下穿橋梁緊鄰高鐵地鐵聯(lián)絡(luò)線基坑群施工力學(xué)特性數(shù)值模擬

芮勇勤,安 月,王振華,于曉莎

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110819)

隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展,城市土地資源緊張、建筑空間擁擠和交通問題日益突出,發(fā)展地鐵工程是城市集約發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-3]。由于地質(zhì)條件復(fù)雜,若設(shè)計(jì)與施工方案不合理,極易導(dǎo)致地鐵站基坑變形、圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏、周邊環(huán)境破壞等風(fēng)險(xiǎn)。一旦發(fā)生事故,可能造成嚴(yán)重的人身財(cái)產(chǎn)損失,地鐵工程建設(shè)安全應(yīng)引起極大重視[4-6]。

研究地鐵基坑開挖穩(wěn)定性的方法主要有經(jīng)驗(yàn)類比法、模型試驗(yàn)法、數(shù)值模擬法、整體分析法四種[7]。引發(fā)事故的原因非常復(fù)雜,應(yīng)用最為廣泛的是數(shù)值模擬法。采用數(shù)值模擬能夠預(yù)測(cè)施工過程引起的鄰近建/構(gòu)筑物的變形[8-10]。李大鵬等[11]歸納總結(jié)國(guó)內(nèi)外關(guān)于深基坑開挖引發(fā)周圍環(huán)境的平面變形情況并做了綜述研究。王恒等[12]采用數(shù)值模擬法分析基坑開挖對(duì)鄰近橋梁樁基的影響,研究得到采用二維簡(jiǎn)化等效研究大間距的樁基是合理的。雷華陽(yáng)等[13]采用數(shù)值模擬法研究不同間距條件下基坑開挖對(duì)自身圍護(hù)結(jié)構(gòu)及鄰近橋樁的影響規(guī)律,根據(jù)規(guī)律對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化。劉靜等[14]采用理論分析及有限差分?jǐn)?shù)值模擬法模擬淺埋暗挖不同工況對(duì)地表和鄰近樁基沉降的影響,確定了有效降低地表沉降和樁基變形的施工工法。影響基坑施工穩(wěn)定的因素過多,基坑施工時(shí)很難對(duì)基坑自身變形及基坑對(duì)周圍環(huán)境的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究[15-16]。

目前,國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)基坑施工力學(xué)特性的分析研究主要集中在單個(gè)基坑,而對(duì)周邊環(huán)境復(fù)雜的基坑群施工力學(xué)特性分析較少。基于此,筆者在模擬分析前,先根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別與評(píng)價(jià)工程風(fēng)險(xiǎn),再具體分析風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別較高的風(fēng)險(xiǎn)源;對(duì)基坑群及下穿橋梁、緊鄰高鐵路基進(jìn)行數(shù)值模擬;首先對(duì)基坑群施工過程中自身的穩(wěn)定性進(jìn)行研究,在確定地鐵站穩(wěn)定情況下,對(duì)鄰近橋梁、高鐵路基的影響進(jìn)行研究;通過數(shù)值模擬結(jié)果分析不僅能明確基坑群施工過程中存在的高風(fēng)險(xiǎn),且驗(yàn)證了風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)的合理性。

1 工程背景

1.1 聯(lián)絡(luò)線走向

后關(guān)村車輛段出入段線以填挖相間通過,場(chǎng)地屬低丘陵地貌,地勢(shì)起伏大,整體北高南低,地勢(shì)最大高差為27.4 m。出入段線明挖段基坑位于規(guī)劃綠地下方,哈大高鐵、沈大高速路西側(cè),地鐵站聯(lián)絡(luò)線布置情況見圖1。

圖1 地鐵站聯(lián)絡(luò)線布置Fig.1 Layout of tie-line in metro station

1.2 工程水文地質(zhì)條件

該工程地質(zhì)主要包括素填土、強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r(W3)、中風(fēng)化石灰?guī)r(W2)等,工程地質(zhì)斷面情況見圖2。場(chǎng)地地形地貌、巖性較復(fù)雜,圍巖性質(zhì)較好,未見地下水位。

圖2 工程地質(zhì)斷面圖Fig.2 Vertical plan of the engineering geology

1.3 聯(lián)絡(luò)線基坑施工方法

聯(lián)絡(luò)線標(biāo)準(zhǔn)段明挖基坑采用放坡+巖層噴錨方式施工。上部采用放坡,噴射100 mm混凝土,內(nèi)配Φ6.5@150鋼筋網(wǎng),Φ16、土釘長(zhǎng)度L=6 m、2.0×2.0土釘梅花形布置。下部采用Φ25、L=3 m、2.0 m×2.0 m砂漿錨桿梅花形布置?；由?.8～11.0 m。下穿橋樁段采用單排Φ219@750鋼管樁,架設(shè)2～3道錨桿,錨桿水平間距1.5 m。左線及出入線基坑巖面高,右線存在較厚黏土層,右線基坑在冠梁處架設(shè)一道Φ609,鋼管壁厚度t=14 mm鋼管內(nèi)支撐,水平間距4 m。

1.4 周圍環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

經(jīng)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí),總結(jié)聯(lián)絡(luò)線基坑群的主要環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)有下穿橋樁、測(cè)穿哈大高鐵路基,其斷面布置見圖3。開挖基坑不當(dāng)易造成橋樁不均勻沉降、橋身與橋梁結(jié)構(gòu)開裂。

圖3 斷面布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of section layout

2 聯(lián)絡(luò)線基坑群環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析

綜合環(huán)境設(shè)施的重要性分類及周圍環(huán)境設(shè)施鄰近程度,建立地鐵站施工環(huán)境影響的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[17-18]。既有城市軌道交通線路和鐵路屬重要設(shè)施、匝道橋?qū)僖话阍O(shè)施。其中區(qū)域范圍<0.7H(H為新建基坑深度)屬非常接近,區(qū)域范圍在0.7H～1.0H屬接近,區(qū)域范圍在1.0H～2.0H屬較接近,區(qū)域>0.2H屬不接近。具體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 施工環(huán)境影響的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Risk classification standard of construction environment

在風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)的基礎(chǔ)上,依據(jù)施工環(huán)境影響的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地鐵站基坑群施工致險(xiǎn)因素進(jìn)行評(píng)級(jí)。其中匝道橋是鄰近重要設(shè)施,并且基坑測(cè)穿匝道橋橋樁,結(jié)構(gòu)距橋樁最小距離約2.88 m,區(qū)域范圍在“非常接近”,屬于Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源。哈大高鐵路基為鄰近重要設(shè)施,基坑邊緣距高鐵路基最小距離約46.2 m,區(qū)域范圍在“較接近”,屬于Ⅲ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。具體致險(xiǎn)因素及其危險(xiǎn)等級(jí)見表2。

表2 聯(lián)絡(luò)線工程風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)Table 2 Risk classification of tie line engineering

對(duì)鄰近基坑聯(lián)絡(luò)通道的施工與既有橋梁、高鐵路基結(jié)構(gòu)之間的相互影響研究主要從兩個(gè)方面考慮:①聯(lián)絡(luò)線基坑群施工對(duì)鄰近既有橋樁結(jié)構(gòu)、高鐵路基的影響;②鄰近橋樁、高鐵路基結(jié)構(gòu)的施工力學(xué)特性。

3 有限元建模及施工過程

通過采用有限元軟件建立有限元模型,對(duì)地鐵站聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析。在本次模擬中假設(shè)主要巖土層均為均質(zhì)、各向同性的材料,考慮基坑施工降水引起的滲流影響,考慮基坑開挖與圍護(hù)結(jié)構(gòu)、橋梁樁基、高鐵路基以及車輛荷載影響。參考相關(guān)研究文獻(xiàn),結(jié)合該工程所在地地質(zhì)條件,模擬過程中選取的物理力學(xué)參數(shù)見表3[19]。

表3 物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters

3.1 有限元模型建立

模擬界面長(zhǎng)142.0 m,深43.5 m,基于摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型,采用巖土材料+樁+錨桿+土釘+板+界面單元組成數(shù)值模擬有限元模型。采用板+界面單元模擬地下連續(xù)墻主體結(jié)構(gòu)、側(cè)壁,采用錨桿單元模擬鋼管內(nèi)支撐,其有限元模型網(wǎng)格剖分圖見圖4所示。

圖4 有限元模型網(wǎng)格剖分圖Fig.4 The meshing diagram of finite element model

模型四周施加沿法線方向的約束,底面固定,劃分有限單元為13 136,進(jìn)行地下水滲流與力學(xué)、交通荷載耦合分析。考慮橋面車輛荷載為10 kN/m2,高鐵車輛作用在道床上荷載為50 kN/m2。考慮橋梁梁板簡(jiǎn)支梁,樁徑1.5 m、長(zhǎng)15 m。坐落于樁墩蓋梁上,路面為瀝青路面+橋面混凝土鋪裝層。

3.2 施工過程的模型模擬

根據(jù)地鐵站聯(lián)絡(luò)線基坑施工的順序,對(duì)地鐵站聯(lián)絡(luò)線基坑群的施工過程進(jìn)行模擬,共設(shè)置八種施工工況,施工過程模擬見圖5所示。

工況1:匝道橋橋梁+墩柱樁基、雙線沈大高鐵路基的原始地貌,模型見圖5(a)。

工況2:基坑開挖邊壁墻,施工冠梁,模型見圖5(b)。

工況3:基坑邊壁擋土墻施工,墻體采用鉆孔灌注樁,模型見圖5(c)。

工況4:左線基坑施作第一排錨桿;右線箱通,一級(jí)放坡施作兩排錨桿,施作與冠梁鉸接橫撐,模型見圖5(d)。

工況5:左線基坑施作第二排錨桿開挖;中部基坑施作第一排錨桿開挖;右線二級(jí)放坡施作第一排土釘,模型見圖5(e)。

工況6:基坑分別開挖至底部。左線基坑施作第三排錨桿;中部基坑施作二排錨桿;右線基坑施作二、三排土釘,模型見圖5(f)。

工況7:基坑底部碎石墊層、素混凝土找平,待混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%以上時(shí),進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)箱通施工,模型見圖5(g)。

工況8:首先進(jìn)行箱通防滲,部分回填砂土至箱通頂板,其次進(jìn)行橫撐拆除,最后回填砂土至原始地貌,模型見圖5(h)。

圖5 施工過程模擬Fig.5 Construction process simulation

4 聯(lián)絡(luò)通道工程力學(xué)特性

將聯(lián)絡(luò)線車站土體回填完成后,聯(lián)絡(luò)線基坑開挖之前的位移清零,主要分析聯(lián)絡(luò)線工程的力學(xué)特性,并研究地鐵站聯(lián)絡(luò)線對(duì)鄰近橋梁、高鐵路基工程的穩(wěn)定性影響。

4.1 地下水滲流

地下水水頭等值線分布云圖、地下水滲流矢量圖如圖6所示。

由圖6可知,橫撐拆卸、砂土回填后的地下水水頭最大值為53.5 m,滲流最大值為0.741 1 m/d,地下水對(duì)基坑開挖影響較小。

4.2 基坑位移變形

左線、中部、右線基坑邊壁墻在不同施工工況下的增量位移變化情況見圖7。

圖7 邊壁墻增量位移Fig.7 Incremental displacement of the side wall

由圖7可知,基坑群施工過程中左線基坑邊壁墻整體位移增量值大于中部基坑和右線基坑。這是由于基坑開挖深度越大,自身結(jié)構(gòu)變形及對(duì)周圍土體產(chǎn)生的變形影響越大?；拥?步開挖時(shí),基坑邊壁墻的增量位移減小,這是由于施作錨釘桿對(duì)基坑起到一定的加固作用?；拥?、4步開挖基坑邊壁墻的增量位移明顯加大,這兩階段的變化是由于基坑的進(jìn)一步開挖導(dǎo)致變形突然加大,應(yīng)注意加固支護(hù)方案的設(shè)計(jì)合理性,加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)箱通和砂土回填階段增量位移減小,說明基坑群施工對(duì)周圍土體變形影響逐漸達(dá)到安全的穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,統(tǒng)計(jì)基坑邊壁墻在各個(gè)施工階段的位移增量最大值見表4。

表4 邊壁墻位移增量Table 4 The incremental displacement of the wall

由表4可知,第4步開挖基坑,左線基坑邊壁墻位移增量值最大,達(dá)11.28 mm。施工結(jié)束邊壁墻橫向位移最大值為31.55 mm,小于變形限值40 mm,基坑自身變形相對(duì)穩(wěn)定。

分析砂土回填至原始地面施工階段位移變形特征,變形總位移云圖如圖8所示。

由圖8可知,基坑周圍土體向中部方向擠壓并呈下沉趨勢(shì),導(dǎo)致基坑周圍地表沉降及底部土體隆起。這是由于基坑開挖過程中產(chǎn)生臨空面,應(yīng)力得到釋放,支護(hù)結(jié)構(gòu)的周圍發(fā)生卸荷作用[20]。基坑邊壁墻向坑內(nèi)發(fā)生側(cè)向位移。這是由于墻外側(cè)土體的靜止土壓力逐漸轉(zhuǎn)化成主動(dòng)土壓力,使支護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生水平位移。

圖8 總位移分布云圖Fig.8 Contour distribution cloud map of total displacement

4.3 有效應(yīng)力相對(duì)剪應(yīng)力

剪切應(yīng)力主要集中在橋梁中部、鄰近基坑橋樁的樁頂和樁身、高鐵路基?；拥?、4步開挖,其相對(duì)剪應(yīng)力云圖見圖9。

圖9 相對(duì)剪切應(yīng)力等值線分布云圖Fig.9 The cloud map of relative shear stress contour distribution

由圖9可知,當(dāng)基坑第3步開挖完成后進(jìn)行基坑第4步開挖,相對(duì)剪切應(yīng)力最小值由0.752 1×10-3變?yōu)?.851×10-3,因此施工中要加強(qiáng)這一階段基坑邊壁、橋梁樁、高鐵路基等結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)。

4.4 匝道橋受力變形

車站側(cè)方樁距結(jié)構(gòu)軸線的水平距離不超過B+4.0H,應(yīng)考慮土體水平變形引起的附加內(nèi)力和變形[2]。各施工階段橋樁橫向增量位移、縱向增量位移變形最大值見表5。

表5 橋樁增量位移最大值Table 5 Maximum displacement of bridge piles

由表5可知,橋樁橫向增量位移最大值為7.22 mm,縱向增量位移最大值為2.48 mm。根據(jù)模型,將匝道橋橋樁從左到右排序,序號(hào)參見圖4。分析7根橋樁在不同工況下最大橫向、縱向增量位移值變化。根據(jù)匝道橋橋樁變化趨勢(shì)分析其受力變形特征。

模擬7個(gè)橋樁在不同工況下縱向增量位移情況見圖10。由圖10可知,基坑群開挖支護(hù)過程中,橋樁變形呈“M”趨勢(shì)。隨著基坑開挖深度增加,橋樁的橫、豎向增量位移逐漸增大。這是由于開挖前期土體卸荷量較小,隨著基坑開挖深度的加大,土體卸荷量增加,橋樁位移變形隨之加大。基坑第2步開挖時(shí),橋樁的橫、縱向位移值均減小。但隨著基坑開挖深度的增加,基坑第4步開挖時(shí)橋樁的橫向、縱向位移值在所有施工段中達(dá)最大。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)箱通施工時(shí),基坑變形達(dá)穩(wěn)定狀態(tài),增量位移逐漸減小。

圖10 橋樁橫、縱向增量位移變化圖Fig.10 The incremental displacement of bridge piles in transverse and longitudinal directions

據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》和《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》規(guī)定,結(jié)合已有類似工程,參考研究文獻(xiàn)確定的橋樁變形各項(xiàng)目預(yù)警值見表6。

表6 橋樁變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及其預(yù)警值Table 6 Deformation detection of bridge piles and warning values

在所有樁中,橋樁2的橫向增量位移明顯大于其他橋樁,橋樁2、3、4縱向增量位移明顯大于其他橋樁,說明基坑群的開挖使周圍土體向坑內(nèi)擠壓,具體分析最后一個(gè)計(jì)算工況的橋樁受力變形情況。砂土回填施工完成時(shí)橋樁變形特征見圖11。

圖11 橋樁橫向/縱向變形Fig.11 The lateral/longitudinal deformation of bridge pile

聯(lián)絡(luò)線基坑開挖面以上的土體為雜填土和黏土。基坑開挖過程中,坑內(nèi)土體卸荷,橋樁變形呈“魚腹”狀。由圖11可知,左線基坑放坡坡度較小,基坑深度最大,其左側(cè)鄰近橋樁的橫向位移變形最大,最大值為11.37 mm,縱向最大沉降值為11.24 mm。并且鄰近基坑的橋樁出現(xiàn)豎向沉降,豎向沉降由基坑群中部向外逐漸減小。

橋樁的軸力、彎矩情況見圖12。由圖12可知,匝道橋橋樁所受基坑開挖影響的范圍主要集中于樁身;離基坑群較近的橋樁的所受壓力明顯大于離基坑群較遠(yuǎn)的橋樁,這是由于土體開挖,使橋樁身受到的負(fù)摩阻力加大,導(dǎo)致樁的沉降加大、承載力降低。彎矩最大值為17 kN·m,彎矩較大部位集中在:①樁頂，這是由樁頂固定約束的變性協(xié)調(diào)作用效應(yīng)造成。②開挖面處，這是由于土體卸荷變形造成的。③雜填土與風(fēng)化石灰?guī)r的分界面處，這是由于土層交界面處模量發(fā)生突變。基坑施工須重點(diǎn)監(jiān)測(cè)彎矩最大值集中處,并采取相應(yīng)的預(yù)防措施[12]。

圖12 橋樁軸力和彎矩圖Fig.12 The axial force and bending moment of bridge pile

橋樁所受的軸力與彎矩分布比較對(duì)稱,并沿著樁身逐漸向兩端減小。說明基坑群開挖對(duì)土體以及結(jié)構(gòu)的影響是可以預(yù)測(cè)的。

4.5 高鐵路基受力變形

通過分析不同工況下高鐵路基的增量位移分析高鐵路基受力變形情況,其增量位移變形圖見圖13。

圖13 高鐵路基增量位移變化Fig.13 Incremental displacement of high railway foundation

由圖13可知,高鐵路基增量位移在基坑第4步開挖時(shí)達(dá)到最大值0.754 mm,施工結(jié)束時(shí)豎向沉降最大值為3.2 mm。根據(jù)我國(guó)《鐵路線路維修規(guī)則》和《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,符合設(shè)計(jì)要求。路基變形限值情況如表7所示。

表7 路基變形限值Table 7 Deformation limits of the foundation mm

5 結(jié) 論

(1)基坑開挖過程中,其左線基坑為最深基坑,并且放坡坡度最小,變形最大。應(yīng)注意加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)和支護(hù)加固。

(2)基坑開挖過程中基坑邊壁墻橫向位移最大值為31.55 mm,橫向增量位移最大值出現(xiàn)在基坑第4步開挖,為11.28 mm。開挖后,應(yīng)力得到釋放,沿支護(hù)結(jié)構(gòu)水平方向產(chǎn)生卸荷作用,但基坑自身變形相對(duì)穩(wěn)定。

(3)聯(lián)絡(luò)線工程施工過程中,橋樁增量位移橫向最大值為7.22 mm,縱向最大值為2.48 mm。施工結(jié)束時(shí)橋樁的橫向位移最大值為11.37 mm,豎向沉降最大值為11.24 mm,均已經(jīng)達(dá)到預(yù)警值10 mm。高鐵路基豎向沉降最大值為3.2 mm,滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范的要求。因此,在地鐵站聯(lián)絡(luò)線基坑施工前應(yīng)對(duì)匝道橋橋樁做好加固防護(hù)措施。

(4)該聯(lián)絡(luò)線基坑群開挖施工模擬結(jié)果符合工程實(shí)際,能夠?yàn)轭愃乒こ烫峁﹨⒖純r(jià)值。