基于Plaxis 的橋梁施工基坑開挖對(duì)周邊管線影響分析研究

楊亞麗

（上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

0 引言

為適應(yīng)現(xiàn)代化城市經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，提高區(qū)域交通條件是帶動(dòng)區(qū)域發(fā)展的重要環(huán)節(jié)之一。橋梁工程的建設(shè)一直是我國交通行業(yè)不可或缺的一部分。橋梁工程的施工需要進(jìn)行基坑開挖，而施工過程中4 倍基坑開挖深度范圍內(nèi)的現(xiàn)有構(gòu)筑物的防汛安全有一定影響，如周邊房屋、管線、防汛墻等。因此，有效分析基坑施工對(duì)周邊構(gòu)筑物的變形沉降影響，以及基坑開挖過程中的安全監(jiān)測(cè)對(duì)工程安全施工具有是十分重要的作用。

Plaxis 是一個(gè)專門用于各種巖土工程問題中變形和穩(wěn)定性分析的二維有限元計(jì)算程序。本文結(jié)合實(shí)際工程案例，采用Plaxis 二維有限元軟件數(shù)值分析橋臺(tái)施工過程中基坑開挖對(duì)周邊管線的影響，數(shù)值分析中土體采用基于彈塑性Mohr-Coulomb 模型[1]（具有一個(gè)固定屈服面）的Hardening-Soil（簡稱HS）各項(xiàng)同性的高級(jí)土體彈性模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性模型進(jìn)行計(jì)算，為工程實(shí)施提供了可靠的依據(jù)。

1 工程概況

上海市某河道橋梁改建工程現(xiàn)狀為一座寬10.5 m 的鋼便橋，為完善區(qū)域路網(wǎng)、滿足楊浦區(qū)及寶山區(qū)交通發(fā)展的需要，對(duì)現(xiàn)狀橋梁按規(guī)劃進(jìn)行改建，新建橋梁總寬約159.3 m～185.6 m，分東、西1、西2 三幅橋，本文選擇東幅北側(cè)橋臺(tái)基坑開挖對(duì)現(xiàn)狀給水和雨水管線的影響進(jìn)行分析。

東幅北岸為重力式橋臺(tái)兼做防汛墻結(jié)構(gòu)形式，迎水側(cè)采用雙排樁長15 m 的Ⅳ拉森鋼板樁圍堰，擋墻及背水側(cè)橋臺(tái)采用單排樁長12 m 的Ⅳ拉森鋼板樁進(jìn)行基坑圍護(hù)施工，與臨水側(cè)圍堰設(shè)置一道型鋼對(duì)撐，基坑開挖深度為3.80 m。

在基坑開挖深度4 倍距離范圍內(nèi)的排水管有兩根，分別為距離基坑邊緣2.62 m 和3.24 m 的Ф300 給水管及Ф400 雨水管，管道埋深分別為1.55 m 和2.30 m?？紤]到工程施工期需要度汛，且河道水位越高，基坑開挖對(duì)現(xiàn)狀管線影響越大，所以本文選取河道設(shè)計(jì)高水位4.44 m 進(jìn)行評(píng)估分析。橋臺(tái)基坑開挖斷面圖見圖1（高程以m 計(jì)，尺寸以mm 計(jì)）。

圖1 橋臺(tái)基坑開挖斷面圖

2 二維數(shù)值分析

基坑施工對(duì)周邊防汛設(shè)施的影響分析，如施工期鋼板樁圍護(hù)墻位移和基坑坑底隆起，引起基坑外土體損失，從而引起地面沉降，影響周邊管線的安全。

采用plaxis 二維軟件建立平面有限元網(wǎng)格生成平面應(yīng)力-應(yīng)變模型，對(duì)上述案例橋臺(tái)基坑開挖過程進(jìn)行二維有限元數(shù)值模擬，從理論上分析鋼板樁圍護(hù)墻體位移和坑底隆起對(duì)周邊管線的影響。

2.1 模型分析及參數(shù)選取

2.1.1 模型原理分析

對(duì)橋臺(tái)基坑開挖斷面進(jìn)行模型簡化，利用平面有限元模型進(jìn)行二維數(shù)值模擬分析。

首先根據(jù)地勘報(bào)告的相關(guān)土層參數(shù)及鉆孔斷面，模擬施工前土體的初始應(yīng)力場；采用HS 模型模擬不同土層的土體，鋼板樁支護(hù)、型鋼圍檁及支撐等材料是基于各向同性線彈性模型；支護(hù)結(jié)構(gòu)及土體開挖降水等施工過程的模擬是通過有限元的單元生死[2]法，連續(xù)計(jì)算各施工步驟中產(chǎn)生的變形、內(nèi)力、位移等狀態(tài)的方式進(jìn)行，根據(jù)各施工階段預(yù)測(cè)分析橋臺(tái)基坑開挖至坑底的全過程對(duì)周邊管線產(chǎn)生的水平及垂直變形情況。

2.1.2 相關(guān)參數(shù)選取

根據(jù)工程地勘報(bào)告，項(xiàng)目區(qū)鉆孔斷面實(shí)際土層變化不大，采用HS 模型，將土體簡化為水平布置的土層，土層的容重、滲透系數(shù)、彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力、摩擦角、剪脹角等材料特性參數(shù)結(jié)合地勘及相關(guān)工程實(shí)例經(jīng)驗(yàn)選取，見表1。雙排鋼板樁圍堰加第一、二道撐為?32@2000 鋼拉桿，基坑內(nèi)開挖至0.7 m 后設(shè)置一圈H 型鋼圍檁（H400×400×13×21），同時(shí)布置一道鋼支撐（H400×400×13×21@2000）對(duì)拼焊接；采用無厚度的彈塑性接觸面模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間相互的作用。

表1 土體參數(shù)表（從上至下排列）

2.1.3 荷載和地下水位

施工期間鋼板樁支護(hù)側(cè)荷載按20 kN/m2考慮，墻后地下水位按地面以下0.5 m。超靜水壓按潛水水位與預(yù)降水水位差生成，通過Hardening-Soil 模型，將靜水壓力施加在土體骨架上。

2.2 模型建立

根據(jù)基坑開挖深度及土層厚度，確定模擬的尺寸為20 m×20 m，邊界條件兩側(cè)按水平約束，底部按固定約束模擬。采用精確度很高的15 節(jié)點(diǎn)三角形單元模擬土體應(yīng)力計(jì)算，結(jié)構(gòu)和界面單元類型與土體單元類型的匹配自動(dòng)進(jìn)行。二維有限元基礎(chǔ)模型見圖2。

圖2 二維有限元基礎(chǔ)模型

3 理論計(jì)算數(shù)值分析

結(jié)合土體變形的時(shí)空效應(yīng)[3]，并假定地下水位維持在地面以下0.5 m 不變，采用有限元模型分步進(jìn)行計(jì)算分析，本工程案例模擬共分為6 個(gè)步驟進(jìn)行施工，包括支護(hù)結(jié)構(gòu)、土方開挖及基坑降水等，計(jì)算施工步驟見表4。

表4 計(jì)算施工步驟

根據(jù)plaxis 二維有限元軟件計(jì)算分析，現(xiàn)狀管線的水平及垂直變形與基坑開挖的深度成一定比例，開挖深度越深，位移越大，當(dāng)基坑開挖至坑底時(shí)，管線水平和垂直位移值達(dá)到最大。根據(jù)plaxis 計(jì)算的水平及垂直變形云圖，受北側(cè)東幅橋臺(tái)兼做防汛墻的基坑開挖影響，Φ300 給水管的水平向最大位移為6.74 mm，垂直向最大位移為6.90 mm；Φ400 雨水管的水平向最大位移為5.60 mm，垂直向最大位移為5.01 mm?；娱_挖對(duì)現(xiàn)狀管線的影響均未超過規(guī)范要求的報(bào)警值，在管線允許變形范圍內(nèi)?；娱_挖至坑底時(shí)水平變形和垂直變形云圖見圖3、圖4。

圖3 水平變形云圖

圖4 垂直變形云圖

4 結(jié)語

通過上述計(jì)算結(jié)果，本工程采用的Ⅳ拉森鋼板樁圍護(hù)，設(shè)置一道型鋼對(duì)撐，基坑開挖至坑底時(shí)管線位移最大，最大附加水平和豎向變形均滿足規(guī)范要求，根據(jù)理論計(jì)算變形云圖，該橋梁基坑開挖支護(hù)方案滿足對(duì)周邊現(xiàn)狀管線保護(hù)的要求?？紤]到基坑施工的不確定因素較多，為確保施工過程中構(gòu)筑物的安全，應(yīng)根據(jù)基坑施工的實(shí)際情況，加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)，待基坑實(shí)施完成后，根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析判斷周邊構(gòu)筑物的安全和功能狀態(tài)。同時(shí)在施工過程中應(yīng)做好防汛搶險(xiǎn)預(yù)案和措施。