開挖基坑對高鐵橋梁基礎沉降影響的有限元分析

劉　龍

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300142)

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開挖基坑對高鐵橋梁基礎沉降影響的有限元分析

劉龍

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300142)

【摘要】文章介紹了高鐵結構沉降、變形的評估準則；采用有限元方法分析該問題的研究思路以及有限元模型的建立方法；以實際項目為背景，通過有限元分析，計算得基坑施工中及竣工后對既有高鐵橋梁基礎沉降的影響，驗證施工方案的可行性。

【關鍵詞】有限元；高鐵橋梁；基礎沉降；評估準則

1項目背景及施工方案介紹

大龍河發源于大興黃村新城南部，向南、向東穿越京開高速路、六環路，沿京九鐵路線北側下行，經吳莊、魏善莊、河南辛莊、安定鎮后，于白塔村東與小龍河匯合，于佟營村東出大興區境入河北省，最終匯入永定河。大龍河現狀存在防洪排水能力不足、河道構筑物需改建等問題。為了提高大興新城及沿線鎮區的防洪排水能力，改善河道周邊的環境狀況，需對大龍河下穿京滬普速鐵路和京滬高鐵段河道進行拓寬改造。

大龍河拓寬工程先后經過京滬普速鐵路及京滬高鐵，下穿京滬普速鐵路時采用頂進框構方式施工。大龍河下穿京滬高鐵北京特大橋，交叉處附近五孔梁均采用32 m簡支箱梁，橋梁高度約8.5 m，橋墩為流線型圓端實體墩，承臺尺寸為7.1 m×10.4 m，采用鋼筋混凝土摩擦樁基礎，樁徑1.0 m，樁長44～46 m。位于京滬高鐵北京特大橋F23#橋墩下的改造河道施工過程中開挖的基坑面積為48.33 m×39.0 m，深約2.7 m。基坑防護樁距離F22#橋墩最近為6.93 m，距離F24#橋墩最近為5.34 m。基坑及支護平面如圖1所示。

圖1　大龍河河道改造工程基坑及支護平面

由于既有京滬鐵路與京滬高鐵距離較近，因此將既有京滬鐵路下的頂進框構工程一并考慮進來，先施工既有京滬鐵路下的框構，再拓寬高鐵下河道并完成鋪砌。大龍河拓寬工程擬采用的施工方案為：準備頂進工作坑；框構澆筑并頂進；施工高鐵下河道基坑的防護樁；由于基坑正位于高鐵橋下，考慮在高鐵橋梁附近的基坑分五段開挖、鋪砌河槽，以盡量減少開挖過程中對土體的擾動，減小對高鐵橋梁的影響。

2高速鐵路構筑物(路基和橋梁)沉降評估標準

TB 10621-2014《高速鐵路設計規范》明確給出了工后沉降的定義、橋梁工后沉降量及差異沉降量限值要求，其內容如下：

(1)第2.1.9條給出工后沉降的定義：以鋪軌工程完成以后，基礎設施產生的沉降量為工后沉降。

(2)第7.3.10條給出橋梁墩臺基礎的沉降應按恒載計算，其工后沉降量不應超過表7.3.10限值，表7.3.10如表1所示。

表1　靜定結構墩臺基礎工后沉降限值　mm

(3)第7.3.9 條給出墩臺橫向水平線剛度需要滿足高速行車條件下列車安全性和旅客乘車舒適度的要求，并應對最不利荷載作用下墩臺頂橫向彈性水平位移進行計算。

在ZK活載、橫向搖擺力、離心力、風力和溫度的作用下，墩頂橫向水平位移引起的橋面處梁端水平折角應不大于1.0‰ 弧度。

3拓寬河道對高鐵橋梁基礎沉降的有限元分析

3.1模型的建立

采用巖土有限元程序MIDAS-GTS進行分析計算拓寬河道引起的鐵路橋梁基礎的沉降及水平變形。

模型建模思路為首先建立各土層及既有京滬高鐵承臺、樁基，將上部結構及橋墩的荷載加在承臺上，以此作為初始階段；然后建立基坑防護樁、框構工作基坑、框構橋及河道改造基坑的模型，根據施工階段激活或鈍化相應單元及荷載，計算河道改造施工過程中及竣工后對既有京滬高鐵橋梁基礎的影響。因此，模型計算中考慮如下施工步驟，分別為：

(1)施加土層自重計算初始地應力。

(2)添加京滬高鐵結構單元，施加荷載并計算京滬高鐵工后沉降，作為計算初始階段。

(3)建立頂進框構工作坑周圍的基坑防護樁單元(1.25 m樁徑)。

(4)開挖頂進框構工作坑。

(5)頂進框構。

(6)建立高鐵橋下改造河道工作坑周圍的基坑防護樁單元(1.0 m樁徑)。

(7)為減小施工對京滬高鐵橋墩的影響，將工作坑細分為U-1～U-5五部分按順序施工，在每一部分開挖完成后施工河槽鋪砌、導流堤及河道擋墻。該范圍內的河道擋墻施工方法為在基坑防護樁上掛網噴厚20 cm的C 25混凝土而成。

各節段基坑分步開挖尺寸見表2所示。

表2　京滬高鐵橋下基坑開挖各節段尺寸　m

(8)全部河槽施工完成后施加水壓力荷載。

為消除計算邊界效應的影響，考慮施工過程中的空間效應，計算模型取其有效影響范圍，即模型沿X方向取250 m，沿Y方向取200 m，土層總深度65 m。計算模型中土體采用三維四面體單元模擬，橋墩承臺及框構橋采用板單元模擬，橋墩樁基礎及基坑防護樁采用梁單元模擬，河道鋪砌及水壓力換算為等效均布荷載施加于模型中。土體采用修正摩爾-庫倫模型模擬土的本構關系，模型頂面取為自由邊界，底面采用豎向約束，其它面均采用法向約束(圖2、圖3)。

圖2　京滬高鐵承臺及樁基位置

圖3　各工作坑位置

3.2材料參數

根據地質資料，各個土層的具體參數取值如表3所示。

京滬高鐵橋墩承臺、框構結構、樁基及基坑防護樁的混凝土視為彈性材料，材料參數如表4所示。

3.3有限元計算

經計算，京滬高鐵橋墩基礎各控制階段沉降結果匯總詳見表5、表6，各階段沉降曲線詳見圖4、圖5。圖、表中數值正值代表隆起，負值代表沉降。

表3　土層參數

表4　結構材料參數

表5　京滬高鐵橋墩基礎各控制階段累計沉降　mm

表6　京滬高鐵橋墩基礎各控制階段差異沉降　mm

圖4　京滬高鐵橋墩基礎各階段累計沉降曲線

圖5　京滬高鐵橋墩基礎各施工階段差異沉降曲線

京滬高鐵橋墩基礎各階段水平變形結果匯總詳見圖6、圖7。圖中順橋向變形正值代表向小里程方向變形，負值代表向大里程方向變形。橫橋向正值代表向大里程左側方向變形，負值代表向大里程右側方向變形。

圖6　京滬高鐵橋墩基礎各階段順橋向附加水平變形曲線

圖7　京滬高鐵橋墩基礎各階段橫橋向附加水平變形曲線

3.4計算結果分析

(1)按照前文給出的高鐵構筑物沉降控制標準，即墩臺均勻沉降為20 mm，相鄰墩臺的沉降差為5 mm。通過上述計算結果可知，京滬高鐵橋墩單墩累計沉降最大為2.231 mm(F23#墩，竣工后)，單墩累計隆起最大為2.51 mm(F23#墩，U-4開挖階段)，均滿足規范要求的20 mm限值；各個階段相鄰橋墩的差異沉降最大為2.231 mm(F23#與F24#墩、U-4開挖階段)，滿足規范要求的5 mm限值。

(3)河道改造施工及竣工后引起的橫橋向水平變形增量最大為1.02 mm，即引起梁體的最大水平折角0.03‰，滿足《高速鐵路設計規范》中規定的梁端水平折角不大于1‰的要求。

綜上所述，本工程制定的施工方案在施工過程中及竣工后對既有京滬高速鐵路的橋梁、軌道及線上設備等基本無影響，能夠保證鐵路的運營安全以及平順性，該方案是可行的。

4總結

本文介紹了高鐵構筑物沉降的評估標準，對相關工程進行沉降評估具有一定的借鑒意義。鑒于高鐵結構的重要性及其對結構沉降的嚴格要求，在既有高鐵橋梁下的基坑開挖建議采用基坑防護樁支擋并在保證經濟性、工期的基礎上適當細分基坑開挖節段，以減少對既有高鐵橋梁的擾動。通過實例分析，提供了開挖基坑對高鐵橋梁沉降分析的有限元建模分析思路。在實例分析中詳述了工程的施工方案并驗證了施工方案的可行性，對今后類似工程有一定參考價值。

參考文獻

[1]鐵三院. 橋梁地基和基礎[M].北京:中國鐵道出版社,2002.

[2]朱彥鵬. 支擋結構設計計算手冊[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2008.

[3]劉興旺, 施祖元, 益德清,等. 軟土地區基坑開挖變形性狀研究[J]. 巖土工程學報, 1999, 21(4):456-460.

[4]楊敏, 周洪波, 楊樺. 基坑開挖與臨近樁基相互作用分析[J]. 土木工程學報, 2005, 38(4):91-96.

[5]孫宗磊, 李悄. 石濟客專橋梁下穿京滬高鐵沉降影響分析[J]. 鐵道工程學報, 2013(2):53-57.

[6]周超. 寧蕪貨線隧道下穿京滬高鐵方案設計[J]. 鐵道勘測與設計, 2012(1):8-12.

[7]杜平安. 有限元網格劃分的基本原則[J]. 機械設計與制造, 2004(1):34-36.

[8]張浪. 淺析橋梁基坑防護樁施工設計[J]. 建材與裝飾, 2015(4).

[9]TB 10621-2014 高速鐵路設計規范[S].

[10]TB 10002.3-2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范 [S].

[作者簡介]劉龍(1989～)，男，碩士研究生，助理工程師。

【中圖分類號】TU434

【文獻標志碼】A

[定稿日期]2016-01-22