深基坑開挖對鄰近高架橋墩頂位移敏感性參數分析

趙雨軍

(中鐵十五局集團城市建設工程有限公司，河南 洛陽 471000)

南京作為長三角經濟的發(fā)達地區(qū)，軌道交通建設現已進入全面發(fā)展階段。預計到2020年底，南京將開通總長約500 km的地鐵軌道交通網，總計13條線路。然而，地鐵建設多處于人口密度大的城市主次干道，地鐵深基坑施工不可避免的穿越城市橋梁。地鐵深基坑施工會造成周邊土體變形[1]，進而對鄰近的橋梁結構造成影響。

影響基坑鄰近高架橋變形的因素有很多，例如基坑開挖深度、圍護結構剛度、基坑施工順序、橋梁基礎形式等[2]。因此，探究地鐵深基坑施工不同參數對鄰近高架橋結構變形的影響，對地鐵深基坑設計和施工控制優(yōu)化具有重大意義。

1 工程概況

1.1 基坑工程概況

南京地鐵萬壽站位于南京棲霞大道與經五路交匯路口處，7號線萬壽村站沿棲霞大道東西向路北側設置，7、6號線換乘節(jié)點配套工程與7號線T型交叉，沿經五路南北向設置，下穿緯一路高架橋7#、8#墩。緯一路高架橋位于萬壽村站南側，6號線車站圍護樁距離經五路跨線橋7#、8#橋墩最近約2.7 m，7號線車站圍護樁距離經五路跨線橋3#橋墩最近約13 m，同時高架橋6#、7#墩之間還有地鐵7號線萬壽村站1號出入口，7號線、6號線與緯一路高架橋的位置關系如圖1所示。

圖1 車站基坑與緯一路高架橋位置關系

7號線基坑采用?1 200 mm@1 500 mm鉆孔灌注樁+內支撐進行基坑支護，樁間采用?600 mm三重管高壓旋噴樁止水；6號基坑采用?1 000 mm@1 200 mm鉆孔灌注樁+內支撐進行基坑支護，樁間采用?800 mm三重管高壓旋噴樁止水；附屬結構基坑采用?800 mm@1 000 mm鉆孔灌注樁+內支撐進行基坑支護，樁間采用?600 mm三重管高壓旋噴樁止水。

1.2 緯一路高架橋概況

緯一路高架橋為混凝土連續(xù)梁橋，深基坑影響范圍內共有3聯(0#～9#墩)，第1聯(0#～3#墩)3×30 m=90 m，第2聯(3#～6#墩)3×30 m=90 m，第3聯(6#～9#墩)30 m+45 m+30 m=105 m，高架橋為雙向六車道，標準截面橋寬為25.5 m。

橋梁下部結構采用鉆孔灌注樁，橋墩采用雙柱墩，1#～9#墩除了過渡段墩及40 m、45 m跨徑箱梁墩身為1.8 m厚，其余均為1.5 m厚；除8#橋墩，其余均采用工字型承臺，厚2.2～2.5 m。基礎均為樁基礎，樁徑為1.5 m。

2 建立計算模型

建立計算模型時，采用MIDAS GTS NX大型巖土有限元分析軟件，土層計算參數選取如表1所示，采用修正Mohr—Coulomb本構模型，該模型是在摩爾—庫倫本構模型基礎上改善的硬化土本構模型，適用于基坑、隧道開挖等工程問題。其他材料根據實際情況采用彈性本構模擬。

該模型土體、承臺、橋墩采用實體單元模擬，橋樁、支撐、冠梁采用梁單元模擬，基坑圍護樁通過等

表1 土層計算參數選取

效剛度轉換為地連墻板單元模擬。模型底部固定約束，側面滑動約束，共計195 633個單元。三維空間計算模型如圖2所示。

圖2 三維空間模型

為在計算模型中考慮樁土耦合作用，土體與圍護結構、橋樁樁體的接觸面采用界面單元(Goodman單元)進行模擬。在混凝土結構與土體接觸界面單元的設置中，通常采用界面單元參數助手進行設置，選取強度折減系數0.65得出各層土體與混凝土相對應的法向剛度模量、切向剛度模量、摩擦角及粘聚力。

計算工況和實際工況對應，先施工7號線基坑，分7層開挖共計26 m，后施工6號線基坑，分5層開挖共計17 m，最后施工出入口通道。不考慮基坑開挖時間對計算結果的影響[3]。

3 各種工況下的高架橋墩頂位移

3.1 不同排樁混凝土強度等級

6號線車站基坑排樁混凝土以C35為基準，依次將排樁混凝土改為C25、C30、C40，針對距離最近的7#橋墩墩頂位移沉降變化曲線，研究圍護結構混凝土強度等級變化對鄰近橋梁結構變形的影響，如圖3～圖5所示。由圖3～圖5計算結果可以看出：

圖3 不同混凝土強度下7#墩頂沉降變化量

圖4 不同混凝土強度下7#墩頂縱橋向位移變化量

圖5 不同混凝土強度下7#墩頂橫橋向位移變化量

(1)圍護結構混凝土強度等級為C25時，6號線基坑開挖結束后，7#墩頂位移最大，其中沉降量為-3.01 mm，縱橋向水平位移量為0.06 mm，橫橋向水平位移量為2.63 mm。

(2)圍護結構混凝土強度等級越高，墩頂沉降越小，縱橋向水平位移量越小，橫橋向水平位移量也越小。

(3)計算結果表明，圍護結構混凝土強度等級變化對鄰近高架橋墩頂位移影響不大。

3.2 不同排樁樁徑與樁間距

6號線車站基坑圍護結構設計參數以?1 000 mm@1 200 mm為基準，依此將圍護結構設計參數改變?yōu)?800 mm@1 000 mm，?1 000 mm@1 000 mm，?1 200 mm@1 300 mm，按彎剛度相等原則將圍護樁分別等效厚度為0.621 m、0.821 m、0.979 m的地連墻，針對距離最近的7#橋墩墩頂沉降變化曲線，研究排樁樁徑與樁間距對鄰近橋梁結構變形的影響，如圖6～圖8所示。由計算結果可知：

圖6 不同樁徑和樁間距下7#墩頂沉降變化量

圖7 不同樁徑和樁間距下7#墩頂縱橋向位移變化量

(1)排樁樁徑與樁間距為?800 mm@1 000 mm時，6號線基坑開挖結束后，7#墩頂位移最大，其中沉降量為-3.00 mm，縱橋向水平位移量為0.04 mm，橫橋向水平位移量為2.65 mm。

圖8 不同樁徑和樁間距下7#墩頂橫橋向位移變化量

(2)排樁等效厚度越大，墩頂沉降越小，縱橋向水平位移量和橫橋向水平位移量也越小。

(3)計算結果表明，排樁樁徑與樁間距變化對鄰近高架橋墩頂位移變形影響較小。

3.3 第3層鋼支撐不同剛度

通過改變6號線車站基坑第3層Q235鋼支撐剛度研究基坑開挖對鄰近高架橋的影響，分別選取0.5倍EA、2倍EA、4倍EA及原剛度，對比分析不同支撐剛度下鄰近高架橋7#橋墩墩頂的位移變形規(guī)律，如圖9～圖11所示。由計算結果可知：

圖9 不同鋼支撐剛度下7#墩頂沉降變化量

圖10 不同鋼支撐剛度下7#墩頂縱橋向位移變化量

(1)第3層鋼支撐剛度為4EA時，6號線基坑開挖結束后，7#-1墩頂位移最小，其中沉降量為-2.77 mm，縱橋向水平位移量為0.04 mm，橫橋向水平位移量為2.59 mm。

圖11 不同鋼支撐剛度下7#墩頂橫橋向位移變化量

(2)第3層鋼支撐剛度越大，墩頂沉降越小，縱橋向水平位移量和橫橋向水平位移量也越小。

(3)計算結果表明，增大支撐剛度對鄰近高架橋墩頂位移控制是有利的。

3.4 基坑不同開挖順序

萬壽村地鐵車站由4片基坑區(qū)域組合而成，存在基坑開挖先后順序，而相鄰基坑圍護結構受力特點與單獨基坑施工情況有所不同，相鄰基坑的開挖順序將會對其圍護結構位移變形產生不同影響。計算工況選取為6號線車站基坑開挖置于7號線車站基坑開挖前，或選取7號線車站基坑開挖置于6號線車站基坑開挖前，然后依次開挖1號出入口基坑、2號出入口基坑。計算分析相鄰基坑開挖順序變化對鄰近高架橋結構的位移變形影響，如圖12～圖14所示。由圖12～圖14計算結果可以看出：

圖12 不同基坑開挖順序7#墩頂沉降變化量

(1)基坑開挖順序改變后，墩頂位移發(fā)生變化。6號線車站基坑開挖置于7號線車站基坑開挖前施工，7#墩頂沉降減小，沉降量為-2.90 mm，縱橋向水平位移向負向增大，橫橋向水平位移減小，橫橋向水平位移量為2.16 mm。

(2)墩頂位移隨基坑開挖順序改變而不同，將6號線車站基坑提至7號線車站基坑前施工，可減小墩頂各向位移。

圖13 不同基坑開挖順序7#墩頂縱橋向位移變化量

圖14 不同基坑開挖順序7#墩頂橫橋向位移變化量

4 結論

(1)圍護結構混凝土強度等級越高，墩頂各向位移越小。計算結果表明，圍護結構混凝土強度等級變化對鄰近高架橋墩頂位移影響不大。

(2)排樁等效厚度越大，墩頂各向位移越小。計算結果表明，排樁樁徑與樁間距變化對鄰近高架橋墩頂位移變形影響較小。

(3)第3層鋼支撐剛度越大，墩頂各向位移越小。計算結果表明，增大支撐剛度對鄰近高架橋墩頂位移控制是有利的。

(4)墩頂位移隨基坑開挖順序改變而不同，將6號線車站基坑提至7號線車站基坑前施工，可減小墩頂各向位移。