电力顶管过桥梁桩基影响性分析
发布日期：2024-01-02
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顶管是地下非开挖施工的一种，它的特点是将管线敷设改明挖为暗挖。这对交通繁忙、人口密集、地面建筑众多、地下建筑物和管线复杂的市区来说是非常重要的。敷设新的煤气、热力、电力、给水、排水等地下管道以及地下通道，沿用以往开槽敷设已举步维艰，顶管作为一种管道敷设工艺的优势也越来越凸显。

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图 顶管法隧道敷设电缆实景
   非开挖段的电力管道施工基本上采用了顶管工艺，最大内径达到了3.2m，上海某电力隧道混凝土管的内径已达3.5m，而在建的陕西西安某220kV电力顶管的内径则达到了4.0m，创国内新纪录。

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一、方案概况


顶管是一种成熟的非开挖工艺，被大量应用于城市管网和隧道工程的建设，福建省内的大直径非开挖电力通道工程，基本上都是采用顶管施工的。

由于本工程桥梁桩基间距5.5m、桩净距为4.0m，拟采用两根φ2000内径的顶管，平行顶进，顶管管节壁厚0.2m，顶管之间净距3.3m、顶管与桩基之间的净距为0.8m。下图为双φ2000mm顶管平行下穿越桥横断面图。

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国内顶管设计的主要规程：《给水排水工程顶管技术规程》CECS 268 2008和《给水排水管道工程施工及验收规范》GB_50268-2008均未对顶管与桩基的交叉穿越施工要求做出具体规定，故分析时将采用理论分析、实测数据反演对比和有限元分析等手段进行。

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二、桥梁桩基受开挖卸荷影响的有限元分析


为了分析桥梁桩基在顶管施工过程中受隧道开挖卸荷作用下的内力变化，采用有限元软件分析双顶管顶进施工过程中，临近桩基的内力变化过程。

有限元几何模型边界80m宽*40m高，采用高精度15结点三角形单元进行模拟，顶管的管段和桥梁桩基均采用封闭衬砌单元模拟，有限元模型如图所示。

在前期的交叉作业协调中，施工顺序为：桥梁桩基施工并养护达到设计强度后→顶管单线施工→顶管复线施工→桥面梁施工→桥面板施工，故而在分析顶管施工影响时，已建的桥梁构筑物只有桩基部分，桩基高出地面高程约4.0m，但是由于上部为悬臂结构，自由端会产生一定的水平位移，但不会产生附加内力。项目分析时，不计超出地表范围的桩长，以便于计算收敛。若要计算超出部分的位移，可通过CAD几何模拟实现。

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图 有限元模型
施工分析工况为：桩基施工→左边顶管开挖→右边顶管开挖。
目前国内的大直径顶管工程中，基本都采用了泥水平衡式或土压平衡式顶管机，顶管土仓控制的要求是顶进力在静止土压力，即维持顶进施工过程时的土体应力状态与无顶进施工状态时一致，是一种微扰动或无扰动的施工工艺。
在实际操作过程中，由于人工控制偏差或地层地质的非各向同性的特点，会使得土仓压力出现不等于静止土压力的状况，但其极限的变化范围也为主动土压力和被动土压力之间。
根据道路工程勘察报告提供的地质指标，该层位于淤泥质土层中，则其主、被动土压力与静止土压力的差值估算为（顶管中心处，覆土6.0m）：
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计算分析的地质参数依据《岩土工程勘察报告》提供的试验值输入；桩基根据《施工图设计文件》提供的参数编制，顶管结构参数采用以往工程中采用的φ2000/200的参数输入。

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图 位移云图

为该顶进开挖施工模拟计算结果的位移云图，从图中可以看出，该开挖掘进产生的附加变形以平行双顶管的各自中心为中心，最大变形量在顶管的上下部，变形值为9.0mm，产生该变形的主要原因是由于顶管开挖卸荷，四周荷载作用下，管段结构受力变形产生的，对桥梁桩基周边土层产生的影响较小，其周边土层的整体位移均小于2.0mm。

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图 有效相对剪应力阴影图

上图为该顶进开挖施工模拟计算结果的相对剪应力阴影图，从图中可以看出，该开挖掘进产生的附加剪应力主要影响范围为顶管四周，且不超过桩基范围，其他地方土层中的应力主要为土体自重产生的。

桩基受顶管影响附加内力及变形汇总表
桩基位置
内力最大值
桩顶水平位移（mm）
弯矩（kN-m）
剪力（kN）
轴力（kN）
双顶管中间桩基
0.921
0.186
18.31
0.126
双顶管左侧桩基
17.37
9.79
18.31
0.734

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三、结论


以现有的规程规范及有限元分析软件为依据，对电力通道过桥方案中的明挖方案和顶管方案做了详细的对比，通过分析得到以下结论：

（1）桥上桥架过桥方案存在规程强条的制约，无法实施。

（2）明挖隧道方案由于基坑开挖深度大、施工风险高，且基坑开挖及隧道浇筑过程中需关闭在运营的水闸，影响较大，故不作为推荐方案；

（3）顶管方案具有灵活、安全、高效等特点，有限元分析结果显示，顶管施工对桥梁桩基产生的附加变形及内力都较小，同时通过加强顶进姿态控制监测、桩基变形监测等手段，可将顶管轴线严格控制在路径中心线上，满足安全、经济的要求。

专栏：行业资讯
作者： 行业资讯
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