□文/王 颖 赵 华 赵业海
【摘 要】：顶管是目前管道穿越既有公路、铁路、城市道路采用的一种非开挖施工方法，具有管道施工时不影响公路、铁路、城市道路正常通行的优点。文章以具体工程为例，通过三维有限元分析，总结如何避免顶管对公路桥梁可能造成过大沉降。
【关键词】：给水管道；顶管；公路桥梁；有限元
根据JTG B01—2014《公路工程技术标准》，管道与各级公路相交叉且采用下穿方式时应设置地下通道（涵）或套管。通道或套管应按相应公路等级的汽车荷载等级进行验算。
某工程给水管线采用先顶钢筋混凝土套管内穿钢管方式穿越津霸公路，受条件限制，穿越管位只能从津霸公路桥中间桥孔处顶管穿越，桥孔净距9.2 m。内穿钢管外防腐采用五布六油玻璃钢加强外防腐，内防腐采用引水容器无毒环氧涂料。
顶管外径3 550 mm、长70 m，选用C60顶管专用管材，管线与公路交叉角为90°。顶管工作坑边线距离现状路边线约18.2 m，接收坑边线距离现状路边线约39.8 m。CECS246：2008《给水排水工程顶管技术规程》要求顶管段覆土厚度不小于管径的1.5倍。该穿越顶管中心线高程-5.30 m，管顶覆土厚度6 m。
津霸公路桥位于K14+770处，跨越永清渠。
1）修建时间：该桥修建于1984年。
2）设计标准：采用汽-20，挂-100荷载标准。
3）横断面布设为1.0 m人行道+10 m车行道+1.0 m人行道，桥梁全宽12 m。
4）跨径布置：5跨10 m。每孔净跨径9.2 m（减去桩基宽度）。
5）上部结构：10 m钢筋混凝土空心板梁（修建时），2007年维修更换为10 m整体现浇空心板梁。
6）下部结构：桩基接盖梁结构形式，盖梁尺寸为1 m×1 m矩形截面，下对称设置2根直径0.8 m的桩基础，桩基中心距离9.2 m。桥台桩长22 m，桥墩桩长（含墩柱）34.5 m。
7）维修历史：2007年更换该桥上部结构及支座垫石，重做桥面系及人行道。
津霸公路顶管穿越位置处于永清渠桥下，该场地属于华北平原滨海冲积平原，属海陆相沉积地层。自上向下30 m土层依次为全新统上部河床～河漫滩相沉积层（层厚1～2 m）、全新统中组浅海相沉积层（层厚7～9 m）、全新组下组沼泽相沉积层（层厚2 m）、全新统下组河床～河漫滩相冲击层（层厚4 m）、上更新统河床～河漫滩相沉积（层厚10～11 m）。本次工程顶管位于全新统中组浅海相沉积层，主要由粉质粘土组成，灰色，软塑～可塑，含贝壳及少量有机质，属高压缩性土，水平方向分布连续。勘测期间地下水位标高为2.18 m。
顶管施工不可避免会造成地面和地下土体的移动，即沉降和位移。地面沉降是会危及周边桥梁安全的主要因素，过大的地面沉降对周边桥梁的破坏是致命的，因此为了避免顶管法对周边桥梁的破坏，必须严格控制地面沉降。顶管施工过程中产生地面变形的根本原因是顶管施工对周围土体的扰动。
本工程顶管管径3.55 m，顶管管位处相邻墩台间距仅9.2 m，而顶管施工扰动范围一般为3～5倍管径范围，全桥受影响的范围将有1～2跨，在设计顶管工程时必须结合实际工程情况对可能出现的地面沉降及沉降分布的形态和范围做出可靠的估计。
为符合实际工况，对既有津霸桥的结构内力进行了复核。由于津霸公路永清渠桥修建年代较久，当时荷载设计等级以及桥梁配筋比较节省，经计算，桥梁桩基计算内力343 kN/m，与桥梁桩基实际抗力很接近。
4.1 计算模型
为确保计算准确，采用ABAQUS有限元软件建模，模型大小与实际一致，即按比例1∶1建模，模拟土体范围取＞10D（D为管径），本模型模拟范围取35 m×40 m×40 m。模型顶面总宽40 m，原状土表面距开挖后圆柱状洞内顶部高差为3 m，原状土采用单一土质，涵洞开挖后大小比混凝土管涵内径与壁厚之和多出5 cm，长度与所截土体总长相同，取40 m。在所挖圆洞中心左右两侧分别有一个直径0.8 m、长32 m的混凝土桩，其中桩外露5 m。土体与桩体均采用六面体单元，单元类型均采用C3D8I单元(8节点线性非协调单元)，桩体共划分480个单元，土体划分了20 760个单元；采用位移边界条件，见图1。
图1 ABAQUS有限元软件分析模型
4.2 计算结果及分析
桩顶竖向位移为1.41 mm，即顶管对该桥产生的沉降为1.41 mm，满足JTGD 63—2007《公路桥梁地基与基础设计规范》中对桥梁墩台变形的具体要求。同时，开挖后，桩体在水平x向的最大正位移为1.95 mm，最大负位移为3.29 mm，桩体在竖向的最大弯矩为101.5 kN·m，最大弯矩位置与开挖洞口相平行。顶管引起的内力与老桥内力叠加后与桩基础屈服弯矩基本相当。
在桥梁现状无顶管的情况下，对现状桥梁桩基础进行荷载验算，在汽-20荷载标准下，桩基础配筋可以满足规范要求。若在桥下进行顶管施工，则会对桩基增加弯矩，顶管产生的内力和荷载内力叠加后达到了桥梁桩基设计强度。虽然本计算结果中，顶管施工对桩基沉降及变形可以满足要求，但降低了桥梁的安全储备，同时考虑到顶管工程对桥梁桩基的整体影响应综合考虑设计、施工及勘察等因素，故为进一步减小管道顶进对桥桩基的变形影响，建议采取桥梁桩基保护措施，减少顶管对桥梁桩基的扰动。
具体措施是在管道和桥梁桩基之间设置隔断墙，阻止顶管引起地层变位的传播路径，以减少对周围土体和既有桥梁的影响。隔离墙采用单排直径0.6 m的高压旋喷桩，桩与桩之间咬合0.25m（φ600mm@350mm），旋喷桩位置尽可能靠近套管，考虑到顶管施工误差，桩中心距离套管外壁0.8 m，旋喷桩桩底距离套管底4.5 m，桩底高程-11.5 m，桩长11 m。隔离墙与桥梁宽度相同为12 m，共设置2道，隔离墙中心间距5.1m（0.8 m+3.5 m套管直径+0.8 m）。旋喷桩达到设计强度后方可在桥位处顶管施工。
1）该顶管工程对桥梁产生的沉降满足规范中关于桥梁墩台变形的具体要求。
2）该顶管正常推进施工时，设置隔离墙后对桥梁产生的影响可以满足设计要求，但考虑到施工中的不可预估的因素，应加强施工期桥梁变形监测以及采取应急措施，以保证施工期的桥梁运营安全。
3）顶管正常推进施工时，引起的周围地层地面沉降较小，但顶管过程中应采取相应措施使得地面变形对该桥在运营过程中不会产生大的影响。
参考文献：
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[4]李方楠，沈水龙，罗春泳.考虑注浆压力的顶管施工引起土体变形计算方法[J].岩土力学，2012，33（1）：204-208.
□赵 华/天津国际工程建设监理公司。
□赵业海/中国市政工程华北设计研究总院有限公司。
□中图分类号：TU43
□文献标识码：C
□文章编号：1008-3197（2017）02-54-02
□DOI编码：10.3969/j.issn.1008-3197.2017.02.020
□收稿日期：2017-02-15
□作者简介：王 颖/女，1985年出生，工程师，天津国际工程建设监理公司，从事工程技术管理工作。
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