地鐵車站基坑下穿對既有橋梁變形的影響及其控制措施研究

何晟亞 劉 一 李恒一 王志杰

(1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司， 510010， 廣州； 2.中國港灣工程有限責任公司， 100027， 北京；3.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 610031， 成都∥第一作者， 工程師)

隨著地下空間的開發(fā)利用及城市軌道交通的發(fā)展，城市密集建筑區(qū)域出現(xiàn)了愈來愈多的地鐵車站基坑，對周邊近接建筑物的安全性產(chǎn)生重大影響[1-2]，而地鐵車站基坑近接既有橋梁，在實際工程中較為常見[3-4]。因此，研究地鐵基坑開挖對橋梁的影響，以及橋墩保護控制措施對實際工程的設計和施工具有較大的指導意義。

文獻[5]研究了基坑的開挖深度、支護剛度，以及基坑與既有橋梁的距離對橋梁樁基水平位移、豎向位移的影響規(guī)律。文獻[6]采用巖土工程數(shù)值軟件建立基坑支護與鄰近橋樁的整體模型，研究了開挖深度和支護剛度對既有橋樁變形的影響規(guī)律。文獻[7]研究了距基坑不同距離處的鄰近輕軌高架橋橋樁的沉降位移變化。文獻[4]分析了橋墩距基坑不同距離、不同支護結構剛度，以及不同地質條件下基坑開挖過程中鄰近橋墩樁基的水平位移變形規(guī)律。文獻[8-11]提出了相關控制措施以保證近接橋梁的安全性。

綜上所述，目前的研究主要集中于基坑開挖深度、基坑與橋梁間的距離對橋梁的影響，對基坑的降水形式、鋼支撐的體系布置研究較少。本文主要通過數(shù)值模擬方法研究降水形式和鋼支撐體系的布置等因素對橋墩變形的影響，并提出橋墩保護控制措施?，F(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬結果表明本文的研究具有一定的可靠性，對于依托工程及類似工程的設計和施工具有一定的借鑒和指導意義。

1 工程概況

深圳地鐵12號線(以下簡為“12號線”)是深圳市軌道交通線網(wǎng)近期建設規(guī)劃中唯一一條自南向北串聯(lián)深圳市南山中心區(qū)、寶安中心區(qū)、福永片區(qū)、大空港及會展片區(qū)的軌道交通骨干線，是支撐深圳市西部發(fā)展軸帶建設，支撐前海自貿(mào)區(qū)、空港新城地區(qū)城市發(fā)展，緩解南山中心區(qū)、寶安中心區(qū)交通擁堵的普速線路。

12號線和平站為東西走向，與穗莞深城際軌道(設計速度為140 km/h)線路相互垂直。車站在穗莞深城際軌道某特大橋30#—31#橋墩之間明挖下穿通過。和平站近接橋墩的水平位移，需滿足TB 10182—2017《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規(guī)程》中不大于2 mm的規(guī)定。和平站基坑和橋墩相對平面位置見圖1。

圖1 12號線和平站基坑下穿某特大橋平面位置示意

2 和平站基坑下穿穗莞深城際軌道某特大橋數(shù)值模擬分析

2.1 計算模型

采用有限元軟件Midas GTS NX對12號線和平站基坑下穿穗莞深城際軌道某特大橋區(qū)段進行三維建模(見圖2)?；舆吘壷了闹苓吔绲木嚯x取3.7倍開挖深度，整個計算模型尺寸為366 m×150 m×120 m。地層采用修正摩爾-庫侖本構模型。對該模型四周節(jié)點施加法向位移約束，對其底部邊界施加豎向位移約束，對橋梁樁基及基坑立柱的轉動自由度進行約束。

圖2 和平站基坑下穿穗莞深城際軌道某特大橋區(qū)段有限元模型

2.2 計算參數(shù)

將橋梁上部荷載換算成均布荷載，并將其作用于橋梁橋墩上，即30#橋墩和31#橋墩頂部均布荷載強度分別為138 kPa和134 kPa。將隔離樁按剛度等效原則等效為與其受力形式相近且具有一定厚度的地下連續(xù)墻[12]，計算如式(1)：

(1)

式中：

D0——地下連續(xù)墻的等效厚度，m；

L——樁間距，m；

D——樁徑，m。

12號線和平站基坑地層巖性及相關參數(shù)以距離橋梁較近的MLZ3-SHP-73勘探孔獲取的巖樣為準。地層及圍護結構參數(shù)如表1～2所示。

表1 和平站基坑土層物理力學參數(shù)

表2 12號線和平站基坑圍護結構參數(shù)

3 和平站基坑開挖對某特大橋變形的影響

3.1 地連墻混凝土彈性模量對橋梁位移的影響

橋梁結構豎向和水平最大位移隨地連墻混凝土彈性模量的變化曲線如圖3所示。由圖3可見：

1)30#橋墩的最大豎向位移較31#橋墩要大。

2)30#墩臺底部水平位移平均值大于31#承臺，而其最大水平位移小于31#墩臺。

3)當混凝土彈性模量由25.5 GPa增至37.5 GPa時，30#橋墩的豎向位移由1.044 mm減小至1.041 mm，減幅為 0.29%；31#橋墩的豎向位移由0.608 mm減小至0.604 mm，減幅為0.66%。

4)30#和31#承臺底部的水平位移平均值分別由1.719 mm和1.662 mm減小至1.674 mm和1.628 mm，減幅分別為3.32%和2.75%。

5)30#和31#墩臺的最大水平位移分別由1.928 mm和1.956 mm減小至1.871 mm和 1.906 mm，減幅分別為2.96%和2.56%。

由此表明，隨著地連墻混凝土彈性模量的增大，墩臺的最大豎向位移、最大水平位移及承臺底的水平位移平均值均表現(xiàn)為減小的趨勢，即增大混凝土彈性模量有利于控制橋梁結構變形，但控制效果有限。

3.2 基坑降水形式對橋梁位移的影響

分別研究了分層降水、一次性降水等基坑降水形式下橋梁墩臺最大水平位移，其模擬值及擬合曲線如圖4所示。圖4中，橋梁墩臺最大水平位移隨開挖深度的變化采用二次函數(shù)表示，擬合相關系數(shù)均大于0.94，擬合效果較好；基坑降水增大了墩臺的最大豎向位移，這是由降水引起地層沉降導致；分層降水在基坑開挖過程中的最大豎向位移小于一次性降水，但最終沉降值較一次性降水要大。

采取一次性降水措施后，30#橋墩的最大水平位移由分層降水和無降水的1.896 mm和2.017 mm減少至1.267 mm，31#橋墩的最大水平位移由分層降水和無降水的1.927 mm和1.939 mm減小至1.310 mm；當不考慮降水時，30#橋墩的水平位移不滿足小于2mm的要求，而31#橋墩的水平位移亦接近臨界值。因此，實際工程中應及時采取降水措施以保證施工質量。

a) 橋墩的最大豎向位移

b) 承臺和墩臺的最大水平位移圖3 橋梁位移隨地連墻混凝土彈性模量變化曲線

b) 31#橋墩最大豎向位移

c) 30#橋墩最大水平位移

d) 31#橋墩最大水平位移圖4 不同降水形式下橋梁位移隨基坑開挖深度變化曲線Fig.4 Curve of bridge displacement changing with foundation pit excavation depth under different dewatering forms

3.3 鋼支撐體系布置對橋梁位移的影響

和平站基坑共設置5道支撐。為探究鋼支撐體系的布置對橋梁結構的影響，本文依次設置了4種工況進行研究，分別為：①工況1(設置5道支撐，其中第1道為混凝土支撐，其余4道為鋼支撐)；②工況2(去除第2道支撐)；③工況3(去除第4道支撐)；④工況4(同時去除第2、第4道支撐)。各工況下橋墩變形如圖5所示。由圖5可見：

1)鋼支撐道數(shù)的減少，增大了31#橋墩的最大豎向位移，但減小了30#橋墩的最大豎向位移；第4道支撐較第2道支撐更有利于控制基坑豎向變形；工況4對于基坑豎向變形控制效果更加明顯。

a) 最大豎向位移

b) 最大水平位移圖5 不同鋼支撐體系布置下橋梁的最大位移Fig.5 Maximum bridge displacement under different steel support system arrangements

2)對于水平位移，鋼支撐道數(shù)的減少使得橋梁結構變形超限。第2、第4道支撐的去除對基坑水平位移的影響相當，同時去除2道支撐加劇了橋墩變形。對于30#橋墩，第2、第4道支撐的去除使得墩臺最大水平位移由1.896 mm增加至2.975 mm，增幅為56.91%；而對于31#橋墩，墩臺最大水平位移則由1.927 mm增至2.631 mm，增幅為36.53%。由此表明，鋼支撐對于橋墩變形控制效果顯著，應保證鋼支撐體系的支撐效果。

4 某特大橋橋墩變形控制措施

4.1 橋墩變形數(shù)值模擬分析

本文研究4種工況下某特大橋的橋墩變形：工況1(未采用加固措施)，工況2(僅采用隔離樁)，工況3(僅采用旋噴樁)，工況4(同時采用隔離樁及旋噴樁)。各工況下的地連墻和橋墩變形如圖6所示。由圖6可見：

1)工況2～4的計算結果相當，表明橋墩加固措施對于控制地連墻變形效果顯著。因此，在地連墻變形控制方面，無需采取多種橋墩加固措施。

2)對于30#橋墩，工況3和工況4能滿足施工要求。相對于無加固措施，工況3中，橋墩最大水平位移由2.104 mm減小至1.720 mm，減幅為18.25%；橋墩最大豎向位移由0.849 mm減小至0.645 mm，減幅為24.03%。工況4中，橋墩最大水平位移由2.104 mm減小至1.940 mm，減幅為7.79%；橋墩最大豎向位移由0.849 mm減小至0.389 mm，減幅為54.18%。

3)對于31#橋墩，工況2和工況4能滿足施工要求。工況2中，橋墩最大水平位移由2.580 mm減小至1.729 mm，減幅為32.98%；橋墩最大豎向位移由0.861 mm減小至0.315 mm，減幅為63.41%。工況4中，橋墩最大水平位移由2.580 mm減小至1.484 mm，減幅為42.48%；橋墩最大豎向位移由0.861 mm減小至0.272 mm，減幅為68.41%。綜上所述，同時采用隔離樁和旋噴樁才能保證橋墩的變形控制要求。

a) 地連墻水平位移

b) 30#墩臺最大水平位移

c) 31#墩臺最大水平位移圖6 不同加固工況下地連墻和橋梁的最大水平位移

4.2 橋墩變形現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬對比分析

對橋梁的沉降、傾斜及橋墩水平位移等項目進行了現(xiàn)場監(jiān)控量測。選取30#橋墩的JGS3、JGS6、JGC14-5、JGC14-6測點及31#橋墩的JGS9、JGS10、JGC14-9、JGC14-10測點進行監(jiān)測。橋墩測點平面布置如圖7所示。依托工程采用隔離樁及旋噴樁的加固措施，將現(xiàn)場監(jiān)測值與本文數(shù)值模擬值進行對比，如圖8所示。

a) 30#橋墩

b) 31#橋墩

a) 30#橋墩水平位移

b) 30#橋墩豎向位移

c) 31#橋墩水平位移

d) 31#橋墩豎向位移

由圖8可見，橋墩的水平位移及豎向位移隨監(jiān)測時間的變化規(guī)律可采用二次函數(shù)擬合表征，擬合相關系數(shù)均大于0.98。和平站基坑開挖70 d后，橋梁的變形能基本保持穩(wěn)定，30#橋墩的JGS3、JGS6測點的最終水平位移分別為0.918 mm和0.830 mm，JGC14-5、JGC14-6測點的最終豎向位移分別為0.522 mm和0.451 mm；31#橋墩的JGS9、JGS10測點的最終水平位移分別為0.862 mm和0.789 mm，JGC14-9、JGC14-10測點的最終豎向位移分別為0.342 mm和0.317 mm。由此表明，現(xiàn)場采取的橋墩加固措施能有效控制橋墩變形，這與已有研究結論相一致[13]。但橋墩變形監(jiān)測值與模擬值存在一定的差異性，考慮為計算模型的簡化等因素造成。

5 結論

1)增大地連墻混凝土的彈性模量有利于控制橋墩變形但控制效果有限。當彈性模量由25.5 GPa增至37.5 GPa時，30#橋墩最大豎向位移和最大水平位移的減幅分別為0.29%、2.96%，31#橋墩最大豎向位移和最大水平位移的減幅分別為0.66%、2.56%。

2)考慮到基坑降水增大了墩臺的豎向位移，但減小了其水平位移，為保證橋墩的水平位移控制要求，實際施工中需及時采取降水措施。

3)和平站基坑“同時去除第2、第4道支撐”的鋼支撐體系布置形式能有效控制橋墩變形。

4)數(shù)值模擬和監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，和平站基坑的橋墩保護控制措施能有效保證橋墩變形的控制要求，在基坑開挖70 d后橋墩變形趨于穩(wěn)定。