航道施工對(duì)臨近在建橋梁變形影響分析及開(kāi)挖方案研究

趙殿鵬 潘國(guó)華 姚平 傅林 蔣國(guó)興 譚松

摘? 要：合理的航道開(kāi)挖方案對(duì)保障臨近在建建筑物的安全至關(guān)重要。為了研究航道開(kāi)挖對(duì)臨近在建大橋橋塔結(jié)構(gòu)及地面的變形影響，依托實(shí)際工程，采用有限元軟件Midas GTS/NX分別對(duì)3種施工方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同開(kāi)挖方案下主塔結(jié)構(gòu)及臨近地面的水平位移和沉降。通過(guò)對(duì)比分析各個(gè)開(kāi)挖方案中結(jié)構(gòu)的水平位移值與沉降值，選出了適宜的開(kāi)挖方案。研究可為工程施工開(kāi)挖方案選擇提供了參考。

關(guān)鍵字：航道? 臨近建筑物? 變形分析? 、數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TV91? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：

近幾十年來(lái)，隨著社會(huì)發(fā)展的需要，水利水運(yùn)工程大量興建。為滿足日益增長(zhǎng)的通航量的需求，新建航道基坑逐漸朝大型、超大型方向發(fā)展。超大型基坑開(kāi)挖會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成影響，例如，臨近建筑物等，尤其是富水地區(qū)[1-4]。施工方法不當(dāng)，可能造成嚴(yán)重工程事故，導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡。數(shù)值模擬方法可以對(duì)不同方案進(jìn)行模擬，指導(dǎo)實(shí)際施工[5-6]。

依托新建航道項(xiàng)目，針對(duì)變形控制的問(wèn)題，開(kāi)展新開(kāi)挖航道的3種不同開(kāi)挖方案的有限元模擬，通過(guò)分析不同方案開(kāi)挖下緊鄰建筑物結(jié)構(gòu)和地面的變形，為航道施工方案選擇及安全施工提供指導(dǎo)。

1 工程概況

依托船閘工程為杭州八堡船閘新建工程。船閘兩端航道均需開(kāi)挖，上游距離上閘首200m處新建九喬路大橋走向與擬開(kāi)挖航道走向垂直交叉。橋梁已完成主塔施工，橋面結(jié)構(gòu)仍在施工，尚未完成體系轉(zhuǎn)換。橋塔兩側(cè)均需新開(kāi)挖航道，一側(cè)為主航道，另一側(cè)為排澇引河道，兩航道屬于不同單位施工。橋塔承臺(tái)距離主航道設(shè)計(jì)邊界12.4m，距離排澇引河道60m。根據(jù)設(shè)計(jì)，主航道放坡開(kāi)挖后邊界緊臨橋梁橋塔承臺(tái)，坡率1：1.5。排澇引河道放坡開(kāi)挖后邊界距離承臺(tái)28m，坡率1：3.75。主航道由標(biāo)高5.00m開(kāi)挖至-3.3 m，開(kāi)挖深度8.3m。

航道放坡開(kāi)挖后邊界緊鄰大橋主塔，為研究主航道開(kāi)挖對(duì)大橋的變形的影響，擬預(yù)先采用有限元軟件開(kāi)展不同開(kāi)挖方案的數(shù)值模擬，分析各方案開(kāi)挖下橋塔結(jié)構(gòu)及基坑邊緣變形情況，以選擇適宜的施工方案及判斷是否需要采取支護(hù)措施，從而為工程安全提供指導(dǎo)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)，擬開(kāi)展以下3種開(kāi)挖方案的數(shù)值模擬：

方案一：只開(kāi)挖主航道，主航道由頂部到底部分為4層逐層開(kāi)挖，由計(jì)算可得每層開(kāi)挖深度2.07m，每層由模型兩側(cè)向橋塔中部對(duì)稱開(kāi)挖;

方案二：只開(kāi)挖主航道，主航道沿走向每25m劃為一段，豎向從頂部到底部分為兩層，每層4.15m。施工時(shí)分別從距橋塔上、下游100m處開(kāi)始，開(kāi)挖順序?yàn)椤阿偕稀傧隆谏稀谙隆凵稀巯隆苌稀芟隆保谒亩螢橹虚g核心土，如圖1所示。

方案三：主航道側(cè)開(kāi)挖方案同方案二，與此同時(shí)，排澇引河道側(cè)開(kāi)挖土體范圍從主塔分別向上、下游延伸50m，沿走向分三段豎向分兩層開(kāi)挖。主航道①、②兩段開(kāi)挖的同時(shí)，排澇引河道需要開(kāi)挖段同步開(kāi)挖完成，如圖1所示。

2 模型建立

采用有限元軟件Midas GTS/NX開(kāi)展數(shù)值模擬。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，按照原型尺寸建立模型如下圖2所示，為提高模型計(jì)算效率，主航道與排澇引河道沿中心線，取一半河道進(jìn)行建模，模型尺寸為300m×200m×120m，大橋橋塔結(jié)構(gòu)如圖3所示。

修正莫爾—庫(kù)倫模型由莫爾—庫(kù)倫模型擴(kuò)展而來(lái)，能反映土體非線性變形，并考慮土體的應(yīng)變特性，被廣泛應(yīng)用于數(shù)值分析軟件[6-7]。其屈服面為解耦雙硬化模型，剪切破壞和壓縮破壞互不影響。大量學(xué)者已使用修正莫爾—庫(kù)倫模型進(jìn)行了深厚軟土基坑開(kāi)挖模擬計(jì)算，結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較吻合。因此本次模擬計(jì)算中土體本構(gòu)模型采用修正莫爾—庫(kù)倫模型。模型巖土體物理力學(xué)參數(shù)如下表1所示。

基坑開(kāi)挖過(guò)程模擬前，模型邊界條件設(shè)置為：底面為固定邊界，周圍4個(gè)面為固定法向約束，頂面為自由邊界。模型總節(jié)點(diǎn)為237 485個(gè)，總單元個(gè)數(shù)為311 471個(gè)。模型中設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，在主航道側(cè)邊坡坡頂設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)A，主塔承臺(tái)平行于航道走向的兩側(cè)頂面設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)B、C，如圖2所示。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 水平位移分析

不同方案下各測(cè)點(diǎn)最終水平位移如下表2所示，3個(gè)方案中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A水平位移相差較小。A點(diǎn)處，方案三產(chǎn)生的水平位移最大。方案二次之，方案一最小。而B(niǎo)、C監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置處，3個(gè)方案的位移相差較小，且各個(gè)方案下累計(jì)水平位均非常小，產(chǎn)生的位移在2mm左右。

方案一中，由于施工方式為由上至下分層開(kāi)挖，每層開(kāi)挖量2m，因此，其相對(duì)于其他兩個(gè)方案來(lái)說(shuō)，應(yīng)力分為多次釋放，并且兩側(cè)為放坡開(kāi)挖，總體對(duì)邊坡的擾動(dòng)小，因此A點(diǎn)產(chǎn)生的水平位移相對(duì)較小。B監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，航道開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，承臺(tái)底部與航道底部標(biāo)高僅相差2m左右，由于承臺(tái)體積大，埋深較大，因此主要還是受自重作用，航道開(kāi)挖對(duì)承臺(tái)位置的影響很小，以至于產(chǎn)生的位移不到2mm。3個(gè)方案中，方案三C點(diǎn)的水平位移相對(duì)較小，這是由于排澇引河航道也進(jìn)行了開(kāi)挖后，使橋塔雙側(cè)應(yīng)力釋放均衡。

3.2 沉降分析

不同方案下各測(cè)點(diǎn)最終沉降值如表2所示，B、C監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降差異沒(méi)有明顯的區(qū)別。承臺(tái)處主航道側(cè)B點(diǎn)的總沉降量在5mm左右，而排澇引河道和C點(diǎn)的沉降量均小于B點(diǎn)。A點(diǎn)處，方案二產(chǎn)生的沉降最大，總累計(jì)沉降為31.96，方案三次之，為28.32mm，方案一最小，沉降為26.09mm?？傮w來(lái)看，橋塔結(jié)構(gòu)處整體產(chǎn)生的豎向位移小，但整體結(jié)構(gòu)向主航道偏轉(zhuǎn)。航道邊坡中因放坡開(kāi)挖，且沒(méi)有進(jìn)行任何支護(hù)，因此產(chǎn)生的沉降最大。三個(gè)方案對(duì)比，方案一開(kāi)挖后產(chǎn)生的沉降相對(duì)較小，而方案二方案三沉降相近。A監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，方案一的沉降量為方案二的81.58%，為方案三的92.22%。導(dǎo)致這樣的原因?yàn)榉桨敢环?次開(kāi)挖，每層開(kāi)挖2m，而方案二和方案三分2層開(kāi)挖，每層4m，一次卸荷回彈相對(duì)較大。3個(gè)方案中，由于主航道更靠近橋塔，因此主航道開(kāi)挖導(dǎo)致橋塔兩側(cè)B、C點(diǎn)存在沉降差異。而方案三中兩側(cè)的沉降差最小，這是由于橋塔兩側(cè)的主航道和排澇河道都進(jìn)行了開(kāi)挖。

4 施工方案選擇

結(jié)果表明方案一在控制航道邊坡水平及豎向位移方面效果較好，方案三在控制橋梁主塔結(jié)構(gòu)的位移方面效果較好。利用有限元Midas GTS/NX進(jìn)行方案二、三分段開(kāi)挖時(shí)，分段開(kāi)挖的現(xiàn)實(shí)形式為直接鈍化相應(yīng)單元段，因此會(huì)導(dǎo)致較大的卸荷回彈，而在實(shí)際施工中，并不能短時(shí)一次性開(kāi)挖與數(shù)值模擬相當(dāng)?shù)耐馏w方量。同時(shí)，本項(xiàng)目中關(guān)注的重點(diǎn)為橋塔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此，采取的方案應(yīng)更多考慮對(duì)橋塔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，工程施工中，周圍結(jié)構(gòu)最大沉降量≤0.1%H（H為基坑開(kāi)挖深度），且≤30mm;最大水平位移≤0.1%H，且≤30mm。本工程航道開(kāi)挖深度為8.3m，按照規(guī)范，允許沉降量及水平位移均為8mm。本次模擬中，承臺(tái)處的水平位移及沉降均滿足規(guī)范要求值。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007-2011）規(guī)定，由于建筑地基不均勻、荷載差異很大、體型復(fù)雜等因素引起的地基變形，對(duì)于多層或高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)應(yīng)由傾斜值控制;建筑物的地基變形允許值按照規(guī)范中規(guī)定。本工程中，承臺(tái)兩側(cè)B、C測(cè)點(diǎn)間距為10m，按照多層和高層建筑的整體傾斜標(biāo)準(zhǔn)，則允許的水平位移值為10×0.0025×1000mm=25mm。3個(gè)方案的沉降差均小于25mm，均滿足規(guī)范要求，而方案三產(chǎn)生的沉降最小。因此，綜合分析，擬推薦方案三作為工程的開(kāi)挖方案。

5 結(jié)論

針對(duì)工程中面臨的問(wèn)題及需要，開(kāi)展了新建船閘航道工程3種不同開(kāi)挖方案的有限元軟件數(shù)值模擬，分析了不同方案開(kāi)挖對(duì)緊鄰近橋梁和地面的變形，得到以下結(jié)論。

（1）數(shù)值模擬結(jié)果表明方案一在控制航道邊坡豎向位移方面效果較好，方案三在控制橋梁主塔結(jié)構(gòu)水平位移方面效果明顯。

（2）在利用有限元Midas GTS/NX進(jìn)行方案二、三分段開(kāi)挖時(shí)，分段開(kāi)挖的實(shí)現(xiàn)形式為直接鈍化相應(yīng)單元段，因此會(huì)導(dǎo)致較大的卸荷回彈，而在實(shí)際施工中，并不能短時(shí)一次性開(kāi)挖與數(shù)值模擬相當(dāng)?shù)耐馏w方量。

（3）工程關(guān)注重點(diǎn)為橋塔結(jié)構(gòu)的安全性，因此，方案應(yīng)保證橋塔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。綜合分析，方案三為最優(yōu)開(kāi)挖方案。

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基金項(xiàng)目：浙江省交通質(zhì)監(jiān)行業(yè)科技計(jì)劃項(xiàng)目（ZJ201904）

作者簡(jiǎn)介：趙殿鵬（1980—），男，高級(jí)工程師，博士，主要從事公路工程設(shè)計(jì)、瀝青路面科研等工作