某新建建筑對既有拱涵影響分析

左 利 兵

(中煤科工集團重慶設計研究院有限公司，重慶 400042)

0 引言

隨著城市快速發展，建設用地日趨緊張，新建建筑與原有市政管網的沖突越來越凸顯。如若處理不慎，將會對管網造成損壞，影響工程進度，嚴重的將會影響人民正常生活和城市運行秩序。尤其是當原管線位于填土內時，影響更為劇烈。如何減小甚至避免風險是當前工程中所亟待解決的問題。

拱涵作為一種拱式結構，利用其良好的抗壓性能及泄水能力大特點，在城市排洪體系中得到廣泛的應用。相關研究表明，加筋可改變涵頂上方填土應力分布，柔性填料、先填后挖法等可有效減小涵頂土壓力[1，2]；增加拱的厚度、增大基坑開挖深度及減小拱的跨度及凈高，可以有效提高工程保護效果[3]。但當拱涵已經形成，后期施工活動中如何對其進行保護、減小影響作用是所要面臨的問題。

本文采用數值分析研究方法，結合一具體工程實例，對新建建筑采用大直徑樁轉換結構跨越原有市政排洪拱涵，探討了該種方式的可行性及其處理效果，為今后類似的工程提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 概況

新建項目共包含G1號～G4號四棟高層建筑及地下車庫、商業，建設場地位于已有市政排洪管線范圍內。新建建筑為框架剪力墻結構，采用樁基礎。排水拱涵整體位于填土內，拱涵斷面為直墻圓拱型，基礎底板及涵臺均為C20混凝土，拱圈為C30混凝土，拱圈兩側為M7.5水泥砂漿砌片石，拱涵基礎以下填充部分為換填片石。市政排水拱涵工程已于2012年9月完成竣工投入使用。新建項目與市政排水拱涵的位置關系見圖1，其中與排洪拱涵有直接影響的為新建G3號、G4號樓。

1.2 地質情況

排洪拱涵位于填土內，其中G3號樓位置處排洪拱涵地基換填地層片石坐落于基巖上，G4號樓位置處排洪拱涵在回填土中穿過。G3號樓拱涵頂部距離地面約18 m，G4號樓拱涵頂部距離地面約16 m，根據JTG D70—2004公路隧道設計規范[4]判定穿越本項目場地的排水拱涵圍巖等級為Ⅴ類。

1.3 設計方案

排洪拱涵的存在直接影響擬建項目基礎布置。根據保護方案設計采用跨越結構，在排洪拱涵兩側布置大直徑跨越樁，樁與樁之間由承臺梁連接，形成剛度較大的承臺梁平臺跨越排洪拱涵，對拱涵保護距離上部的豎向構件進行轉換，如圖2所示。

1.4 風險源分析

排洪拱涵已于2012年竣工投入使用，目前由于地形及周邊環境的變化，其作用已減弱，但仍保留存在。擬建項目實施過程中首先為基坑開挖，然后修建裙樓及塔樓，對排洪拱涵的影響為先卸載后加載的過程，風險源主要有：

1)擬建項目分布有地下車庫，基坑開挖過程卸荷會導致排洪拱涵產生向上的豎向位移，若變形較大可能會影響排洪拱涵結構安全與運營安全。

2)基坑開挖過程中，排洪拱涵結構部分區域圍巖壓力可能產生變化。

3)基坑開挖及結構加載可能導致拱涵產生偏壓，產生不均勻沉降，對拱涵受力產生不利影響。

4)基坑開挖及主體結構加載，可能導致拱涵周邊產生新的塑性區，影響拱涵穩定性。

5)裙樓及塔樓完成以后建筑附加荷載可能會導致隧道結構及圍巖內力變化，影響其結構安全與正常使用。

2 數值模擬

2.1 分析模型

利用Midas/GTS有限元軟件建模分析，巖土體采用平面應變單元，視為Mohr-Coulomb彈塑性材料，樁、梁及拱涵混凝土結構采用線彈性模型[5]。綜合考慮建筑荷載對拱涵的有效影響范圍及邊界效應影響，計算模型范圍向兩側及底部擴展,有限元分析模型見圖3。

2.2 參數取值

根據地質勘察資料及排水拱涵竣工資料，數值分析巖土體力學參數取值見表1。

表1 巖體物理力學參數計算值

數值分析荷載條件根據設計單位提供的基礎平面布置圖及荷載值，大直徑跨越樁基礎荷載分別包含軸力、彎矩、剪力，內力見表2。

表2 跨越樁的基礎內力

3 結果分析

按項目修建順序，在拱涵存在的情況下模擬場地平場、基坑開挖及建筑物基礎加載等工況。第一步模擬拱涵存在時的初始狀態。擬建項目實施前排水拱涵已正常運行數年，填土固結沉降已基本完成。第二步模擬基坑開挖。基坑開挖巖土體將發生回彈變形，引起圍巖周邊巖土體應力發生變化。第三步模擬建筑物基礎加載。隨著地上部分的逐層施工，荷載逐步施加，回彈變形消失并演化為向下的豎向變形，巖土體應力亦隨之變化。

3.1 位移變形分析

基坑開挖后，釋放巖土體重力荷載，排水拱涵隨基坑底部一起發生整體回彈(向上位移)，見圖4；G3號樓樁基礎加載完成后加載再壓縮，使拱涵產生整體的向下位移，見圖5，各代表性點的位移變化值見表3。

表3 G3號樓剖面拱涵位移計算統計表 mm

基坑開挖后最大豎向變形2.98 mm，回彈變形引起的拱涵基礎傾斜率為(2.98 mm～2.14 mm)/13 100 mm≈0.006%，換填片石傾斜率為0.002%；加載后最大豎向變形18.48 mm，基礎及換填片石層傾斜率分別為0.040%,0.044%，均滿足GB 50007—2011建筑地基基礎設計規范限值要求。

其中拱圈頂部基坑開挖后豎向回彈值為2.69 mm，基礎加載后下沉17.79 mm，根據《公路隧道設計規范》，拱頂下沉允許值為3 mm≤ξ≤24 mm，拱涵在該項目基坑開挖及擬建物加載后拱頂變形位移量滿足規范要求，未產生規范不允許的沉降值。拱涵在建筑物基坑開挖、基礎加載后洞周水平位移收斂值見表4，小于0.1%，滿足規范要求。

表4 洞周水平相對收斂值計算

G4號樓位置填土厚度大，排洪拱涵基礎換填片石層位于填土上，分析結果顯示基坑開挖后最大回彈變形18.59 mm，基礎傾斜率為0.016%，換填片石層傾斜率為0.017%；樁基礎加載后，最大變形30.27 mm，基礎傾斜率0.070%，換填片石層傾斜率為0.075%；洞周水平位移收斂值小于0.1%，亦滿足要求。但基坑開挖后拱頂最大上浮量為14.04 mm，加載后最大下沉量達25.73 mm，已超過規范要求，須采取措施。

設計方案在填土范圍內樁側設置柔性隔離材料，減少樁基礎荷載通過填土傳遞到拱涵四周。模擬采取隔離措施后，得到豎向位移云圖見圖6，加載后最大下沉量為18.09 mm，此時各項變形指標均滿足規范要求。

3.2 內力分析

表5 G3號樓剖面拱涵應力計算成果表 kPa

通過模擬計算(如圖7所示)得到應力計算成果見表5，結果表明，G3號樓位置拱涵施工完畢后拱體產生的拉應力較小，最大為179.5 kPa，出現在拱涵C20基礎位置，C20混凝土涵臺內側壓應力最大，為2 429 kPa；基坑基槽開挖后，最大拉應力及壓應力有所減?。患虞d后最大拉應力增大為212.1 kPa，仍位于拱涵C20基礎位置，最大壓應力稍有增大。拱涵結構拉、壓應力均未超過材料的抗拉強度和抗壓強度?；A加載后，拱涵不會因應力超過材料強度而發生破壞。G4號樓位置拱涵內力值明顯較小，填土的變形作用使得應力重新分布，緩解了集中現象。

拱涵形成后在基礎下方換填片石層兩側出現小范圍塑性區，隨著項目實施，該區域的塑性區分布范圍及數值變化較小，仍然集中在拱涵換填片石層區域，在拱涵結構及基礎部分未見產生塑性區。基坑開挖和修建建筑物后，拱涵處于穩定狀態。

4 施工質量控制

本措施最大風險在于樁施工過程，因此在實施過程中應采取如下保證措施：

1)場地填土厚度大，跨越樁直徑較大，樁成孔過程中容易產生垮孔，加強護壁，樁孔形成后及時澆筑，防止垮孔對排洪拱涵產生不利影響。

2)樁身四周設置柔性隔離材料，設置范圍控制在拱涵片石換填層標高以下不小于3 m。通過隔離材料的設置將有效減小樁基礎荷載通過填土傳遞到拱涵四周，保證絕大部分荷載傳遞至中等風化巖層中。

3)加強跨越樁和承臺梁的整體剛度，并保證樁頂與承臺梁的有效連接，保證樁與承臺梁協同工作。

4)施工過程中采取跳樁開挖，同時嚴禁場地周邊爆破施工、強夯及其他引起振動的活動，盡量減少對拱涵周邊土體產生擾動。

目前新建建筑已施工完畢，施工過程正常，未發生異常情況，排洪拱涵正常運行；工后監測結果正常，新建建筑及拱涵結構穩定。

5 結語

1)對深厚填土中的拱涵，新建建筑采用跨越樁和承臺梁結構轉換的措施對拱涵進行保護的方案可行，風險可控。

2)對拱涵影響范圍內的樁身采取隔離措施，通過隔離材料的設置將有效減小樁基礎荷載傳遞到拱涵四周，保證絕大部分荷載傳遞至深層巖土層中，可有效減小對拱涵的影響。