地鐵深基坑不同施工進尺對鄰近橋墩及下跨拱涵影響數值分析

胡治東，韋良文，2

（1.重慶交通大學 土木建筑學院，重慶400074；2.重慶交通大學山區橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地，重慶400074）

1 引言

地鐵作為一種城市交通工具，不僅能給人們帶來方便快捷的出行，還能緩解城市的交通壓力，在能源存量日益減少的今天，地鐵更是一種環保出行的不二選擇。但地鐵車站及其區間段多位于人口密集區域，地鐵的施工不免會對鄰近建筑物造成影響。如何減小地鐵區間段以及車站施工對臨近構筑物的變形影響便成了設計、施工時面臨的重要問題。基坑開挖施工時對臨近構筑物的影響這一問題，國內外學者開展了大量的研究［1～3］，李棟［4］等針對重慶軌道交通地鐵六號線花卉園到大龍山區間研究了在盾構機開挖施工時產生的動荷載作用下，小凈距隧道的穩定性；李志高［5］等研究了在上部基坑開挖施工時，對下跨隧道的變形控制方法。筆者以重慶軌道交通環線渝魯站至五里店站區間的明挖段項目為背景，采用數值分析方法對深基坑施工于鄰近橋墩以及下跨拱涵的變形影響特性進行了分析。

2 工程概況

重慶軌道交通環線的渝魯站至五里店站區間明挖段，其西側為沖壓廠高架橋，其東側為慶業九寨及其魯能星城等居民住宅區。工程場地位于構造剝蝕丘陵地貌，外露地層參數由上自下分別為：第四系全新統填土層（Q4ml），殘坡積層（Q4el＋dl），侏羅系中統沙溪廟組（J2s）沉積巖層。沿線的主要地下水源來自基巖裂隙水及第四系松散層的孔隙水。明挖段設計起訖里程YDK22＋946.403～YDK23＋356.500，在回填土層采用放坡支護，本次分析選取西鄰沖壓廠高架橋及下跨排水拱涵的放坡支護段。

基坑開挖放坡邊緣最近距西側高架橋橋墩2m，基底距下跨排水拱涵最小為1.1m。開挖邊坡采用錨噴支護，支護參數為：R42錨桿L＝10m＠1.2m＊1.2m，0.2 m厚噴射混凝土。放坡典型橫斷面（適用于YDK22＋076.9520～YDK＋152.3840）見圖1。

圖1 基坑橫斷面

3 數值計算及結果分析

3.1 計算模型

采用ANSYS軟件進行計算，模型長100m，寬100m，高度60m。地鐵開挖基坑西側為沖壓廠高架橋橋墩，從南往北分別為9＃、10＃、11＃橋墩，墩底擴大基礎均嵌入基巖，橋墩直徑為2m。在開挖基坑下、靠近11＃橋墩基礎橫跨排水拱涵，見圖2。

圖2 有限元模型

3.2 計算條件

工程場地施加20kPa地面超載，墩頂支座施加5270KN集中荷載。材料物理力學參數見表1。模型通過殺死不同數量的單元來模擬不同開挖進尺對橋墩及排水拱涵的影響。

表1 材料參數

3.3 計算結果

通過有限元模型不同進尺開挖模擬地鐵基坑施工過程對鄰近橋墩及排水拱涵的影響。25m開挖進尺共7個施工步，50m開挖進尺共8個施工步，不同開挖進尺模型見圖3、圖4。

圖3 25m開挖進尺

圖4 50m開挖進尺

3.3.1 位移分析

經計算，隨著基坑開挖深度增加，西側橋墩及其基礎的豎向位移逐漸增加，而基坑不同的開挖進尺對豎向位移的影響亦不同。水平開挖進尺為50m時，11＃橋墩基底、墩頂最大豎向位移分別為7.17mm、6.57mm；開挖進尺為25m時，11＃橋墩基底、墩頂最大豎向位移分別為6.65mm、6.15mm。不同計算步時的位移變化曲線見圖5、圖6。

圖5 11＃橋墩基底豎向位移曲線

圖6 11＃橋墩墩頂豎向位移曲線

不同開挖進尺對10＃橋墩橫向位移曲線見圖7。在基坑開挖過程中，10＃橋墩向基坑方向偏移量逐漸增大，最終趨于穩定。50m開挖進尺最大偏移量為18.81 mm，25m開挖進尺最大偏移量為14.96mm。

圖7 10＃橋墩墩頂橫向位移曲線

基坑開挖后，由于基底應力釋放，導致下跨排水拱涵產生豎向位移，基底正下方拱頂位移值最大。不同開挖進尺開挖后拱涵的豎向位移見圖8、圖9，50m開挖進尺開挖后拱涵最大豎向位移值為18.75mm，25m開挖進尺開挖后拱涵最大豎向位移值為17.45mm，見圖10。

圖8 50m進尺開挖拱涵豎向位移

圖9 25m進尺開挖拱涵豎向位移

圖10 排水拱涵豎向位移曲線

對比分析不同開挖進尺對橋墩及排水拱涵的位移影響可知，小進尺開挖位移量均小于大進尺開挖位移量，對鄰近結構較大進尺開挖有利，說明深基坑施工中采用較小的施工進尺對臨近構筑物的位移、變形有一定的控制效果。

3.3.2 應變分析

對比分析不同開挖進尺開挖基坑后橋墩及拱涵的第一主應變區域大小可知，25m開挖進尺開挖基坑后橋墩及拱涵的應變區域略小于50m開挖進尺，表明小進尺開挖對應變也有一定控制作用，但作用不明顯，見圖11、圖12。

圖11 不同開挖進尺橋墩第1主應變

4 結論

通過有限元軟件ANSYS分析研究不同水平施工進尺開挖深基坑對鄰近橋墩及排水拱涵影響特性得到如下結論。

圖12 不同開挖進尺拱涵第1主應變

（1）基坑施工過程中不同水平進尺開挖對鄰近橋墩及排水拱涵的位移有不同影響。小進尺開挖可以有效降低對臨近構筑物的位移作用。

（2）隨著基坑開挖深度的增加排水拱涵上部應力逐漸釋放，基坑正下方拱涵拱頂上凸，對結構不利。

（3）不同的開挖進尺開挖后對鄰近結構產生的應變場不同，小進尺開挖較為有利。

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