基于Midas GTS模拟管线施工对桥梁桩基稳定性的影响

王 超

(福建船政交通职业学院 安全与环境学院，福建 福州 350007)

0 引言

输油管线下穿公路桥梁，管线开挖及回填施工很可能引起桥梁桩基的位移和变形，危及桥梁桩基安全。因此，开展管线施工对桥梁桩基影响的研究具有十分重要的意义。

当前，许多学者针对类似开挖施工对邻近建构筑物的影响做了大量研究工作。帅红岩等通过数值模拟方法研究基坑开挖深度与基坑整体位移的关系[1]；张顶立等采用现场实测统计分析、数值模拟等方法研究隧道施工引起地表建筑物的变形规律[2]；孙超等运用Midas GTS软件对深基坑开挖过程中周边建筑物影响进行了模拟分析[3,4]；黄宏伟、顾杨、王洪德等开展了基坑施工、顶管下穿建筑物等对周边建筑物的影响进行了研究[5-8]。而对于输油管线施工开挖及回填对桥梁桩基的影响研究较少。本文以输油管线施工工程为依托，利用MIDAS GTS有限元软件对管线下穿公路桥梁下方施工全过程进行模拟，分析对桥梁的影响，从而为以后类似工程提供借鉴。

1 工程概况

某输油管线工程与高速公路XZ大桥相交，交叉段起止段长151 m，平面如图1所示。交叉段XZ大桥采用预应力混凝土连续箱梁型式，下部构造采用肋式台，柱式桥墩，基础为钻孔灌注桩，桩径1.62 m，桩长32.8 m，桩底标高-28.0 m。输油管道斜交穿过XZ大桥，角度约42°，管道与桥墩最小净距约5.2 m。输油管道下穿XZ大桥段还有一处水渠，管道局部加深下穿水渠。

图1 交叉段平面示意图

交叉段输油管线采用钢筋混凝土盖板涵，明挖施工。如图2所示，正常段明挖基坑深1.8米，底宽3.3米，顶宽4.5米；下穿水渠段深3.6米，顶宽5.7米，位置关系如图1所示。采用放坡开挖，无支护，坡率为1∶0.33。

图2 正常段输油管道横断面示意图(单位m)

交叉段地势平坦，土层厚薄不均，覆盖层厚度较大。由地表向下主要地层有：坡积粉土、残积粘性土、碎块状强风化凝灰熔岩和弱风化凝灰熔岩。管道开挖回填时，由下向上分为盖板涵、回填细沙、细土等。

2 三维有限元计算模型建立

由于输油管道与XZ大桥桩基距离较近，且管道开挖采取明挖法施工，未采取任何支护措施，有可能造成桥梁桩基的侧向变形，并对桥梁结构产生不利影响。因此本文使用Midas GTS NX软件基于三维有限元法对输油管道开挖、回填施工全过程进行数值模拟，分析输油管道施工对XZ大桥的影响。

模型中模拟了与输油管道距离较近17个桥梁桩基，各主要桩基与管线基坑边直线距离如表1所示，其中9号桩位于输油管道拐弯处，与输油管道基坑边最小净距为2.73 m，且紧邻下穿水渠加深段。

表1 各主要桥梁桩基与管线基坑边直线距离(单位：m)

按照实际地形、地质条件，以交叉段为中心，建立纵向180 m，横向120 m，高度63 m的几何模型，如图3所示。为简化计算，模型中未模拟桥梁上部结构，仅模拟了桥墩及桩基，其中墩顶模拟至桥台底部，桩基长度按XZ大桥设计图纸设置。

图3 几何空间相对关系

模型中地层采用四面体单元模拟，本构模型采用弹塑性本构关系，Mohr-Columb屈服准则。XZ大桥桥墩及桩基采用梁单元模拟，定义为弹性材料，且假定其与地层共同变形。建立的三维有限元模型如图4所示，共划分了25782个节点、6204个单元。

图4 三维有限元模型图

根据规范和项目勘察报告，模型选用的材料物理力学参数见表2。

表2 材料物理力学参数表

3 管线施工对桥梁桩基稳定性的影响模拟

模拟中位移边界条件设地表为自由边界，其余各表面均约束法线方向的位移；荷载边界条件设为考虑自重荷载，在第一荷载步计算自重作用下的初始应力场。计算中模拟了输油管道明挖法开挖至回填运营的全过程，具体工况如下：STEP 1：模拟初始的应力场；STEP 2：管道未开挖前，穿越段桥梁桩基地基应力场的现状；STEP 3：管道开挖完成后，开挖对桥梁地基应力场的影响；STEP 4：土体回填对穿越段桥梁地基应力场的影响。

3.1 穿越段桥梁桩基应力分析

根据STEP2的计算结果，分析穿越段桥梁桩基应力场，作为后续研究管道开挖引起桥梁地基应力场变化的初始条件。通过模拟，得到不同工况下的穿越段桥梁桩基应力，见表3。

表3 不同工况下穿越段桥梁桩基应力

通过上表可以看出，不同工况下在桩基周围的第一、第三主应力均为压应力，其中10号桩基处应力最大。

图5和图6分别给出了管道开挖后和管道回填后桩基附近土体第一主应力和第三主应力的变化量。由图可知，管道开挖后，1号和9号桩基地表处土体的应力值增大，其余桩基应力值均减小；管道回填后，各桩基应力值均降低，其中9号桩基降低显著。可以认为管道拐弯处的9号桩基附近土体受管道开挖影响最大，其次为距管道最近的15号桩基，管道回填后影响显著降低。

图5 桩基附近土体第一主应力变化量

图6 桩基附近土体第三主应力变化量

为了研究桥梁桩基附近应力场沿深度的变化，选取了位于管道拐弯处、紧邻下穿水渠加深段的9号桩基进行分析，不同工况下的主应力见表4。

表4 9号桩基附近竖向第一主应力汇总表

续表

由表4可知，9号桩基周边土体受管道开挖的影响，随着深度加大不断减弱，第一和第三主应力最大变化值均发生于地表处。从数值上看，虽然开挖、回填前后桩基地表应力值有一定变化，但均为压应力，且数值不大，对桩基周围土体稳定性和强度影响较小。

3.2 穿越段桥梁桩基位移分析

管道开挖及回填引起应力场发生变化，不可避免引起桥梁桩基产生位移。通过模拟，主要分析开挖及回填对桥墩顶部和桩基与地表交界处的水平位移。模拟结果见表5。

表5 模拟桩基水平位移结果

通过表5分析，管道开挖和回填，均不同程度引起桥墩位移。管道回填，桥墩位移均有一定恢复。9号桥墩由于距管道线路最近，且位于管道拐弯、局部加深处，因此位移量最大。管道开挖后9号桥墩与地表交界处的位移量约4.07 mm，桥墩顶部的位移量约为6.2 mm；管道回填后，9号桥墩地表与顶部的位移量分别减小为1.87 mm和3.18 mm。总体来说，管道施工引起的桥梁下部结构位移量较小。

4 结论

(1) 通过模拟，管线开挖和回填对桥梁桩基的位移和附近处应力场有一定影响。在开挖时，对9号桩基影响最大，表现为压应力增大、顶部位移量为6.2 mm；回填后，影响显著降低，顶部位移量降至3.18 mm。

(2) 加强对9号、10号、14号和15号桥墩的保护和监控量测，根据量测结果调整施工。

(3) 施工时避免在桥梁桩基附近使用大型机械或大量堆载，防止桥梁受周边超载的影响产生不利的变形。