地鐵車站基坑開挖對既有橋梁的影響分析

陳國義（廣州鐵路（集團）公司，廣東 廣州　510000）

地鐵車站基坑開挖對既有橋梁的影響分析

陳國義
（廣州鐵路（集團）公司，廣東 廣州510000）

摘要：本文以北京地鐵十號線學院路車站的設計與施工為背景，研究了地鐵車站基坑開挖對既有橋梁的影響。論文收集了基坑開挖過程中既有橋梁的各種變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行了整理分析，并結合有限元軟件ANSYS，對基坑開挖引起橋梁變形特征進行了詳細的總結，研究得出了地鐵車站基坑開挖對既有橋梁變形影響的規(guī)律，并對變形規(guī)律的內(nèi)在原因做了分析探討；

關鍵詞：地鐵車站；既有橋梁；基坑；容許變形；有限元；監(jiān)測數(shù)據(jù)

中圖分類號：TU47；U443.1

文獻標識碼：A

文章編號：1671-864X（2015）05-0129-01

一、工程概況

學院路車站處于十號結4#標段，設于學院路與北土城西路交叉路口的南側，車站縱向由三部分組成，中段為暗挖部分，兩端為明挖部分，中部穿越學院路采用單層兩跨連拱暗挖結構。兩端采取明挖結構。明挖段長度分別為50.5m及56.5m；暗挖段長度為60m；車站中軸線長169m。

考慮在學知橋正常使用狀態(tài)下進行基坑開挖，因此除了在施工工法方面采取特殊措施外，還對橋梁做了一系列的保護措施：

1.在基坑開挖之前，沿基坑四周設置人工挖孔樁，樁徑1200mm，樁間距1200mm，跳孔施工。

2.在既有樁周邊增設補強樁，與原橋樁共同承擔豎向荷載。

3.在新增橋樁中預埋注漿管，補強樁施工完成后，對樁底進行壓密注漿。

4.在新樁施工完成后，將舊承臺鑿毛清洗干凈，新舊承臺連接采用植筋的方法，電錘鉆孔，錨固膠錨固 。

5.對挖孔樁附近土體進行注漿加固。

二、計算模型

（一）計算模型的建立。

本工程當中，由于工程實際情況比較復雜，作了以下簡化：

1.基坑四周為人工挖孔樁，由于在實際建模過程中很難實現(xiàn)，根據(jù)等剛度原則，將其換算為壁式連續(xù)墻[2]，鋼支撐等價為加在支護墻體上的集中荷載[3]。

2.基坑開挖不考慮圍護結構施工對土體擾動的影響。

3.同一層土為均勻，各向同性材料。

4.建模過程當中，沒有考慮新建補強樁的影響。

土體采用8節(jié)點三維實體solid45單元，本構模型選用Drucker-Prager理想彈塑性模型。鋼筋混凝土地連墻采用shell63殼單元，連續(xù)墻假設為線彈性材料。圖1為有限元計算模型。

圖1　基坑有限元計算模型

圖2　初始應力狀態(tài)下基坑變形云圖

（二）初始應力的模擬。計算初始應力場是為了確定土層中各點的初始模量和開挖計算的起始應力條件，計算時采用收斂速度和計算效率好的牛頓迭代逼近法。各土層采用假定的平均彈性模量E計算初始剛度，建立平衡方程求得第1次近似應力，將求得的應力代入D-P本構模型中，計算出各個單元每個高斯點的初始模量E，然后再進行第2次平衡方程的迭代，直到兩次迭代結果的最大誤差小于給定值，即可結束，此時的應力即為所求的初始應力場。

1.計算參數(shù)的選取，根據(jù)實際情況選取土體參數(shù)即可。

2.邊界條件。施加邊界條件有利于計算過程的收斂性和保證計算結果的合理性，在模型的三個側面（包括基抗的兩側和一端側面）法向用零位移進行約束，另一端設置為零為對稱的邊界條件，模型的底部也以在面的法向上用零位移進行約束。。

3.荷載的施加。把土體、橋樁以及連續(xù)墻等材料定義自重，施加到計算模型上，同時，把上部結構傳遞的力施加到橋樁上面，下面為初始應力狀態(tài)下的應變圖。

（三）施工開挖過程模擬。為了更好的說明基坑開挖過程中，支撐對控制基坑及橋樁水平變形所起到的作用，本次模擬分有支撐和無支撐兩種。圖2為開挖后理論計算的基坑變形情況。

三、模擬計算結果分析

通過對基坑有橫向支撐和無橫向支撐兩種不同情況的計算模擬，可得到橋樁的水平位移、傾斜以及整體沉降和差異沉降等變形情況，在有限元計算模型計算的結果中，只能得到橋梁整體沉降、差異沉降、結構傾斜，橋樁水平變形數(shù)據(jù)。

1.整體沉降。通過實測沉降值與理論值的比較，總體上，有限元計算結果偏大，但總體變形趨勢一致。有橫向支撐和無橫向支撐相比，結構整體沉降變化不大，但在有支撐情況下，由于支撐預應力作用，會導致周圍土體微微隆起，結構在開挖開始階段沉降出現(xiàn)負值。無論是實測值，還是有限元計算值，整體沉降不大，遠小于警戒值20mm。（建筑地基基礎設計規(guī)范GB5007-2011表5.3.4）

這說明，基坑開挖對現(xiàn)有橋梁的整體沉降影響不大，而且，有支撐與無支撐相比，沉降相差不大。但是理論計算與實測相比，沉降量偏大。

2.下部結構傾斜。通過理論與實測值的比較，實測結果與有限元計算結果變形趨勢基本一致，但差值比較大；實測最大傾角南北方向只有0.02度，東西方向為0.03度，而理論計算南北方向最大傾角為0.14度，東西方向最大傾角接近0.2度。

3.下部結構水平位移。隨著基坑開挖，結構水平位移是逐漸增大，而且無支撐與有支撐計算結果相差很大，說明水平支撐對于控制結構側身變形起到重要作用。

四、結論

從學院路車站的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，采取適當?shù)募庸痰却胧┖?，開挖時既有車站的變形很小。橋梁整體沉降、異沉降、側向變形都比較小，都小于施工時所規(guī)定的警戒值，說明施工時所采取的保護措施是有效的。但是橋梁的整體傾斜和水平位移比較大，在以后類似的工程中，應該加強對結構水平位移及整體傾斜的保護措施，確保橋梁的正常使用與基坑施工的安全。

參考文獻：

[1]張汎，劉軍等。地鐵隧道施工引起的地層位移對既有橋梁樁基的影響分析。 市政技術，2005 Vol.23 No.z1 P.86-89.

[2]劉建航，候?qū)W淵主編.基坑工程手冊.北京：中國建筑工業(yè)出版社 1997.

[3]沈珠江.理論土力學.北京：中國水利水電出版社.2000.