基坑開挖對高鐵橋墩位移影響的有限元分析

趙 娜

(中鐵上海設計院集團有限公司南京設計院 南京市 210000)

隨著鐵路網的逐步完善，臨近高鐵橋墩的基坑開挖也逐漸增多。基坑開挖導致周圍土體產生位移，進而引起臨近高鐵橋梁的樁身、承臺及橋墩產生位移。當位移大到一定的數值時，將直接影響鐵路運營的安全性和舒適性。基坑開挖對臨近建筑物的影響，已經引起了工程界的重視[1-5]，因此，探討基坑開挖施工對臨近高鐵墩的位移影響可為相關實際工程提供一定的理論依據，很有實踐意義。

本文以實際工程為背景，對比分析了同一基坑開挖對不同距離的高鐵橋墩的橫橋向、順橋向和沉降方向的位移影響，研究結果可為同類工程設計及施工提供重要參考。

1 工程簡介

本工程基坑開挖平面為13.0m×13.0m，開挖深度為4m，沿基坑四周封閉施打樁長為9m的IV型拉森鋼板樁支護，距支護頂緣0.5m處沿橫橋向均勻設置一道3根鋼橫撐，橫撐采用圓柱型、中空的Ф609mm鋼管。既有高鐵承臺尺寸為10.08m×7.3m×2.5m，承臺頂距地面線距離為0.5m；既有樁基采用10根Ф1m鉆孔樁，樁長為35m。為了對比分析，基坑邊緣距既有高鐵承臺尺寸n分別取1m、3m、5m、7.5m、10m、15m、20m、25m、30m。

土層計算參數結合工程的地質勘察報告和相關的工程經驗按表1進行取值。

2 基坑圍護結構穩定性的驗算

MIDAS GTS有限元軟件模擬基坑開挖是基于基坑圍護結構自身穩定性滿足規范要求的前提，即基坑支護體系有效的前提，因此先對基坑自身穩定性進行分析。

表1 土層參數表

采用理正深基坑軟件模擬基坑開挖施工過程，采用《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120-2012)規范進行驗算，基坑圍護結構安全等級為一級。主要驗算基坑整體穩定性、抗傾覆穩定性、圍護結構內力和變形，本文基坑穩定性計算過程省略，在此，僅列出計算結果。

表2 基坑圍護結構穩定性驗算匯總

由表2可知，基坑圍護結構自身穩定性是滿足規范要求的。

3 基坑開挖對既有橋墩的有限元分析

3.1 有限元模型建立

就基坑開挖問題，國內外應用較多的研究方法是有限元法，該方法可以用于求解非線性問題，可在計算過程中模擬各種復雜的材料本構關系，易于處理非均勻介質問題、模擬各向異性材料，能夠適應各種復雜的邊界條件。

采用有限元計算軟件MIDAS GTS建立三維模型進行數值計算分析。模型中土體的本構模型采用莫爾-庫倫模型，土層計算參數結合工程的地質勘察報告和相關的工程經驗按表1進行取值。樁土相互作用采用界面單元處理。土層模型底部施加豎向滑動約束，兩側施加水平滑動約束，模型表面為自由邊界。結合土層特點及施工經驗，以考察基坑開挖施工對既有高鐵橋墩的橫橋向(既有高鐵橋)、順橋向和沉降方向的位移影響。本文僅對n取10m的有限元結果進行展示，對n取1m、3m、5m、7.5m、10m、15m、20m、25m、30m的有限元計算結果用于對比分析。

3.2 有限元施工模擬

根據已有文獻和工程經驗，當土體計算模型平面尺寸與結構平面尺寸之比大于3～5時，邊界效應的影響已經很小，因此計算模型(n取10m)在順橋向(X方向)取95m，橫橋向(Y方向)取113m，沉降方向(Z方向)取65m。

為了綜合考慮具體的施工狀態，最大限度地模擬工程實際情況，在MIDAS GTS有限元軟件中通過激活樁墻，凍結開挖范圍內土體單元，模擬基坑開挖過程：步驟一：初始地應力平衡；步驟二：施打鋼板樁+基坑土體至第1道支護+內撐；步驟三：基坑土體開挖至坑底。

3.3 有限元計算結果

圖4～圖9為n取10m時第1次開挖和第2次開挖橋墩X向、Y向和Z向的位移云圖。從圖中可以看出第1次基坑開挖X向最大位移發生在靠近基坑側承臺位置，為1.8036×10-5m；Y向最大位移發生在承臺下緣位置，為4.7914×10-4m；Z向最大位移發生在遠離基坑側承臺位置，為-3.3524×10-4m。第2次基坑開挖X向最大位移發生在靠近基坑側承臺位置，為8.7185×10-6m；Y向最大位移發生在橋墩墩頂位置，為1.7979×10-3m；Z向最大位移發生在靠近基坑側承臺位置，為1.1214×10-3m。

3.4 不同距離的計算結果對比分析

基坑邊緣距既有橋墩承臺邊緣的距離n依次取1m、3m、5m、7.5m、10m、15m、20m、25m、30m，分別建立相同施工步驟的有限元模型，對第1次開挖和第2次開挖引起的橋墩最大順橋向(X方向)、橫橋向(Y方向)、沉降方向(Z方向)位移進行對比分析，繪制出其位移變化曲線如圖10～圖12。

可以看出，隨著基坑距既有橋墩距離的增大，基坑開挖對既有鐵路橋墩各方向位移的影響逐漸減小，其計算結果可以真實地反映基坑工程的實際情況；基坑開挖對橫橋向(Y方向)、沉降方向(Z方向)位移的影響明顯大于對順橋向(X方向)位移的影響；面積為13m×13m、深4m的基坑，距既有橋墩距離大于15m時，橋墩各方向的位移小于1mm，可以認為此時基坑開挖對橋墩基本無影響。

4 結論

主要對比分析了面積為13m×13m、深4m的基坑距既有橋墩不同距離時引起既有橋墩的位移變形影響，從計算結果對比分析中可以看出：基坑開挖對橫橋向(Y方向)、沉降方向(Z方向)位移的影響明顯大于對順橋向(X方向)位移的影響；面積為13m×13m、深4m的基坑，距既有橋墩距離大于15m時，橋墩各方向的位移小于1mm，可以認為此時基坑開挖對橋墩基本無影響。

隨著基坑面積的增大、基坑深度的加深對既有橋墩產生的位移影響，以及不同基坑支護剛度及不同土層參數等對位移變形的影響，筆者將在后續進一步研究。