地鐵基坑施工對鄰近橋梁的影響

黃菲，劉袁振，孟江

（1.南京市公共工程建設(shè)中心，江蘇 南京 210019；2.南京工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，江蘇 南京 210009；3.南京工大橋隧與軌道交通研究院有限公司，江蘇 南京 210032）

0 前言

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國的基礎(chǔ)設(shè)施也不斷發(fā)展完善。在城市中涌現(xiàn)出大量的地鐵建設(shè)工程，地鐵車站基坑周圍一般會存在管線、橋梁、房屋等構(gòu)筑物。地鐵基坑的施工必定會引起周圍地層的應(yīng)力場改變，進(jìn)而對周圍構(gòu)筑物產(chǎn)生不利影響，在施工前對其保護(hù)不當(dāng)可能會導(dǎo)致周圍構(gòu)筑物破壞[1-3]。因此，如何保障地鐵基坑周圍構(gòu)筑物的安全是城市地鐵基坑工程面臨的難題。

基坑工程影響橋梁變形因素有很多，如工程地質(zhì)條件、基坑開挖尺寸、橋梁上部荷載、橋梁距地鐵基坑的水平距離等[4]。國內(nèi)學(xué)者們對基坑近接構(gòu)筑物做了許多研究。王升[5]利用三維有限元軟件對某調(diào)蓄池近接高鐵橋梁的影響進(jìn)行了分析；張驍?shù)萚6]將基坑施工實測數(shù)據(jù)和PLAXIS 3D相結(jié)合對基坑施工過程進(jìn)行位移反分析，優(yōu)化HS-Small本構(gòu)模型參數(shù)分析了基坑近接橋梁對樁基的影響；沈建文[7]將幾何因素、邊界因素、物理因素等作為基坑和盾構(gòu)施工對橋梁樁基影響的參數(shù)，利用FLAC 3D進(jìn)行分析，得出了橋樁的沉降控制指標(biāo)。

本文以南京某地鐵終點(diǎn)站為依托，采用Midas/GTS對地鐵基坑施工進(jìn)行了數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果可為實際施工提供參考，保證施工安全進(jìn)行。

1 工程背景

南京某地鐵終點(diǎn)站，采用明挖順作法（路口下方局部蓋挖）。主體基坑長度、寬度、深度各為495.6m、21.7m、17.5m。附屬結(jié)構(gòu)基坑長度、寬度、深度各為30.9m、10.1m、17.1m。車站主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)圍護(hù)結(jié)構(gòu)分別采用1m和0.8m的地下連續(xù)墻?；优R近區(qū)域主要為某橋梁的第三聯(lián)（9#～13#墩）和第四聯(lián)（13#墩～19#墩），14#墩橋樁與結(jié)構(gòu)凈距最小為16.2m。基坑與橋梁平面位置關(guān)系見圖1。

圖1 基坑與橋梁平面位置關(guān)系圖

根據(jù)區(qū)域資料及地質(zhì)調(diào)查，基坑施工區(qū)域主要特殊性巖土為填土、軟土、混合土、風(fēng)化巖。土層詳細(xì)資料見表1。

土層物理性質(zhì)描述 表1

施工區(qū)域地下水類型主要為松散巖類孔隙水及基巖裂隙水。松散巖類孔隙水根據(jù)其埋藏條件和水力性質(zhì)，主要為潛水、承壓水[8]。潛水主要存在于填土層中，但是由于填土層的成分復(fù)雜并且分布非常不均勻?qū)е绿钔翆油杆院?。承壓水主要存在于卵石層中，其透水性較好，賦水性好，具微承壓性?；鶐r裂隙水主要存在于中風(fēng)化帶中，中風(fēng)化帶巖芯較完整，裂隙發(fā)育多為閉合或充填，所以賦水性較差。

地鐵基坑降水必然使地面產(chǎn)生沉降，對鄰近構(gòu)（建）筑物產(chǎn)生影響。為了防止基坑降水對橋梁產(chǎn)生不良作用，采用高壓旋噴樁對基坑進(jìn)行防水處理。

2 計算模型

2.1 模型建立與參數(shù)選取

本文數(shù)值模擬采用MIDAS/GTS進(jìn)行模擬分析，建立基于基坑-橋梁的三維模型進(jìn)行施工影響分析。計算模型中土體單元采用3D實體單元，本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫倫模型。修正摩爾-庫倫模型是對摩爾-庫倫模型進(jìn)行改進(jìn)得出的新模型，該模型由非線性彈性模型和彈塑性模型組合而成，適用于淤泥土和砂土行為特性，并且修正摩爾-庫倫模型可以模擬不受剪力破壞或壓縮屈服影響的雙硬化行為[9]。三維模型見圖2，基坑-橋梁位置關(guān)系見圖3。模型長480m，寬780m，高70m，模型底部約束豎向位移，四周約束水平位移。由于某橋梁的第三聯(lián)和第四聯(lián)為簡支梁，所以橋墩上部不施加任何約束，橋面板的重力在此模型中忽略不計。

圖2 三維模型示意圖

圖3 基坑-橋梁位置關(guān)系圖

土層參數(shù)取值 表2

支護(hù)結(jié)構(gòu)材料屬性表 表3

基坑施工工況 表4

地下連續(xù)墻采用2D板單元模擬；混凝土撐和鋼支撐采用1D梁單元模擬。橋墩采用3D實體單元模擬，樁采用1D梁單元模擬，本構(gòu)模型均為彈性，具體的支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3。

2.2 開挖工況

基坑采用地連墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，首先施工圍護(hù)樁，達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后進(jìn)行基坑開挖，模擬具體施工工序見表4。

3 計算結(jié)果與分析

地鐵基坑開挖的過程導(dǎo)致基坑內(nèi)部的土體產(chǎn)生應(yīng)力釋放，從而使圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，此次有限元計算按照實際的施工工序研究了在不同的施工工況下地表沉降、橋墩變形和橋梁樁基的變形特征。

3.1 地表沉降

當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入土體的深度比較大時，基坑周圍的土體沉降呈現(xiàn)出“漏斗形”，圖4為不同施工工況下距離橋墩較近一側(cè)的地表沉降曲線，圖5給出了部分施工工況下的地表的沉降云圖。

由圖4、圖5可知：①隨著基坑開挖深度的增加，地表的沉降也隨之增大，當(dāng)基坑開挖完成后距離橋墩較近一側(cè)的地表最大沉降為26.5mm；對比圖5的（a）和（b）可知，地表沉降影響的范圍隨著基坑的開挖深度增加而增加。

圖4 各工況下的地表沉降曲線

圖5 基坑開挖沉降云圖

②從圖4可以看出地表沉降的特征曲線符合Heish[10]所得出的研究規(guī)律，即基坑完成圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工后地表沉降呈現(xiàn)出“漏斗形”，隨著相距基坑距離的增加，地表沉降的數(shù)值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

3.2 橋墩變形

根據(jù)地表沉降云圖可確定此次基坑開挖的主要影響范圍，在此影響范圍內(nèi)有12#、13#、14#、15#橋墩。

當(dāng)基坑被開挖時，使周圍土體的應(yīng)力場和位移場發(fā)生改變，土體原有的應(yīng)力狀態(tài)被打破，土體為了達(dá)到平衡狀態(tài)，會從應(yīng)力較大的一側(cè)向應(yīng)力較小的一側(cè)移動，從而橋墩也會產(chǎn)生橫向位移。圖6為12#、13#、14#、15#橋墩各開挖工況下的橫向變形曲線。

圖6 各開挖工況下橋墩墩頂?shù)臋M向變形曲線

根據(jù)圖6可知，隨著基坑開挖深度的增加，橋墩的橫向位移也在增加，主體基坑開挖時受影響較大的為14#橋墩，主體基坑開挖結(jié)束后14#橋墩的累計橫向位移為6.50 mm。當(dāng)基坑開挖完成后受影響較大的為13#橋墩，附屬結(jié)構(gòu)開挖完成后13#橋墩的橫向位移為7.95 mm。在附屬結(jié)構(gòu)開挖時，14#橋墩的橫向位移相對增值變化平穩(wěn)，說明附屬結(jié)構(gòu)的施工對14#橋墩的影響不大。

為了避免基坑開挖導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生過大的水平位移，在施工前可采用土體加固的方法[11]來對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。土體加固的方法有兩大類。第一類為對基坑周邊的土體進(jìn)行加固，通過提高基坑周邊土體的強(qiáng)度，從而降低土體的變形，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)橋梁的目的。第二類為對橋梁樁基采取加固措施，通過提高橋梁樁基的承載能力，抑制橋梁樁基的變形，來達(dá)到保護(hù)高架橋安全的目的。土體加固的方法有預(yù)注漿法、凍結(jié)法和高壓旋噴攪拌法[12]。

根據(jù)圖7可知，隨著基坑開挖深度的增加，橋墩的沉降也在增加，在主體基坑開挖時受影響較大的是14#橋墩，主體基坑開挖結(jié)束后14#橋墩的累計沉降為3.62 mm。當(dāng)基坑開挖完成后受影響較大的為13#橋墩，附屬結(jié)構(gòu)開挖完成后13#橋墩的累計沉降為4.23 mm。最終13#橋墩的沉降比14#橋墩的沉降大是由于13#橋墩受到了主體結(jié)構(gòu)施工和附屬結(jié)構(gòu)施工的共同作用。由圖8可知橋墩沉降和橋梁樁基沉降趨勢相同，但橋墩墩頂沉降大于橋梁樁基沉降，這是由于橋墩的橫向位移使橋墩產(chǎn)生了向基坑開挖方向的傾斜，致使靠近基坑開挖側(cè)的橋墩墩頂沉降大于橋梁樁基沉降。

圖7 各開挖工況下橋墩墩頂豎向變形曲線

圖8 各開挖工況下橋梁樁基頂豎向變形曲線

將橋梁的第三聯(lián)和第四聯(lián)橋面板的重力均分在各個橋墩上，然后計算各工況下橋墩墩頂?shù)呢Q向位移。如圖9所示。從圖中可看出，橋面板的重力對橋墩的豎向位移影響在0.5mm左右。所以在有限元分析中，不可忽略橋面板重力對橋墩沉降的影響。

圖9 施加均布荷載后各開挖工況下橋墩墩頂豎向變形曲線

4 結(jié)論

通過本次模擬計算，可得到以下結(jié)論：

①當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入土層的深度比較大時，基坑周圍的土體沉降呈現(xiàn)出“漏斗形”，隨著基坑開挖深度的增加，基坑周邊土體的沉降也隨之增大，并且沉降的最大值也隨之向外移動；

②橋墩的豎向位移比樁基的豎向位移要大一些的原因是橋墩的橫向位移使橋墩產(chǎn)生了向基坑開挖方向的傾斜，致使靠近基坑開挖側(cè)的橋墩墩頂沉降大于橋梁樁基沉降；

③鄰近橋梁的地鐵深基坑工程會對橋梁產(chǎn)生影響，在正式施工之前，應(yīng)對地鐵基坑工程進(jìn)行有限元模型分析，通過科學(xué)合理的評估分析，避免可能存在的風(fēng)險。并且在基坑的施工過程中對橋梁進(jìn)行全面的監(jiān)測，保證在施工過程中橋梁的安全使用。