下穿既有高鐵橋梁基坑群開挖順序優(yōu)化研究

王文杰，鞠嘯童，朱利明，邵毅安

(1.江蘇雷威建設(shè)工程有限公司，江蘇 南京 210003；2.南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210009)

隨著城市地下空間的高速發(fā)展，越來越多的基坑工程臨近既有橋梁，這既加大了基坑開挖的難度，也對臨近橋梁產(chǎn)生了一定影響。如何在基坑施工期間減小對臨近既有橋梁的擾動是待解決的問題。

目前為止，相關(guān)學(xué)者對基坑群開挖對臨近橋梁的影響進(jìn)行了大量研究，周湘[1]利用數(shù)值模擬分析，模擬了基坑群4種不同開挖順序的工況，按照影響程度對橋墩差異沉降、橋墩豎向位移、水平位移、樁側(cè)土壓力、地表最大沉降等賦予不同權(quán)重，最終得出最優(yōu)開挖方案。衛(wèi)軍[2]基于基坑群運(yùn)用有限元軟件設(shè)計了4種開挖方案，分析了下穿盾構(gòu)隧道的豎向位移和周圍地層的豎向位移，研究表明對稱間隔式開挖為最優(yōu)施工方案。陳書申[3]采用能進(jìn)行全空間分析、自動協(xié)調(diào)變形的理正軟件分析了基坑的不同開挖順序，得出了最有利的順序是自基坑中部向四邊擴(kuò)展，但實際運(yùn)用中存在困難，最終采取了自近二角部位先挖而后漸次后退的順序。麻鳳海[4]、周凱強(qiáng)[5]、沈健[6]和袁順德[7]等人基于實際工程，利用有限元數(shù)值分析模型，總結(jié)了各種開挖情況，給出了各個基坑開挖順序?qū)こ逃绊懶〉淖顑?yōu)解。

綜上所述，基坑群的出現(xiàn)，導(dǎo)致土層應(yīng)力場及位移場不只是單個基坑簡單的線性疊加，尤其是在臨近高鐵橋梁的情況下，基坑群的不同施工順序?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)的影響會產(chǎn)生許多新問題。通過數(shù)值模擬及實測數(shù)據(jù)分析開挖基坑群時對既有高鐵橋墩的影響，為具有基坑群的工程提供參考。

1 工程概況

1.1 基坑工程概況

依托項目為杭州市市政道路頂進(jìn)箱涵工程，該工程沿線依次下穿滬昆鐵路和滬昆高鐵(杭深鐵路)橋。下穿滬昆鐵路采用頂進(jìn)法施工，共四組6孔框架頂進(jìn)下穿鐵路上、下行線兩股道路。滬昆高鐵(杭深鐵路)橋在滬昆鐵路東側(cè)。

頂進(jìn)箱涵工程中基坑群由滬昆鐵路西側(cè)基坑和滬昆鐵路東側(cè)U型槽基坑組成，滬昆鐵路西側(cè)頂進(jìn)工作坑由北至南，分別為1、2、3、4號基坑；U型槽基坑由NU1～NU5、ZU1～ZU5、ZU8～ZU9、YU1～YU5和YU8～YU9基坑組成。

將滬昆鐵路西側(cè)基坑由北向南劃分為1#基坑、2#基坑和3#基坑、四號基坑，滬昆鐵路東側(cè)基坑由北向南劃分為5#基坑、6#基坑和7#基坑。1#基坑坑深2.19～3.08 m；2#基坑坑深3.36～6.1 m；3#基坑坑深3.18～6.3 m；四號基坑坑深0.977 m；5#基坑坑深2.47～4.06 m；6#基坑坑深1.86～3.26 m；7#基坑坑深1.84～3.24 m。

1.2 滬昆高鐵橋概況

項目下穿滬昆高鐵(杭深鐵路)處鐵路橋梁為32 m簡支梁，梁底標(biāo)高6.24 m，橋臺頂標(biāo)高5.90 m。

滬昆高鐵為混凝土連續(xù)梁橋，基坑影響范圍錢江新橋由北向南依次是141#～145#墩范圍。在NU4-NU5 U型槽處高鐵橋墩距U型槽最近距離4.65 m，高鐵橋梁底距地面7.99～8.87 m。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁，基礎(chǔ)均為樁基礎(chǔ)，樁徑為1 m。

2 數(shù)值分析

建立計算建模時，采用MIDAS GTS NX大型巖土有限元分析軟件，為保證計算結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果相近，通過修正土層計算參數(shù)調(diào)整模型，參數(shù)選取如表1所示，采用修正摩爾庫倫本構(gòu)模型，該模型是一種彈塑性本構(gòu)，相對于M-C更接近于塑性理論，是一種將非線彈性和塑性聯(lián)合起來的組合模型?？梢阅M包括軟土和硬土在內(nèi)的不同類型的土體行為的彈塑模型，考慮了土體的剪脹性，并引入屈服蓋帽(Cap)，土體剛度與應(yīng)力相關(guān)。其他材料根據(jù)實際情況采用彈性本構(gòu)模擬。

有限元模型中土體、高鐵橋承臺、高鐵橋墩、普鐵路基和軌道采用3D單元模擬，橋樁、基坑支撐、基坑冠梁采用1D梁單元模擬，基坑圍護(hù)樁(鉆孔灌注樁和拉森鋼板樁)通過等效剛度轉(zhuǎn)換為地連墻2D板單元模擬，等效剛度轉(zhuǎn)換如下

表1 土層計算參數(shù)選取

(1)

式中：d為計算所得地連墻厚度；h為樁徑；D為樁間距。

為在計算模型中考慮樁土耦合作用，土體與橋梁樁基的接觸面添加了界面單元。模型四周施加位移約束，橋梁樁基施加扭轉(zhuǎn)約束，共計259 143個單元。

初始計算工況與實際施工工況對應(yīng)。模型計算時，基坑開挖對應(yīng)模型中鈍化土體單元，單個基坑均分兩層開挖至坑底。具體工況依次為：①初始地應(yīng)力分析；②施作橋梁、鐵路和既有U型槽；③基坑群圍護(hù)結(jié)構(gòu)依次施工；④開挖1#基坑，施作冠梁；⑤開挖3#基坑，施作冠梁和支撐；⑥開挖2#基坑，施作冠梁和支撐；⑦開挖5#基坑，施作冠梁和支撐；⑧開挖7#基坑，施作冠梁；⑨開挖6#基坑，施作冠梁；⑩開挖四號基坑，施作冠梁。

經(jīng)計算，將圍護(hù)樁在CX-4監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析，圍護(hù)樁的水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線對比如圖1所示。通過比較分析，模擬結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)較吻合，可以依據(jù)此數(shù)值模型進(jìn)行后續(xù)分析。

3 基坑群開挖順序?qū)蛄旱挠绊?/h2>

3.1 模擬基坑群開挖順序

基坑工程是一個三維空間結(jié)構(gòu)，基坑工程受分步和分階段開挖作用的綜合影響， 呈現(xiàn)典型的空間效應(yīng)，基坑變形的空間效應(yīng)不僅體現(xiàn)在基坑的幾何形狀及支護(hù)結(jié)構(gòu)上，還體現(xiàn)在基坑開挖不同先后開挖順序所形成的坑內(nèi)土體空間效應(yīng)。

圖1 圍護(hù)樁水平位移監(jiān)測與模擬對比

按照基坑群類型劃分，該工程基坑群可以劃分為雙側(cè)多坑[8]，因四號基坑開挖深度只有0.977 m且距離高鐵橋梁較遠(yuǎn)，故分析基坑群開挖順序時不考慮四號基坑。

從減小對高鐵橋梁擾動的角度出發(fā)，在對稱、高效的開挖原則下，優(yōu)化基坑群開挖順序，對比分析了對稱施工和分側(cè)施工中依次開挖和同時開挖4種方案[8]來模擬基坑過程中不同開挖順序，模擬施工順序如圖2所示。

圖2 模擬施工順序

方案一：該方案對稱施工依次開挖，基坑開挖先后順序為：1#基坑→5#基坑→2#基坑→6#基坑→3#基坑→7#基坑。

方案二：該方案對稱施工同時開挖，基坑開挖先后順序為：1#基坑、5#基坑→2#基坑、6#基坑→3#基坑、7#基坑。

方案三：該方案同時施工依次開挖，基坑開挖先后順序為：1#基坑→2#基坑→3#基坑→5#基坑→6#基坑→7#基坑。

方案四：該方案分側(cè)施工依次開挖，基坑開挖先后順序為：1#基坑、2#基坑、3#基坑→5#基坑、6#基坑、7#基坑。

3.2 計算結(jié)果分析

考慮到模型中模擬結(jié)果的相似性，結(jié)果標(biāo)記點(diǎn)均選取在橋墩上方靠近普速鐵路一側(cè)上。4種不同基坑群開挖方案完成時141#～145#橋梁墩頂最大沉降及水平位移值見表2和表3。

由表2、表3可知：開挖基坑群時，橋墩141#和橋墩142#受基坑群開挖影響最大，這是由于現(xiàn)場保留的U型槽及擋土墻對橋墩143#形成了有效的保護(hù)，而且144#和145#距離基坑群較遠(yuǎn)。在4種不同方案下的141#和142#墩頂累計沉降及水平位移曲線如圖3所示。

表2 橋墩沉降累計最大位移

表3 橋墩水平累計最大位移

圖3 不同方案141#～142#墩頂沉降和水平位移對比圖

由表2、表3和圖3可知。

(1)方案四基坑群分側(cè)施工同時開挖時，引起橋梁墩頂最大沉降值為-3.407 mm；方案一基坑群對稱施工依次開挖時，引起橋梁墩頂最小沉降值為-3.144 mm，均出現(xiàn)在142#墩頂，方案一比方案四中少了0.263 mm。

(2)在依次開挖和同時開挖的方案中對比橋梁墩頂沉降，其結(jié)果顯示為非線性疊加，同時開挖時的橋梁墩頂最終沉降不是單個基坑依次開挖導(dǎo)致墩頂沉降的線性疊加，約為線性疊加值的1.05～1.07倍，這與多個基坑同時開挖引起的土層應(yīng)力場、位移場的變化有關(guān)。同時開挖多個基坑，基坑暴露面積較大，更容易導(dǎo)致周圍土體的松動，造成土體位移場發(fā)生變化，再開挖后續(xù)基坑時，引起的橋墩變形必然加大。

(3)從橋梁墩頂橫向水平位移看，由于基坑群分布在橋墩東西兩側(cè)，雙側(cè)基坑對稱同步開挖對橋梁墩柱具有很好的保護(hù)效果。從橋梁墩頂縱向水平位移看，因為基坑群均分布在橋梁墩柱141#的南側(cè)，不同施工方案對橋墩141#變形影響差異不明顯；但是對于橋墩142#，基坑群分布在其南北兩側(cè)，方案四分側(cè)施工同時開挖可以較好地控制施工過程中的橋墩142#的縱向水平位移。

4 開挖最終地表沉降對比

4種基坑群開挖順序開挖后土體整體豎向位移表現(xiàn)為坑內(nèi)土體隆起，基坑周邊出現(xiàn)沉降槽，4種方案開挖完成后地面最大沉降分別為-20.783 mm、-22.096 mm、-21.545 mm、-23.947 mm。4種方案地表最終沉降分布圖見圖4至圖7。

圖4 方案一最終地表沉降云圖

圖5 方案二最終地表沉降云圖

圖6 方案三最終地表沉降云圖

圖7 方案四最終地表沉降云圖

由圖4至圖7可知：

(1)地表沉降最大均發(fā)生在2#基坑ZU1和3#基坑YU1之間，這是由于開挖過程對基坑中間土體影響較大，2#基坑和3#基坑開挖深度最大，同時沉降槽影響范圍在0.5倍開挖深度內(nèi)[13]，2#基坑和3#基坑最小間距為4 m，而地表沉降最大處就是2#基坑和3#基坑的公共沉降槽。

(2)最大地表沉降發(fā)生在方案四分側(cè)施工同時開挖，這是由于同時開挖基坑深度及面積最大的2#基坑和3#基坑，基坑暴露面積大，基坑周圍土體應(yīng)力場發(fā)生變化，導(dǎo)致沉降增大。

5 綜合分析最優(yōu)開挖順序

從以上對4種方案開挖順序引起的墩頂沉降、墩頂橫向水平位移、墩頂縱向水平位移和周邊地表沉降項對比分析可以看出，并無一種絕對在各項都占優(yōu)的開挖順序。故從減小高鐵橋梁擾動的角度出發(fā)，采用最優(yōu)分析法[1]尋求最小擾動方法，各對比項分配權(quán)重如下：橋墩墩頂沉降、橫向水平位移和縱向水平位移權(quán)重各0.3，周邊地表沉降0.1。任一項較優(yōu)者記90分，其次者記85分，再次者記80分，最差者記75分。

(1)經(jīng)計算，以橋墩141#為研究對象，各方案得分見表4。

表4 橋墩141#得分表

最終，方案一得分87分，方案二得分為81.5分，方案三得分為80.5分，方案四得分81分。

(2)經(jīng)計算，以橋墩142#為研究對象，各方案得分見表5。

表5 橋墩142#得分表

最終，方案一得分84分，方案二得分為83分，方案三得分為83.5分。方案四得分79.5分。方案一得分均為最高分，故方案一對稱施工依次開挖為最優(yōu)方案。

6 結(jié) 論

(1)整體來講，高鐵橋梁下基坑群的4種不同開挖方案對周邊地表和高架橋墩的影響不同，通過最優(yōu)分析法分析得出方案一對稱施工依次開挖為最優(yōu)開挖方案，對周邊土體和高鐵橋墩擾動相對較小。

(2)方案二在高鐵橋墩兩側(cè)對稱施工同時開挖可以有效的控制橋墩的橫向水平位移。對于基坑群分布在其南側(cè)橋梁墩柱141#，不同施工方案對其縱向水平位移影響差異不明顯；但是對于基坑群分布在其南北兩側(cè)的橋墩142#，方案四分側(cè)施工同時開挖可以較好地控制施工過程中的橋墩142#的縱向水平位移。

(3)在依次開挖和同時開挖的方案中對比橋梁墩頂沉降，其結(jié)果顯示為非線性疊加，墩頂沉降在基坑群同時開挖中約為依次開挖中的線性疊加值的1.05～1.07倍。

(4)采取的方案中，高鐵橋梁墩柱產(chǎn)生較大的變形，實際施工時可采用地基加固等方式減小橋梁變形，同時需加強(qiáng)對高鐵橋梁的監(jiān)測。