高架橋橋基與地下車站深基坑近距離施工相互影響分析

周 超，丁春林，李桂穎，朱海星

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804; 2.中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司，安徽 合肥 230012）

國內(nèi)外許多學(xué)者開展了基坑下穿高架橋施工的研究。木林隆[1]提出了基坑開挖對鄰近樁基豎向和水平向影響的兩階段分析方法。Zhang[2]基于HS-Small 本構(gòu)模型建立了地鐵基坑緊鄰既有橋樁開挖的有限元模型，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)證明了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。胡軍[3]以深基坑鄰近高速鐵路橋基開挖為背景，發(fā)現(xiàn)深基坑開挖導(dǎo)致基坑底部隆起,圍護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)發(fā)生移動，且樁基上部變形較大,下部變形較小?，F(xiàn)有研究主要圍繞既有橋基修建下穿基坑，通過對橋基周圍土體加固來控制基坑和橋基之間的相互影響。本文重點(diǎn)關(guān)注高架橋需要和深基坑同步施工，基于高鐵高架橋橋基穿越在建臺州某車站地鐵深基坑施工技術(shù)，利用Midas GTS NX 軟件，對高鐵橋基和地鐵深基坑全生命周期施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過有限元分析得出兩者受力變形變化規(guī)律，為工程安全順利進(jìn)行提供理論依據(jù)。

1 工程概況

1.1 場地土條件與車站結(jié)構(gòu)

臺州某地下車站為市域鐵路S1 線與S2 線的換乘站。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，該工程場地屬沖海積平原區(qū)，地形平坦開闊，深厚層軟土為該工程的主要特殊巖土，深度可達(dá)70 m。軟土地基的強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差和不均勻沉降及變形大等，是主要工程地質(zhì)問題?？碧缴疃确秶鷥?nèi)的土層自上而下分為8 個(gè)主要土層，特殊巖土主要包括淤泥、淤泥質(zhì)黏土和黏土。地層主要物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)表Tab.1 Physical mechanical parameters of soil layer

該車站為東西向布置的地下3 層車站。主體長約232 m，深度約31.41 m?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐。地下連續(xù)墻厚度為1 150～1 250 mm，深度為67～71 m?；觾?nèi)部從上至下依次設(shè)有4 道混凝土支撐，2 道鋼支撐?；炷林螢?00 mm×1 200 mm 的矩形截面，支撐采用C30 混凝土；鋼支撐采用直徑為800 mm 的鋼管，鋼管壁厚為16 mm?；拥撞繛镃20 混凝土墊層，厚度為20 cm。

高架橋橋基第22～23 跨穿越了S2 線在建深基坑，橋梁承臺距離基坑邊緣僅0.6 m。高架橋樁基為泥漿護(hù)壁法施工的鉆孔灌注樁，樁長77 m，直徑1.25 m，樁間距為3.6 m，距離承臺邊緣1 m，采用梅花形布置；承臺厚2.2 m，寬5.6 m，長7.7～30.8 m，為現(xiàn)澆施工。橋墩高11 m，橋梁待基坑和橋基施工完成后架設(shè)。高架橋橋基與S2 線基坑斷面如圖1所示。

圖1 高鐵橋基與基坑斷面示意圖（單位：m）Fig.1 Cross section of foundation pit and overpass bridge foundation（Unit：m）

1.2 施工過程介紹

工程地質(zhì)為深厚軟土，為了保障開挖過程中基坑與高鐵橋基的穩(wěn)定性，在開挖過程中嚴(yán)格依照“時(shí)空效應(yīng)”理論[4-6]。主要施工步驟分為以下3個(gè)階段。

階段1：基坑在縱向分為6 層，每次開挖前都應(yīng)該在對應(yīng)位置及時(shí)設(shè)置支撐，待支撐達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度85%以后，方可開挖基坑?；娱_挖過程中遵守“隨挖隨撐，嚴(yán)禁超挖”的原則，從上至下依次開挖?；娱_挖至基底后，應(yīng)減少基底暴露時(shí)間，在清除完基底棄土后，盡早施作基坑底板，以保證基坑穩(wěn)定性。

階段2：待基坑開挖完成并施作底板后，進(jìn)行高鐵橋基施工。

階段3：待高鐵橋基施工完成后，進(jìn)行基坑回筑與支撐的拆除工作。

2 施工數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算理論

本文在施工模擬計(jì)算中，對深厚軟土層采用了修正Mohr-Coulomb 模型（MMC），該模型常用于淤泥軟土或砂土的數(shù)值分析[7]。MMC 模型中，土體的硬化可以分為兩個(gè)部分：剪切硬化和壓縮硬化。剪切硬化用于模擬主偏量加載產(chǎn)生的塑性應(yīng)變，壓縮硬化用于模擬各向同性加載中主壓縮產(chǎn)生的塑性應(yīng)變。

2.1.1 剪切硬化

MMC 模型為雙曲線模型，其屈服條件由剪切硬化和壓縮硬化組成，其相應(yīng)的剪切硬化屈服函數(shù)f 表達(dá)式如

式中：E50為三軸壓縮試驗(yàn)中的割線剛度；Eur為卸載彈性模量；γp為塑性切應(yīng)變函數(shù)，和式（2）相同，也由E50和Eur決定；q 為偏應(yīng)力，qa為MMC 雙曲線模型漸近線對應(yīng)偏應(yīng)力。

2.1.2 壓縮硬化

上述剪切硬化不能解釋土體在等向壓縮過程中產(chǎn)生塑性體積應(yīng)變這一現(xiàn)象，因此在剪切屈服面基礎(chǔ)上引入壓縮硬化橢圓屈服面來包圍靠近水平軸向的彈性區(qū)域。壓縮屈服函數(shù)（橢圓形）如

式中：α 為相關(guān)的輔助參數(shù)，由正常固結(jié)下K0決定；為偏應(yīng)力的一種特殊應(yīng)力測量，和土體的φ 角有關(guān)；P 為平均應(yīng)力；Pp為先期固結(jié)壓力，由切線剛度Eoed決定等。

E50、Eur、Eoed由決定。其中應(yīng)力相關(guān)冪指數(shù)m，軟件中有推薦取值；本次計(jì)算中c、φ、ES按場地土勘察地質(zhì)資料取值，其他各模量按經(jīng)驗(yàn)[8]取值如

2.2 計(jì)算模型

本計(jì)算模型如圖2 示。模型結(jié)合了工程場地實(shí)際地質(zhì)情況，土層采用修正摩爾庫倫本構(gòu)模型，土層參數(shù)按照地質(zhì)勘測報(bào)告數(shù)據(jù)選取。用三維實(shí)體單元模擬土層，用板單元模擬地下連續(xù)墻，用結(jié)構(gòu)單元模擬基坑樁基與支撐。

圖2 計(jì)算模型圖Fig.2 Calculation model

高架橋橋基施工模擬計(jì)算時(shí)，通過先后激活設(shè)置的樁基單元、承臺單元和橋墩單元，根據(jù)其自重應(yīng)力場變化來模擬高架橋整體橋基施工。

結(jié)合實(shí)際情況，邊界條件的設(shè)置為：模型四周設(shè)置法向水平位移約束，底部設(shè)置X，Y，Z 方向的位移約束，頂部邊界為自由表面。

模型基坑寬為23.7 m，深度為30.8 m，土體選用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，計(jì)算模型沿S2 基坑長度方向?yàn)?60 m，模型高度為100 m，沿基坑寬度方向?yàn)?09.3 m。

2.3 計(jì)算工況模擬

數(shù)值模擬過程分為三個(gè)階段，11 個(gè)工況。階段1 進(jìn)行基坑開挖，共7 個(gè)工況（S1～S7）；階段2 進(jìn)行高鐵橋基，共1 個(gè)工況（S8）；階段3 進(jìn)行基坑支撐拆除，共3 個(gè)工況（S9～S11）。

工況1（S1）：施作第1 道支撐，并開挖第1 層土；

工況2（S2）：施作第2 道支撐，并開挖第2 層土；

工況3（S3）：施作第3 道支撐，并開挖第3 層土；

工況4（S4）：施作第4 道支撐，并開挖第4 層土；

工況5（S5）：施作第5 道支撐，并開挖第5 層土；

工況6（S6）：施作第6 道支撐，并開挖第6 層土；

工況7（S7）：施作基坑底板；

工況8（S8）：高鐵橋基施工；

工況9（S9）：撤除第5、第6 兩道內(nèi)支撐，施做基坑中二板和第3 層的內(nèi)襯墻；

工況10（S10）：撤除第4、第3 兩道內(nèi)支撐，并施做第2 層內(nèi)襯墻以及中一板；

工況11（S11）：撤除第2、第1 兩道內(nèi)支撐，并施做第一層內(nèi)襯墻以及基坑頂板。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 基坑開挖結(jié)果分析

3.1.1 基坑地表沉降變形

當(dāng)基坑開挖完成后取垂直基坑縱向跨中截面處數(shù)值模擬結(jié)果，將采樣點(diǎn)從工況1 開挖至工況7地表沉降變化繪制成圖3 所示。

圖3 基坑跨中截面地表沉降圖Fig.3 Settlement of foundation-pit mid-span section

分析可知，基坑地表最大沉降出現(xiàn)在距離基坑大約10 m 的位置?；娱_挖至坑底時(shí)，最大沉降為37.65 mm。工況2 沉降增幅為50%，工況3 增幅為58%，工況4 增幅為43%，工況5 增幅為16%，工況6 增幅為3%，工況7 增幅為5%。當(dāng)基坑開挖至工況2～工況4 區(qū)間時(shí)，地表沉降增加幅度較大，這是因?yàn)楣r4 之前土層主要為強(qiáng)度很低的淤泥，且土層性質(zhì)變化較大，在施工時(shí)應(yīng)注意監(jiān)測。

3.1.2 地下連續(xù)墻側(cè)向變形

取地連墻跨中斷面為采樣截面，按采樣點(diǎn)結(jié)果將地下連續(xù)墻側(cè)向變形繪制成圖4 所示。

圖4 不同工況下地下連續(xù)墻側(cè)向變形圖Fig.4 Graph of lateral deformation of diaphragm wall under different working conditions

分析可知，隨著基坑開挖，地下連續(xù)墻的位移逐漸增大，且最大位移位置隨基坑開挖深度增加而下移，最終最大位移大致出現(xiàn)深度為25 m 處，距離基坑底部約5.8 m，位移量為38.5 mm。說明超深基坑地下連續(xù)墻位移發(fā)生在基底以上一定距離處，與普通基坑地連墻最大位移發(fā)生在基底以下不同。這是因?yàn)樯喜客翆有再|(zhì)要比基底以下土層性質(zhì)差，已產(chǎn)生較大變形[9]。當(dāng)基坑開挖至工況2～工況4 區(qū)間時(shí)，地連墻側(cè)向位移發(fā)展明顯，在施工時(shí)應(yīng)對相應(yīng)位置做好加固措施，并定期監(jiān)測。

3.2 高鐵橋基施工影響分析

3.2.1 基坑地表沉降變形

基坑開挖完成并封底后，需要進(jìn)行高鐵橋基施工。高鐵橋基施工前后基坑地表采樣點(diǎn)位置處沉降數(shù)值模擬對比結(jié)果如圖5 所示。

圖5 橋基施工前后基坑地表沉降圖Fig.5 Surface settlement of foundation pit before and after bridge foundation construction

可以發(fā)現(xiàn)，基坑地表最大沉降為41.26 mm，距離基坑約10 m。相比高鐵橋基施工之前，沉降增大3.61 mm，說明基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)效果較好。

3.2.2 地下連續(xù)墻側(cè)向變形

橋基施工完成后，按采樣點(diǎn)結(jié)果繪制地下連續(xù)墻位移如圖6 所示，發(fā)現(xiàn)橋基施工并未對地連墻側(cè)移產(chǎn)生明顯影響，峰值僅增大0.2 mm。

圖6 橋基施工前后地連墻側(cè)移圖Fig.6 Lateral deformation of diaphragm wall before and after bridge foundation construction

3.2.3 高鐵橋墩變形

高鐵橋基施工后，由圖7 所示的變形云圖可知，承臺外側(cè)沉降比內(nèi)側(cè)大，這是因?yàn)樯罨娱_挖導(dǎo)致了周圍土體的變形，使得距離基坑邊緣10 m內(nèi)，基坑地表沉降呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，10 m 以外沉降開始減小。由于高鐵橋基承臺距離基坑邊緣僅0.6 m，因此承臺外側(cè)距離基坑邊緣距離較遠(yuǎn)，其沉降比承臺內(nèi)側(cè)沉降大。在施工高鐵橋基時(shí)，需注意周圍土體變形，以減小承臺的沉降差，同時(shí)需要注意土體沉降引起負(fù)摩擦力，從而加大樁身應(yīng)力[10]。可以對樁基一定范圍內(nèi)土層，采用高壓旋噴樁等措施進(jìn)行加固，以減小樁基沉降[11]。

圖7 高鐵橋基豎向變形云圖Fig.7 Contour diagram of vertical deformation of highspeed railway bridge foundation

3.3 基坑支撐拆除變形分析

3.3.1 基坑變形

橋基施工完成后，基坑后期撤除內(nèi)支撐，施做內(nèi)襯墻和中隔板對基坑和高鐵橋基變形也會產(chǎn)生影響。拆撐過程中的跨中截面基坑地表變形隨施工推進(jìn)變化趨勢如圖8 所示。

圖8 基坑拆撐回筑后基坑地表沉降Fig.8 Surface settlement of the foundation pit after braces demolition of foundation pit

由于地連墻的圍護(hù)作用和邊拆邊回筑的車站中隔板的支撐作用，且數(shù)值模擬忽略了混凝土拆撐過程機(jī)械破除對結(jié)構(gòu)的擾動，該階段并未引起明顯基坑變形。但現(xiàn)場混凝土支撐常需要繩鋸切除和機(jī)械破除，有的支撐甚至需要爆破拆除，因此需要在支撐兩端圍檁靠近地下連續(xù)墻處設(shè)置好能量隔離孔，以減小爆破對地下連續(xù)墻的損害。

3.3.2 高鐵橋墩變形

支撐拆除后高鐵橋基變形云圖如圖9 所示。承臺外側(cè)最大沉降為4.1 mm。與拆撐之前相比，沉降有所增長。由拆撐完成后基坑地表變形和橋基承臺沉降可知，拆撐和車站回筑會導(dǎo)致基坑和橋基沉降增加，但由于車站結(jié)構(gòu)也具有一定支撐作用，變形增長主要是由于施工擾動引起，結(jié)構(gòu)物整體變形量不明顯，穩(wěn)定性和安全性可以得到保證。

圖9 基坑拆撐回筑后高鐵橋基沉降Fig.9 Settlement of high-speed railway bridge foundation after braces demolition of foundation pit

4 現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場測試斷面在相應(yīng)的位置用鉆機(jī)鉆孔，先開孔做鋼管保護(hù)井（孔徑150 mm，深度50 mm），再鉆孔130 mm，深950 mm 的測孔，且必須破開結(jié)構(gòu)性表層，然后打入標(biāo)準(zhǔn)螺紋鋼標(biāo)志點(diǎn)，最后在測孔周邊填滿細(xì)砂石防止監(jiān)測點(diǎn)左右擺動，并按照距離基坑1，6，11，16，21 m 布置測點(diǎn)。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，整理得到基坑地表沉降現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)值模擬結(jié)果對比如圖10 所示。

圖10 地表沉降與現(xiàn)場實(shí)測對比圖Fig.10 Comparison graph of surface settlement between on-site measurement and numerical calculation results

現(xiàn)場實(shí)測基坑地表最大沉降為55.64 mm，相應(yīng)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果為42.83 mm, 數(shù)值模擬結(jié)果比實(shí)測結(jié)果地表沉降小23%左右，并且兩者反映出相同的規(guī)律，即隨著距基坑距離增大，地表沉降先增大后減小。實(shí)測結(jié)果略大是因?yàn)閷?shí)際施工可能出現(xiàn)基坑超挖、基坑有一定暴露時(shí)間、支撐架設(shè)和開挖不是完全同步以及機(jī)具擾動等[12]。地表沉降最大處均發(fā)生在10～15 m 內(nèi)，說明了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

地連墻的現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)值模擬的對比結(jié)果如圖11 所示。在基坑開挖完成后，地連墻最大側(cè)移位于25 m 深度左右。其中現(xiàn)場實(shí)測最大側(cè)移48.75 mm，數(shù)值模擬最大側(cè)移為39.4 mm，僅相差19.1%?，F(xiàn)場實(shí)測沉降比數(shù)值模擬結(jié)果更大，是實(shí)際施工過程中存在各種施工機(jī)具擾動導(dǎo)致。兩者變化趨勢與拐點(diǎn)深度接近，可見數(shù)值模型結(jié)果具有較強(qiáng)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

圖11 地連墻側(cè)移現(xiàn)場實(shí)測與計(jì)算結(jié)果比圖Fig.11 Comparison graph of lateral displacement for diaphragm wall between on-site measurement and numerical calculation results

5 結(jié)論

1）基坑開挖階段，基坑最大沉降發(fā)生在距離基坑邊緣約0.4 倍基坑寬度，地表最大沉降為37.65 mm；地下連續(xù)墻最大位移出現(xiàn)在靠近基底上部，原因是基坑上部主要為黏土層，被動區(qū)土體性質(zhì)很差，基坑內(nèi)側(cè)設(shè)有支撐，導(dǎo)致地下連續(xù)墻側(cè)向位移峰值向下移動。

2）在高架橋橋基施工后，由于承臺外側(cè)基坑地表沉降處于發(fā)展階段，導(dǎo)致其外側(cè)沉降比承臺內(nèi)側(cè)沉降大。為減小橋基和基坑施工之間的相互影響，可以對橋基周圍土體進(jìn)行加固，以減小鄰近橋樁的內(nèi)力。

3）基坑回筑與支撐拆除階段，基坑地表沉降和高鐵橋基沉降影響很小。需制定好拆撐方案，邊拆邊回筑，減小基坑的暴露時(shí)間，避免支撐拆除導(dǎo)致相鄰支撐軸力過大或損傷地下連續(xù)墻。

4）基坑地表最大沉降計(jì)算值比實(shí)測值約小23%，地連墻側(cè)移峰值計(jì)算值比實(shí)測值約小19.1%。這與實(shí)際開挖過程中基坑暴露時(shí)間、基坑排水以及機(jī)具擾動等因素有關(guān)；兩者反映出相同的變化規(guī)律，說明結(jié)果具有一定可靠性。