臨近已建高鐵橋墩的管廊基坑設(shè)計(jì)及安全影響分析

甄亞彬

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

0 引言

隨著國家高速鐵路的飛速發(fā)展，城市地鐵、綜合管廊等地下基礎(chǔ)設(shè)施在建設(shè)過程中勢必在某個(gè)位置會(huì)鄰近已建的高鐵橋墩，為最大程度減小地下基礎(chǔ)設(shè)施施工對已建高鐵橋墩的影響，其施工工藝多采用對周邊環(huán)境影響甚微的頂管、盾構(gòu)等非開挖工藝。

在管廊明挖施工時(shí)，不同的基坑支護(hù)型式會(huì)對周邊土體產(chǎn)生不同程度的擾動(dòng)，土體的擾動(dòng)可能會(huì)對已建高鐵墩柱帶來安全隱患。因此，為確保管廊基坑施工對鄰近高鐵墩柱的影響在規(guī)范允許范圍內(nèi)，管廊基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為重要。

本文以某鄰近已建高鐵橋墩的管廊基坑為研究對象，首先利用傳統(tǒng)計(jì)算軟件對其支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，隨后采用MIDAS-GTS 有限元軟件評估該支護(hù)結(jié)構(gòu)的可行性，同時(shí)也為后續(xù)基坑及高鐵橋墩的實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警提供了數(shù)值依據(jù)。

1 工程概況

本工程綜合管廊結(jié)構(gòu)外輪廓尺寸為8.55×5.7 m，覆土厚度為2.6 m，管廊基坑開挖深度為8.4 m，結(jié)構(gòu)斷面見圖1。

管廊在已建高鐵42 號(hào)和43 號(hào)橋墩之間通過，管廊結(jié)構(gòu)邊線距42 號(hào)橋墩的距離為13.29 m，距橋墩承臺(tái)的距離為9.58～10.46 m，管廊基坑影響范圍內(nèi)的41 號(hào)至44 號(hào)橋墩的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖1 綜合管廊斷面圖（單位：mm）

表1 橋墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)表

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本段基坑在施工過程中需保護(hù)對象為高鐵橋墩，橋墩的基礎(chǔ)型式為樁基礎(chǔ)，樁基頂部承臺(tái)的平面尺寸為15.4 m×18.6 m，承臺(tái)底埋置深度為5.0 m。管廊基坑為溝槽型基坑，溝槽基底寬度10.55 m，開挖深度8.4 m。

根據(jù)溝槽型基坑的特點(diǎn)，挖土機(jī)械及土方運(yùn)輸車輛可均在溝槽內(nèi)進(jìn)行，其它如吊車、泵車等工程機(jī)械也可僅安置在溝槽的單側(cè)，因此高鐵橋墩一側(cè)的地面超載可僅考慮巡檢荷載，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012），高鐵橋墩側(cè)考慮2 kPa 的巡檢荷載。

根據(jù)高鐵橋墩的基礎(chǔ)形式及其對土體變形程度的要求，該區(qū)段高鐵墩柱側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為單排懸臂灌注樁型式，另一側(cè)則進(jìn)行放坡開挖。

首先1∶1 放坡至-3.00 高程并預(yù)留3 m 寬平臺(tái)，坡面噴射C20 素混凝土100 mm 厚，內(nèi)掛8@200×200 鋼筋網(wǎng)片，坡面上同時(shí)打設(shè)兩排48×3.5（mm）鋼管土釘并對橋墩承臺(tái)側(cè)土體進(jìn)行注漿加固，土釘長度為3 m，縱向間距為1.5 m，梅花形布置。樁基規(guī)格為600@800 鉆孔灌注樁，樁長為11 m，插入坑底深度為5.6 m，樁頂設(shè)置800×800 鋼筋混凝土圍檁。該支護(hù)結(jié)構(gòu)型式可滿足《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）相關(guān)要求，計(jì)算結(jié)果見表2 及圖2～圖4。

圖2 單排懸臂樁支護(hù)剖面

3 數(shù)值模擬分析

采用MIDAS-GTS 有限元軟件對支護(hù)結(jié)構(gòu)、綜合管廊、高鐵橋墩進(jìn)行整體建模計(jì)算，以評估支護(hù)結(jié)構(gòu)的可行性，同時(shí)也為后續(xù)基坑及高鐵橋墩的實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警提供數(shù)值依據(jù)。

圖3 內(nèi)力位移包絡(luò)圖

圖4 地表沉降圖

3.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB 10182—2017）規(guī)定，受下穿影響的高速鐵路橋梁墩臺(tái)頂位移理論分析及現(xiàn)場實(shí)測值應(yīng)滿足表3 要求。

表3 橋墩頂位移控制標(biāo)準(zhǔn)

3.2 力學(xué)參數(shù)

根據(jù)地勘報(bào)告可知，該區(qū)段土層自上而下以此為黃土、圓礫和玄武巖，各土層的力學(xué)參數(shù)及土層厚度見表4。

表4 土層力學(xué)指標(biāo)

3.3 模型的建立

順鐵路橋方向定義為X 軸，順管廊方向定義為Y 軸，數(shù)值方向定義為Z 軸。為消除邊界條件對計(jì)算結(jié)果的影響，模型X 方向取200 m，Y 方向取100 m，土層總深度取80 m。

土體模型的邊界條件均為設(shè)置為位移邊界，除模型的上表面邊界為自由外，其余各面僅約束相應(yīng)方向的位移。

土體、橋墩、承臺(tái)采用六節(jié)點(diǎn)四面體單元，管廊結(jié)構(gòu)采用面板單元，支護(hù)樁采用梁單元，支護(hù)樁與土的接觸面采用軟件自帶的界面單元。

高鐵橋墩側(cè)的地面超載取為2 kPa，橋墩對側(cè)地面超載取為20 kPa，橋墩頂部荷載按橋梁設(shè)計(jì)荷載查取并換算成均布荷載施加于橋墩頂部。有限元總體模型見圖5、圖6。

圖5 有限元總體模型圖一

圖6 有限元總體模型圖二

3.4 施工步驟定義

根據(jù)構(gòu)筑物建設(shè)的先后順序來定義施工步驟如下。

第一步：施加土層自重并計(jì)算初始地應(yīng)力；

第二步：激活橋墩、承臺(tái)、樁基及墩頂荷載；

第三步：將上一步計(jì)算位移結(jié)果清零并激活支護(hù)樁和地面超載；

第四步：管廊基坑開挖至基底；

第五步：管廊墊層施工；

第六步：管廊主體結(jié)構(gòu)施工；

第七步：基坑回填。

3.5 結(jié)果輸出

在單排懸臂灌注樁圍護(hù)體系下，伴隨著基坑開挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形逐漸增大，當(dāng)基坑開挖至基底時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形值達(dá)到最大并趨于穩(wěn)定，由此可知基坑開挖至基底階段是整個(gè)施工過程中對高鐵橋墩影響最大的階段，因此本文僅輸出基坑開挖至基底階段的各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果。

由計(jì)算結(jié)果可知，受土方開挖卸載的影響，管廊基坑周邊土體出現(xiàn)了不同程度的隆起，鄰近的42 號(hào)墩柱正好處于土體隆起范圍的邊緣，基坑底部最大隆起量的最大值為6.45 mm，42 號(hào)墩柱附近土體的最大隆起量為1.5 mm，見圖7。

圖7 開挖至坑底階段土體豎向變形云圖

由計(jì)算結(jié)果可知，圍護(hù)樁區(qū)段內(nèi)土體的最大位移為1 mm，圍護(hù)樁兩側(cè)自然放坡區(qū)段的最大位移為1.57 mm，見圖8。

圖8 開挖至坑底階段土體沿橋梁方向變形云圖

由計(jì)算結(jié)果可知，由于土方開挖卸載引起的土體隆起，導(dǎo)致鄰近管廊基坑的橋墩樁基出現(xiàn)了上浮的跡象，42 號(hào)橋墩樁基最大上浮位移為0.864 mm，墩頂?shù)淖畲笊细∥灰茷?.565 mm，滿足TB 10182—2017 中相關(guān)要求，見圖9、圖10 及表5。

圖9 開挖至坑底階段橋墩豎向變形云圖

圖10 開挖至坑底階段各橋墩豎向位移曲線

表5 開挖至坑底階段橋墩墩頂豎向位移

由計(jì)算結(jié)果可知，受42 號(hào)墩柱鄰近管廊基坑樁基上浮的影響，42 號(hào)橋墩墩頂?shù)淖畲笪灰茷?1.906 mm，滿足TB 10182—2017 中相關(guān)要求，見圖11、圖2 及表6。

由計(jì)算結(jié)果可知，42 號(hào)橋墩墩頂沿管廊方向的最大位移為0.052 mm，滿足TB 10182—2017 中相關(guān)要求，見圖13、圖14 及表7。

圖11 開挖至坑底階段橋墩沿橋梁方向變形云圖

圖12 開挖至坑底階段各橋墩沿橋梁方向位移曲線

表6 開挖至坑底階段橋墩墩頂沿橋梁方向位移

4 結(jié) 語

（1）在現(xiàn)有條件下，鄰近高鐵橋墩采用單排懸臂灌注樁進(jìn)行基坑支護(hù)是可行的，基坑支護(hù)方案能保證高速鐵路的運(yùn)行安全。

（2）施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制高鐵橋墩側(cè)的坑邊荷載不大于2 kPa，避免超載引起的過大變形或基坑失穩(wěn)影響高速鐵路的運(yùn)行安全。

圖13 開挖至坑底階段橋墩沿管廊方向變形云圖

圖14 開挖至坑底階段各橋墩沿管廊方向位移曲線

表7 開挖至坑底階段橋墩墩頂沿橋梁方向位移

（3）施工時(shí)，應(yīng)委托具有鐵路監(jiān)測資質(zhì)的第三方機(jī)構(gòu)對高鐵橋墩及基坑的變形進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)橋墩及基坑變形超過報(bào)警值時(shí)應(yīng)采取必要的應(yīng)急措施。

（4）建議本區(qū)段管廊施工時(shí)，先行施工42 號(hào)橋墩區(qū)段的管廊，待該區(qū)段管廊施工完畢后在分別向兩側(cè)對稱施工，以充分利用空間效應(yīng)，最大程度的減小對橋墩的不利影響。