某城市地道深基坑開挖對橋樁影響有限元分析

宋歡藝

(廣州市市政工程設計研究總院　廣東廣州　510060)

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某城市地道深基坑開挖對橋樁影響有限元分析

宋歡藝

(廣州市市政工程設計研究總院廣東廣州510060)

在城市高架下建設下穿地道，須評估地道基坑開挖對已建高架橋梁結構產生的不利影響。為評估橋梁結構的安全提供可靠依據，和今后類似工程問題的處理提供相關經驗，文章通過有限元分析軟件，建立三維模型，分別模擬各個開挖工況，得出基坑開挖時橋梁樁基承臺的側向變形和附加內力。

基坑開挖;有限元;下穿地道;跨線橋

0　引言

廣東省佛山市某城市下穿地道工程，位于佛山市南海區大瀝鎮鹽步片區。現狀交叉節點為佛山一環主線高架橋跨越廣佛新干線，新建地道為沿廣佛新干線下穿佛山一環高架橋底。下穿地道采用單箱雙室鋼筋混凝土結構，總寬度為28.9m，明挖施工。地道穿越處佛山一環主線高架橋分左右兩幅，簡支T梁結構，跨徑42m，橋下凈空約6m，兩側橋墩承臺之間的凈距離35.8m，承臺高2.25m。每個承臺下設4根Φ1500的鉆孔灌注樁，樁均為嵌巖樁，樁底進入巖層13.8m，包含強風化巖2.4m，中風化巖9.9m，微風化巖1.5m。基坑開挖邊線距離佛山一環橋墩約3.45m，基坑開挖最深處約13.5m。為保證佛山一環高架橋的正常運營安全，須評估地道基坑開挖對已建高架橋梁結構產生的不利影響。

圖1　基坑總體平面布置圖(mm)

圖2　基坑支護設計剖面圖(mm)

1　工程地質條件

圖1為該工程地道總體平面布置圖，圖2為該工程基礎支護設計剖面圖。根據鉆孔揭露，本場地區巖土層按成因可劃分為：①素填土層、②1淤泥質土層、②2粉砂層、②3中砂層、②4淤質粉砂層、②5粉質粘土層、②6中砂層、③殘積土層、④1強風化巖層、④2中風化巖層、④3微風化巖層。

地下水主要靠地下水循環補給，其次靠大氣降水滲入補給及附近地表水體向下滲入補給。本場地地下水位埋深為1.32～2.70m，水位高程1.17～1.55m。

土(巖)層的主要物理性質指標見表1。

表1　土(巖)層的主要物理性質指標

注: fak為地基承載力特征值，Es為壓縮模量。

2　基坑圍護方案及有限元分析

2.1基坑圍護方案

一環橋墩段地道基坑兩側采用Φ1 200鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁止水帷幕圍護結構，第一道支撐為800×800mm鋼筋混凝土支撐；第二、三、四道支撐為Φ609×16mm鋼管支撐。在一環橋下段基坑內部應進行高壓旋噴樁坑底滿堂加固，加固厚度為3m，水泥含量可試驗確定，以砂土形成硬化整體結構為宜，且水泥含量不宜小于35%。在橋梁承臺周圍采用高壓旋噴樁進行土體加固，地面層設30cm厚鋼筋混凝土板，板內設置U型鋼筋插入加固后土體。

2.2基坑開挖有限元分析

采用Midas-GTS軟件建立基坑開挖及橋梁樁基承臺三維模型[1,2]，模擬各個開挖工況，得出基坑開挖時橋梁樁基承臺的側向變形和附加內力[3](包括彎矩、剪力、軸力)，為評估橋梁結構的安全提供可靠依據。

2.2.1模型信息

基坑挖深最大為13.5m，根據圣維南原理，取3～5倍基坑開挖深度范圍為收斂區域，建立分析模型。模型沿地道基坑橫向(X向)為230m，沿縱向(Y向)為300m。模型上表面為現狀地面，考慮到圍護樁入土深度為20.8m、基坑周邊橋樁最大長度為41m，且下部土體主要為強～中風化巖層，取模型底面至上表面高度(Z向)為60m。整體三維模型尺寸(X×Y×Z)為230m×300m×60m，基坑開挖深度統一取為13.5m。模型總體坐標以向上為Z軸正向，沿地道基坑橫向為X軸正向，沿地道基坑縱向為Y軸正向。

模型中，內支撐、鉆孔灌注樁、跨線橋承臺及橋樁均按各向同性材料考慮；土體按理想彈塑性體考慮，選用德魯克-普拉格屈服準則。因止水樁與圍護樁剛度相差較大，計算過程中不考慮其抗彎性，將其作為安全儲備。

模型未考慮鉆孔灌注樁與土體之間的摩擦，統一等效為采用1.0m厚的地下連續墻模擬；基坑內支撐、冠梁、腰梁及橋樁采用梁單元模擬，通過單元的“激活、鈍化”實現土體開挖、結構施作等施工過程。施工過程中考慮20kPa的地表均布超載作用。橋樁及基坑處三維模型網格劃分如圖3所示。

圖3　橋樁及基坑處網格劃分圖

(1)位移邊界條件

地表為自由邊界條件；模型橫向(X向)位移限制為零，其它方向自由；模型底部邊界的豎向(Z)位移限制為零，其它方向自由。

(2)模擬計算工況

工況1：土體初始應力場計算，位移清零；

工況2：施工圍護結構樁、坑底以下高壓旋噴樁滿堂加固，位移清零；

工況3：開挖基坑內土體1m，并施加第一道混凝土支撐、冠梁及冠梁加寬段至橋樁承臺；

工況4：開挖坑內土體至距地表4.3m處，施作第二道腰梁和第二道鋼支撐；

工況5：開挖坑內土體至距地表7.5m處，施作第三道腰梁和第三道鋼支撐；

工況6：開挖坑內土體至距地表10.5m處，施作第四道腰梁和第四道鋼支撐；

工況7：開挖坑內土體至距地表13.5m處；

工況8：施工地道主體結構底板；

工況9：依次拆除第四道、第三道鋼支撐；

工況10：施工地道主體結構側墻、頂板。

在各工況連續計算中，位移和應力逐次累加，上一工況的位移和應力將作為下一工況的初始應力和位移狀態。

2.2.2結果分析

基坑開挖卸載、結構加載等行為均會造成周邊土體位移場和應力場的改變，這種變化會使包裹在地道周邊土層中的既有橋樁結構產生側向變形和附加內力(包括彎矩、剪力、軸力)。橋樁側向變形如圖4所示，橋樁附加彎矩如圖5所示，橋樁附加剪力如圖6所示，橋樁附加軸力如圖7所示。

圖5　橋樁附加彎矩圖

圖6　橋樁附加剪力圖

圖7　橋樁附加軸力圖

由計算可知，橋樁結構最大側向變形及內力隨基坑開挖深度的增大而增大。在拆除第四道、第三道鋼支撐后，變形及內力達到最大值。橋樁結構最大側向變形在距樁頂6.3m處，為2.73mm。附加彎矩最大值為464kN.m，附加剪力最大值為132kN，附加軸力最大值為-1870kN。

3　結語

通過基坑開挖三維模型有限元分析，得出基坑開挖時橋梁樁基承臺的側向變形和附加內力，為評估橋梁結構的安全提供可靠依據。解決了新建城市地道與城市已建高橋相交節點處的地道深基坑開挖對已建橋梁的影響分析問題，可為今后類似工程問題的處理提供相關經驗。

[1]王艷芳,范明橋,周密.明挖地鐵車站深基坑有限元分析與模擬[J].現代交通技術,2010,12:72-75.

[2]齊平魏,翠玲,顧志強.基坑有限元模擬及樁水平位移的影響分析[J].路基工程,2009,1:138-139.

[3]趙光輝,彭昊,高博.基于ANSYS 的某軟土基坑有限元分析[J].山西建筑,2012,6:83-84.

The Finite Element Analysis of Effects of Bridge Pile Under Deep Foundation Excavation of an Underpass Tunnel

SONG Huanyi

(Guangzhou Municipal Engineering Design &Research Institute,Guangzhou 510060)

The adverse effects of deep foundation excavation of an underpass tunnel under Overpass Bridge should be evaluated.The three-dimensional model is established by finite element analysis software.Every excavation conditions are simulated to for lateral deformation and additional internal force of bridge pile cap.Reliable basis is provided safety assessment of bridge structure.Some experiences are provided for similar projects.

Deep foundation excavation;Finite element;Underpass tunnel;Overpass bridge

宋歡藝(1984.12-)，男，一級注冊結構工程師。

E-mail:253380530@qq.com

2016-03-03

TU452

A

1004-6135(2016)05-0089-03