地鐵深基坑不同施工進(jìn)尺對鄰近橋墩及下跨拱涵影響數(shù)值分析

胡治東，韋良文，2

（1.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶400074；2.重慶交通大學(xué)山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地，重慶400074）

1 引言

地鐵作為一種城市交通工具，不僅能給人們帶來方便快捷的出行，還能緩解城市的交通壓力，在能源存量日益減少的今天，地鐵更是一種環(huán)保出行的不二選擇。但地鐵車站及其區(qū)間段多位于人口密集區(qū)域，地鐵的施工不免會對鄰近建筑物造成影響。如何減小地鐵區(qū)間段以及車站施工對臨近構(gòu)筑物的變形影響便成了設(shè)計、施工時面臨的重要問題?；娱_挖施工時對臨近構(gòu)筑物的影響這一問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究［1～3］，李棟［4］等針對重慶軌道交通地鐵六號線花卉園到大龍山區(qū)間研究了在盾構(gòu)機(jī)開挖施工時產(chǎn)生的動荷載作用下，小凈距隧道的穩(wěn)定性；李志高［5］等研究了在上部基坑開挖施工時，對下跨隧道的變形控制方法。筆者以重慶軌道交通環(huán)線渝魯站至五里店站區(qū)間的明挖段項目為背景，采用數(shù)值分析方法對深基坑施工于鄰近橋墩以及下跨拱涵的變形影響特性進(jìn)行了分析。

2 工程概況

重慶軌道交通環(huán)線的渝魯站至五里店站區(qū)間明挖段，其西側(cè)為沖壓廠高架橋，其東側(cè)為慶業(yè)九寨及其魯能星城等居民住宅區(qū)。工程場地位于構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，外露地層參數(shù)由上自下分別為：第四系全新統(tǒng)填土層（Q4ml），殘坡積層（Q4el＋dl），侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）沉積巖層。沿線的主要地下水源來自基巖裂隙水及第四系松散層的孔隙水。明挖段設(shè)計起訖里程YDK22＋946.403～YDK23＋356.500，在回填土層采用放坡支護(hù)，本次分析選取西鄰沖壓廠高架橋及下跨排水拱涵的放坡支護(hù)段。

基坑開挖放坡邊緣最近距西側(cè)高架橋橋墩2m，基底距下跨排水拱涵最小為1.1m。開挖邊坡采用錨噴支護(hù)，支護(hù)參數(shù)為：R42錨桿L＝10m＠1.2m＊1.2m，0.2 m厚噴射混凝土。放坡典型橫斷面（適用于YDK22＋076.9520～YDK＋152.3840）見圖1。

圖1 基坑橫斷面

3 數(shù)值計算及結(jié)果分析

3.1 計算模型

采用ANSYS軟件進(jìn)行計算，模型長100m，寬100m，高度60m。地鐵開挖基坑西側(cè)為沖壓廠高架橋橋墩，從南往北分別為9＃、10＃、11＃橋墩，墩底擴(kuò)大基礎(chǔ)均嵌入基巖，橋墩直徑為2m。在開挖基坑下、靠近11＃橋墩基礎(chǔ)橫跨排水拱涵，見圖2。

圖2 有限元模型

3.2 計算條件

工程場地施加20kPa地面超載，墩頂支座施加5270KN集中荷載。材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。模型通過殺死不同數(shù)量的單元來模擬不同開挖進(jìn)尺對橋墩及排水拱涵的影響。

表1 材料參數(shù)

3.3 計算結(jié)果

通過有限元模型不同進(jìn)尺開挖模擬地鐵基坑施工過程對鄰近橋墩及排水拱涵的影響。25m開挖進(jìn)尺共7個施工步，50m開挖進(jìn)尺共8個施工步，不同開挖進(jìn)尺模型見圖3、圖4。

圖3 25m開挖進(jìn)尺

圖4 50m開挖進(jìn)尺

3.3.1 位移分析

經(jīng)計算，隨著基坑開挖深度增加，西側(cè)橋墩及其基礎(chǔ)的豎向位移逐漸增加，而基坑不同的開挖進(jìn)尺對豎向位移的影響亦不同。水平開挖進(jìn)尺為50m時，11＃橋墩基底、墩頂最大豎向位移分別為7.17mm、6.57mm；開挖進(jìn)尺為25m時，11＃橋墩基底、墩頂最大豎向位移分別為6.65mm、6.15mm。不同計算步時的位移變化曲線見圖5、圖6。

圖5 11＃橋墩基底豎向位移曲線

圖6 11＃橋墩墩頂豎向位移曲線

不同開挖進(jìn)尺對10＃橋墩橫向位移曲線見圖7。在基坑開挖過程中，10＃橋墩向基坑方向偏移量逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定。50m開挖進(jìn)尺最大偏移量為18.81 mm，25m開挖進(jìn)尺最大偏移量為14.96mm。

圖7 10＃橋墩墩頂橫向位移曲線

基坑開挖后，由于基底應(yīng)力釋放，導(dǎo)致下跨排水拱涵產(chǎn)生豎向位移，基底正下方拱頂位移值最大。不同開挖進(jìn)尺開挖后拱涵的豎向位移見圖8、圖9，50m開挖進(jìn)尺開挖后拱涵最大豎向位移值為18.75mm，25m開挖進(jìn)尺開挖后拱涵最大豎向位移值為17.45mm，見圖10。

圖8 50m進(jìn)尺開挖拱涵豎向位移

圖9 25m進(jìn)尺開挖拱涵豎向位移

圖10 排水拱涵豎向位移曲線

對比分析不同開挖進(jìn)尺對橋墩及排水拱涵的位移影響可知，小進(jìn)尺開挖位移量均小于大進(jìn)尺開挖位移量，對鄰近結(jié)構(gòu)較大進(jìn)尺開挖有利，說明深基坑施工中采用較小的施工進(jìn)尺對臨近構(gòu)筑物的位移、變形有一定的控制效果。

3.3.2 應(yīng)變分析

對比分析不同開挖進(jìn)尺開挖基坑后橋墩及拱涵的第一主應(yīng)變區(qū)域大小可知，25m開挖進(jìn)尺開挖基坑后橋墩及拱涵的應(yīng)變區(qū)域略小于50m開挖進(jìn)尺，表明小進(jìn)尺開挖對應(yīng)變也有一定控制作用，但作用不明顯，見圖11、圖12。

圖11 不同開挖進(jìn)尺橋墩第1主應(yīng)變

4 結(jié)論

通過有限元軟件ANSYS分析研究不同水平施工進(jìn)尺開挖深基坑對鄰近橋墩及排水拱涵影響特性得到如下結(jié)論。

圖12 不同開挖進(jìn)尺拱涵第1主應(yīng)變

（1）基坑施工過程中不同水平進(jìn)尺開挖對鄰近橋墩及排水拱涵的位移有不同影響。小進(jìn)尺開挖可以有效降低對臨近構(gòu)筑物的位移作用。

（2）隨著基坑開挖深度的增加排水拱涵上部應(yīng)力逐漸釋放，基坑正下方拱涵拱頂上凸，對結(jié)構(gòu)不利。

（3）不同的開挖進(jìn)尺開挖后對鄰近結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)變場不同，小進(jìn)尺開挖較為有利。

［1］吳 波，高 波.地鐵區(qū)間隧道施工對鄰近管線影響的三維數(shù)值模擬［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，12（2）：2451～2456.

［2］朱士云，候愛民，潘建華，等.地鐵隧道正上方建筑物淺基礎(chǔ)基坑施工技術(shù)［J］.建筑科技，2009，2（2）：102～105.

［3］李龍劍，楊宏偉.基坑開挖對臨近橋梁樁基的影響分析［J］.地下空間與工程學(xué)報，2011（12）：1697～1701.

［4］李 棟，張鳳舞，周聲才，等.盾構(gòu)機(jī)動載作用下小凈距漸變重疊隧道穩(wěn)定性研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，32（5）：930～933.

［5］李志高，劉國彬，曾 遠(yuǎn)，等.基坑開挖引起下方隧道的變形控制［J］.地下空間與工程學(xué)報，2006，2（3）：264～270.

［6］陳先國，王顯軍.近距離重疊隧道的二維和三維有限元分析［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，2003，38（6）：379～385.

［7］張陳蓉，俞 劍.基坑開挖對臨近地下管線影響的變形控制標(biāo)準(zhǔn)［J］.巖土力學(xué)，2012（7）：2027～2029.

［8］胡文亮，陳寅春.深基坑施工對鄰近連拱隧道影響特性分析［J］.重慶交通大學(xué)：自然科學(xué)版，2013，32（5）：934～937.