、细砂岩(土状)2 00023.70.25213015

图1 桥梁桩基与顶管工作井基坑平面位置图(单位: m)

基坑施工风险控制难度较大，施工过程中如何控制基坑开挖对邻近桥梁墩台的影响成为了施工控制难点。为了减小顶管井基坑施工对桥墩的影响，在桥梁与基坑间土体采取直径为76 mm的袖阀管进行注浆加固处理，加固厚度为4 m，加固深度为25 m。加固体、桥梁桩基与工作井拱墙参数见表2。

表2 加固体、桥梁桩基与工作井拱墙参数材料天然密度(kN·m-3)弹性模量/MPa泊松比黏聚力/kPa内摩擦角/°加固体2 0001000.253240—C30桥桩/承台/桩2 50030 0000.2——C30工作井拱墙2 50030 0000.2——

2 顶管井基坑开挖施工模拟

2.1 有限元模拟建立

通过Midas Gts Nx软件建立三维计算模型，借鉴相关工程经验将桥梁简化为承台、桩基；根据桥梁竣工图纸，计算桥梁上部结构荷载，再换算为集中荷载施加在承台上。基坑围护结构通过刚度等效原则，将加固体与灌注桩弹模折算成混凝土弹模，等效简化为一定厚度混凝土[10]，与土体一起采用三维实体单元来模拟。采用板单元模拟工作井井壁、梁单元模拟桥梁桩基。基坑模型宽度为150 m、长度为180 m、高度为50 m，模型共划分58 600个网格，对模型的底边界X方向和Y方向位移、模型前后X方向位移、模型左右边界两侧Y方向位移进行约束，考虑基坑周边20 kPa施工超载，三维基坑数值计算模型如图2所示。

图2 工作井基坑及桥梁桩基模型图

顶管工作井基坑深度为11 m，基坑每次循环开挖深度为1 m，施做1 m范围内混凝土井壁，具体施工模拟过程如表3所示。

2.2 计算结果分析

提取顶管井基坑开挖完成时的井壁位移、桥梁桩基沉降、桥梁桩基水平位移，计算结果如图3所示。

表3 顶管工作井基坑逆作法开挖模拟编号工况1地层初始应力场计算,位移清零2模拟修建既有桥梁结构,包括桥梁基础、承台,基坑围护结构及周边加固施工,位移清零3开挖深度到i m,施工开挖深度范围内钢筋混凝土拱墙(1≤i≤11)4施做结构底板

a) 短边位移

由图3可知，工作井井壁最大水平位移出现在井壁中上部，呈现出两端小中间大的“鼓胀体”形状，且靠近桥梁侧水平位移远大于远离桥梁侧水平位移，应加强对靠近桥梁侧井壁水平位移进行监测。由于本项目基坑临近高架桥墩，施工风险高，工作井基坑安全等级定为一级，基坑开挖过程中基坑拱墙方向最大水平位移为12.67 mm，小于一级基坑结构水平位移控制值22 mm[11]。基坑开挖沉降、水平位移见图4～6。

图4 基坑开挖到底时桩基沉降云图

图5 基坑开挖过程中桥墩差异沉降

图6 基坑开挖到底时桩基水平位移

由图4～6可知，顶管井基坑开挖过程中施工引起桩基向基坑侧发生侧移，且桩身中部位移最大，施工应加强对靠近基坑侧桩基桩身中部水平位移进行监测；基坑开挖过程中桥梁桩基最大沉降为7.78 mm，桥墩差异沉降为-0.65 mm，小于桥梁墩台沉降差允许值-5 mm，桩基最大水平位移为-2.12 mm，小于桩基水平位移允许值-10 mm[12-13]，可见采用现有注浆加固保护措施使顶管井基坑开挖对桥梁影响较小，桥梁结构处于安全状态。

3 坑外加固参数控制优化研究

为了更深入研究袖阀管坑外注浆加固措施对桥梁桩基变形的控制效果，在原注浆加固方案基础上(加固厚度为4 m、深度为25 m )，选取不同注浆加固厚度(0、1、2、3、4、5、6 m)、加固深度( 0、5、10、15、20、25、30 m )，研究不同加固厚度、深度下高架桥梁桩基沉降及水平位移变化规律，进一步对注浆加固参数进行优化。提取不同加固厚度、深度下桥梁桩基最大沉降、沉降差及水平位移计算结果,如图7～10所示。

图7 不同加固厚度下桥梁沉降

图8 不同加固厚度下桩基水平位移

图9 不同加固深度下桩基沉降

图10 不同加固深度下桩基水平位移

由图7～10可知：

1)当加固厚度小于4 m时，通过增加注浆加固厚度能够有效减小桥梁沉降及桩基水平位移；当加固厚度大于4 m时,继续增加加固厚度对桥梁位移及沉降减小不明显。基于加固厚度变化对桥梁沉降及位移的影响，从经济上考虑，加固厚度应小于4 m，因加固厚度为3 m时，桥梁沉降及位移小于允许值且接近允许值，从安全上考虑加固厚度宜控制为3 m。

2)加固深度变化对桥梁沉降及桩基水平位移影响规律与加固厚度类似，当加固深度小于25 m时，通过增加注浆加固深度能够有效减小桥梁沉降及桩基水平位移；当加固深度大于25 m时,继续增加加固深度对桥梁位移及沉降减小不明显。基于加固深度变化对桥梁沉降及位移的影响，从经济上考虑，加固深度应小于25 m，因加固深度为20 m时，桥梁沉降及位移小于允许值且接近允许值，从安全上考虑加固深度宜控制为20 m。

现场施工采取优化后的坑外加固参数(加固厚度为3 m、深度为20 m)对工作井与桥梁桩基间土体进行袖阀管注浆加固处理，并在桩基(桩1-1、1-2、2-1及2-2)布置沉降及水平位移监测点，对其沉降及水平位移进行监测，得到基坑开挖过程桥梁桩基最大沉降值、桩基最大水平位移值，与数值模拟计算值进行对比如表4所示，以验证数值模型的有效性及加固参数的合理性。

由表4结果可知，现场施工完成时桥梁桩基最大沉降为-8.9 mm，桩基最大水平位移为-8.2 mm，桥墩横向最大差异沉降为-0.4 mm，满足桥梁桩基及墩台变形要求[12-13]，因此采用本加固方案可有效减小基坑开挖对桥梁的影响，保证基坑开挖安全。桥梁沉降及桩基水平位移计算结果均略大于对应实测值，两者最大相对误差值为8.3%，数值模拟计算值与现场监测值较为接近，可见计算结果较合理，且能够满足工程实际要求。

表4 基坑开挖时桥梁沉降及水平位移计算值与监测值监测点沉降计算值/mm 沉降监测值/mm 水平位移计算值/mm水平位移监测值/mm沉降相对误差/% 水平位移相对误差/%桩1-1-8.7-8.1-7.8-7.27.48.3桩1-2-8.1-7.7-6.9-6.45.17.8桩2-1-9.6-8.8-8.3-7.89.16.4桩2-2-9.3-8.9-8.8-8.24.57.3

4 结语

依托某一污水管顶管井基坑近接高架桥梁工程，基于Midas Gts Nx建立基坑-桥梁三维有限元模型，研究顶管井深基坑开挖对基坑稳定性及桥梁桩基变形影响及坑外注浆加固对桥梁位移控制效果，主要结论如下：

1)顶管井基坑开挖过程中工作井井壁最大水平位移出现在井壁中上部，呈现出两端小中间大的“鼓胀体”形状，且靠近桥梁侧水平位移远大于远离桥梁侧水平位移，应加强对靠近桥梁侧井壁水平位移的监测。

2)顶管井基坑开挖对桥梁桩基变形及受力影响较大，施工引起桩基向基坑发生侧移，且桩身中部位移最大，现场施工过程中应对邻近基坑侧桥梁桩基桩身中部水平位移进行重点监测；在采取坑外注浆加固措施下，桥梁桩基沉降及水平位移显著减小，深基坑坑外加固的合理宽度为2 m，深度为20 m。

3)采用坑外注浆加固对桥梁桩基进行保护，可有效减小基坑开挖对桥梁影响，施工完成时桥梁桩基最大沉降为-8.9 mm，桩基最大水平位移为-8.2 mm，桥墩横向最大差异沉降为-0.4 mm，满足桥梁桩基及墩台变形要求。