基坑開挖對周圍橋跨安全影響評估

1 工程概況

位于重慶南岸區的朝天門大橋A22號的橋臺是分屬于東引橋的橋臺，其橋臺的基面是處于原地平面線下的2m左右，并將它們按1、2、3、4號臺身來分，把每個臺身之間設置出2m左右的寬度來做沉降縫隙。A22號橋臺是屬于部分的鋼筋混凝土組成的結構。每個臺身間預留的輕軌通道的拱涵是處于中部位置，拱涵的基礎面試低于地平面大概7m處。而朝天門A22號橋臺東側是彈子石車站的基坑開挖場所在位置，所開挖的軌道基礎貫穿到了A22號橋臺所預留的輕軌通道拱涵，如圖1所示，所預留的輕軌通道的拱底寬9m，拱高7m。車站起始里程為YDK26+852.434，區間與南橋臺預留隧道接口里程為 YDK26+824.147，臺背起始里程為YDK26+812.323。A22號橋臺的基地高度大致為243，而南橋臺所預留的隧道至車站之間以及開挖處的高度大致為245，橋臺背部到那個區間的接口處用兩級來處理，分別是1：1和1：0.75的放坡段處理的方式。

車站到A22號橋臺臺背的距離大致為41米，車站到A22號橋臺所預留區間的隧道距離大致是30米。

2 建立模型與施工步驟

2.1 有限元模型建立

圖1 彈子石車站與朝天門大橋A22橋臺位置

（1）模型的尺寸分析。在模型中首先要計算模型的大致尺寸，在該研究中，模型邊界到基坑邊界應該如何取值：沿著橋跨延伸方向邊界取基坑寬度的4倍，而且要垂直于橋跨延伸方向的長度則要取基坑寬度的4倍，因此該模型的高度應該取基坑深度的5倍左右。模型三維尺寸為：330m×220m×100m。

（2）邊界的條件分析。需要合理計算出模型的底部所限制于垂直方向的自由度，在前后左右位置上則要限制于水平的自由度，地表面是屬于自由面。

（3）單元的選取分析。總體來看，在建造模型的過程中，圍巖所采用的六面體、五面體以及四面體的實體單元，而文章中所研究的朝天門大橋A22號橋臺是采用的四面體實體單元來建模的，它的灌注樁以及圍護樁則是采用的梁單元構造，格構柱、支撐、冠梁、格構柱以及連系梁都是采用的梁單元，在其中的噴射混凝土格構柱則是采用的面單元。我們可以按照設計圖紙來研究，并賦予了梁單元的截面優勢所在以及面單元的厚度優勢所在。

（4）屈服準則及計算方法的分析。我們所提到的計算模型是采用的MIDAS/GTS有限元軟件來完成，其中程序采用的是如何“激活和鈍化”這個單元的技巧來試驗彈子石基坑如何實施開挖及支護。文字所提到的巖土體材料的屈服準則則是采用的摩爾庫倫的屈服準則。模型網格劃分圖如圖2。

圖2 模型網格劃分圖

2.2 如何來確定施工步驟

如何來確定施工步驟，這個完全要依據他的分段分成守則來確定，這一整個計算過程都是采用的12個施工部在施工過程中所作的試驗。

施工步1—模擬所連接部分的排樁、冠梁以及連接段第一層施工的支撐位置，模擬所筑造的灌注樁、冠梁、排樁來施展工作；施工步2—模擬剛開始部分的圍巖在自身重量下所采用的一種應力狀態；施工步3—模擬所連接段部分的第二層的土體開挖，再模擬出一期所處的第一段第一層土體開挖，再確定如何支撐連接部分的第三道施工；施工步4—模擬出連接段的第一層土體如何開挖，一期第一道斜撐、連系梁，第二道支撐以及格構柱如何施工，模擬再確定如何支撐連接部分的第二段施工；施工步5—模擬出連接段的第三層土體如何開挖，再模擬一期的第二段第一層土體，第一段第二層的開挖，模擬出一期的第二道斜撐、支撐、連系梁的施工，使連接段的開挖到基部位置；施工步6—模擬一期第一段第三層、第二段第二層、第三段第一層土體的開挖，第一段開挖至基坑底部，模擬第三道斜撐、連系梁、支撐的施工；施工步7—模擬一期的第三段第三層土體開挖以及開挖到底部位置；施工步8—模擬一期的第三段第二層、第二段第三層的土體開挖則需要開挖到底部位置；施工步9—模擬出二期的排樁、灌注樁如何施工；施工步10—模擬出二期的第一段第一層土體如何開挖；施工步11—模擬二期第二段第一層、第一段第二層土體的開挖，在這個時候則第一段的開挖所完成；施工步12—模擬出第二段第二層土體如何來開挖，這時的基坑開挖基本上完成。

3 研究分析計算的結果

3.1 關于橋臺位置移動的分析

在前面的計算結果中分析并提取出了A22橋臺從第2施工步到第5施工步的位移分析，以及第12施工步所一一對應的位移數據圖形可以得出結論圖中，我們將A22號橋臺的模型構件取了A、B、C、D、E、F六部分作為觀察點來分析研究。見圖3。

圖3 A22號橋臺位移分析取點位置

通過以上的分析可知：①從豎向的位移變化來看，每個控制點是不規律的變動，這些主要能在預留的拱底（A和B點）這些部分看出，這兩個部分呈現的是均勻的向上隆起，其中最大的隆起數值大致為1.4mm；②由于A22號橋臺跟施工的基坑位置距離比較接近，其橫斷面的水平方向的位移變化幅度比較小，每個控制點的數值都控制在1mm以下。另外，C、E兩點處的橋臺的兩部分都呈現的是均勻隆起，它們的數值大致為0.77mm和0.79mm，這些數值算是比較小的。另外，我們還可以看出，橋臺的中間部分所預留的隧道拱頂D點初呈現的是垂直向下方向，這個數值很小，大致為0.02mm。因此我們也可以得出，A、B、D、F點和C、E點之間存在的最大位移差值大致為1.45mm，這些都可由應力進行分析，在不均勻沉降作用下得出這些因素都可能引起混凝土結構產生裂縫；③橋臺的中間部分所預留的隧道路線縱向部分的拱腳向上隆起，其產生的位移變化：G和H點最大豎向隆起位移0.72mm，A和B點為1.43mm，他們之間的差值大致為0.71mm，這可以判斷出橋臺不存在橋跨縱線方向傾倒穩定性的危險。

3.2 關于圍巖位置移動的分析

彈子石車站的圍巖位移逐漸增大是由于基坑開挖深度的不斷增大，其變形的方向向開挖兩側發展，這個差值是由第1施工步的零位移開始，受其初始應力作用下，其垂直水平方向的位移變化也在逐步增加。在橋臺30米影響區內，連接區間與車站基坑連接部位的最大的豎向位移出現在開挖完成后，最大值為7.29mm。見圖4。

圖4 車站基坑圍巖沉降云圖

4 小結

根據上述結果分析：①由于基坑開挖使圍巖產生應力重分布，導致橋臺受這些應用力的影響而產生位移變化。可以看出，預留的隧道拱涵所產生向上的位移變化是由于受基坑開挖與臺背放坡卸荷的影響，因此出現了隆起的現象；②橋臺中部F點和橋臺邊緣C、E點之間的最大位移差為1.45mm；③橋臺中部預留隧道線路縱線方向拱腳的G、H點最大豎向隆起位移，以及豎向向上隆起位移（A、B點），這兩個位移變化的差值大致為0.71mm，且得出橋臺不存在橋跨縱線方向的傾覆危險。

［1］GB50307-2012 地下鐵道、輕軌交通巖土勘察規范［S］.

［2］GB50157-2013 地鐵設計規范［S］.

［3］JTGD63-2007 公路橋涵地基和基礎設計規范［S］.

［4］TB10002.1-2005 鐵路橋涵設計基本規范［S］.

［5］GB50009-2012 混凝土結構設計規范［S］.