高架橋下基坑開挖次序對橋墩變形的影響分析

麻鳳海，陳薈茹，韓 碩

(大連大學建筑工程學院，大連 116622)

隨著中國城市交通的迅速發展，城市交通網絡密度愈來愈大，不可避免地會遇到城市交通線路與既有輕軌高架橋交叉的情況。由于基坑-土體-周邊結構相互作用的復雜性，單一的解析理論具有相當大的局限性，因此越來越多的科研工作人員運用數值模擬來預測分析基坑開挖對既有結構的影響。Yu等[1]分析了單一基坑開挖對臨近橋墩樁基的影響；Ding等[2]結合武漢地鐵穿越輕軌樁基工程，利用有限元數值模擬軟件進行分析，結果表明基坑開挖引起的水平位移比豎直位移更明顯；周湘等[3]研究了不同的基坑開挖次序引起的地層位移及周邊建筑結構響應較為不同；鄭剛等[4]利用數值分析手段對基坑開挖所引發的鄰近建筑物的變形進行分析；丁勇春等[5]研究在確保高架橋結構安全的前提下如何順利實施深基坑安全施工建設；潘振華[6]研究了深基坑開挖及抽水過程對高速鐵路橋梁樁基變形的影響規律及范圍；胡斌等[7]以武漢地鐵某深基坑工程為研究背景，研究在復雜路段下地鐵車站深基坑圍護結構的變形規律與深基坑開挖對上跨高架橋墩的影響作用；梅禎等[8]研究了基坑與結構水平間距對地鐵高架結構變形的影響；霍雷聲等[9]研究表明合理的基坑開挖順序對橋墩變形能有效控制。

理論分析及工程實測表明，深基坑開挖引起相鄰高架橋墩位移變形是由多種因素導致。為此，以某市雙地道基坑開挖為背景，運用數值模擬與監測數據結合的方法，明確表明為減少基坑開挖產生的影響應優先從輕擾動入手并且在基坑施工至承臺處時應加強防護與監測。

1 工程概況

項目為東西走向的地道工程，地道主體結構采用雙孔雙向矩形斷面，每孔矩形斷面內尺寸為9.45 m×5.10 m。地道暗埋段與地鐵輕軌高架橋相交叉，為避讓既有橋墩及其基礎，地道暗埋段分為東向和西向兩條單孔箱涵結構，并在靠近兩側峒口處通過Y形交叉點合二為一，形成雙孔箱涵結構，暗埋段單孔箱涵凈寬約 9.0 m，凈高約 5.30 m，暗埋段雙孔箱涵每孔的凈尺寸與單孔箱涵相同；敞開段為U形敞開結構，凈寬度約18.5 m。北線地道暗埋段結構頂最大覆土厚約為4.2 m，南線地道暗埋段結構頂最大覆土厚約為3.0 m。下穿地道基坑開挖深度約為0.0～11.6 m，與輕軌樁基交叉處地道基坑開挖深度約為7.2 m。圖1為擬建地道與既有高架橋ZS56、ZS57、ZS58號橋墩的位置關系。

圖1 立面位置關系

2 基坑開挖施工模擬

地道基坑土方開挖是卸荷過程，隨著基坑開挖土體內應力場失衡致使致周圍土體向基坑開挖方向移動，造成圍護結構產生豎向位移和水平位移[10]。根據工程勘察資料及高架橋設計文件資料來建立MIDAS-GTS三維數值模型，模擬基坑開挖全過程，分析各施工階段下開挖引起高架橋橋墩的位移變形及安全影響。

2.1 模型的建立

根據工程實際情況，建立MIDAS-GTS三維有限元數值模型，計算模擬區域以受影響地鐵高架區間結構為中心向四周擴展。為了確保三維模型有足夠的計算精度并保證計算效率，模型尺寸為沿地道主體方向取140 m，寬度方向取100 m；垂直方向上從地面向下共40 m。模型中，地層、高架橋墩、承臺、樁基礎、地道結構采用3D實體單元模擬，鉆孔灌注樁及拉森鋼板樁采用2D等效板單元模擬，止水帷幕采用界面單元模擬，鋼管支撐及壓頂梁采用1D梁單元模擬，錨桿采用植入式桁架單元模擬。三維模型共劃分528 531個單元，302 085個節點。三維有限元模型和結構模型分別如圖2、圖3所示。

圖2 三維有限元模型

圖3 結構模型

地道下穿既有地鐵輕軌線路高架區間，其中地道鄰近的高架橋橋墩號分別為ZS56、ZS57、ZS58，高架橋橋體底距地面凈高為9.2～10.0 m，各橋墩承臺及樁基參數如表1所示。

表1 ZS56、ZS57、ZS58橋墩承臺及樁基參數

2.2 參數選取

數值計算模型中所采用的土層參數如表2所示，地層計算采用摩爾-庫倫本構模型。結構計算參數如表3所示，計算采用彈性模型。

表3 結構部分材料參數

表2 巖土物理力學指標

2.3 地道基坑施工計算過程

為減少基坑開挖對既有輕軌高架橋的影響，對于擬建主線基坑，以上海路及上海路西側高架橋橋墩兩側為界，分成8個基坑，分三期進行施工：3#、4#、5#、6#基坑為一期施工；7#、8#基坑為二期施工；1#、2#基坑為三期施工。由于一期施工工程對高架橋橋墩影響較小，模擬區域較大，地道項目基坑整體較大，故模擬重點考慮臨近高架區間結構部位的二期、三期基坑開挖施工過程，對遠離上述區域基坑進行簡化建模，這種簡化可以有效提升計算效率，且對計算分析結果的準確性影響極小。圖4為具體分區開挖施工示意圖。

1～8為基坑編號

為確保地道基坑施工不影響高架橋安全運營現狀，降低基坑開挖對高架橋樁基的影響，采用樁撐圍護結構來抵抗變形；止水帷幕以減少降水對周邊土體的影響，不考慮地下水滲流，坑外水位埋深按5.5 m考慮，坑內水位每步開挖后降至坑底以下1 m；基坑內被動區土體進行加固，增加土體被動抗力；高架橋橋面荷載及行車動荷載簡化為固定荷載施加于橋墩頂平面上。在地道基坑施工過程中，充分考慮不同開挖順序對既有高架橋橋墩的影響，經分析選取ZS57橋墩兩側地道基坑對稱開挖并將其分為2種施工方案進行分析。

(1)方案1：初始應力場分析后優先施工二期(7#、8#)基坑，后施工三期(1#、2#)基坑。

(2)方案2：初始應力場分析后優先施工三期(1#、2#)基坑，后施工二期(7#、8#)基坑。

分析開挖地道基坑對正常運營輕軌高架橋下部結構的影響，計算以上兩種不同施工方案所產生的位移變形。為更加準確地模擬地道基坑開挖所產生的影響，計算模擬過程分為以下9個步驟，分別為初始應力場分析，地道基坑開挖施工，具體模擬開挖工序如表4所示。

表4 地道基坑施工進程模擬

3 數值模擬結果分析

通過MIDAS-GTS有限元軟件模擬得出在兩種不同施工方案下高架橋橋墩變形位移，明確地道基坑在“雙排拉森鋼板樁+預應力錨索”、“雙排拉森鋼板樁懸臂”、“單排拉森鋼板樁+抗拉錨索”、“鉆孔灌注樁+一道鋼管支撐”多種支護形式下是否滿足高架橋橋墩變形控制的要求。選取最佳方案進行施工，保證施工的安全性。

3.1 高架橋橋墩變形位移

地道基坑開挖施工使土體產生擾動，改變原有土體平衡狀態，周圍土體在維護結構保護下重新達到平衡狀態。這一過程中巖土體應力重新分布，致使巖土體產生位移變形。土體恢復平衡狀態運動中，由于樁-土的接觸導致高架橋樁基產生位移變形繼而高架橋橋墩產生位移變形[11]。經模擬施工計算完成后，兩種不同施工方案下橋墩豎向位移和水平位移如表5所示。由表5可知，高架橋橋墩豎向位移值在方案1和方案2下差距微小，但高架橋橋墩水平位移值方案1明顯小于方案2，因此方案1更有利于施工安全。

表5 橋墩豎向、水平向位移

根據數值模擬結果(圖5)顯示，兩種不同施工方案下各橋墩最大水平位移值在地道基坑施工完成時得到。橋墩最大水平位移隨基坑開挖深度以及面積的不斷加大而增加。高架橋ZS56、ZS58橋墩水平位移在地道基坑開挖所有工況下均向地道基坑內方向移動，ZS57橋墩整體水平位移不大。ZS56橋墩水平位移在地道基坑施工兩種方案下均是最大值。方案1ZS56橋墩水平位移-3.68 mm，方案2ZS56橋墩水平位移-5.07 mm，方案1滿足《城市軌道交通結構安全保護技術規范》(CJJ/T 202—2013)橋墩水平位移建議控制值為±5 mm。不同方案下基坑開挖過程中高架橋橋墩水平位移對比如圖5所示，兩種方案下橋墩最大水平位移云圖如圖6 所示。

圖5 橋墩水平位移對比

圖6 橋墩水平位移云圖

通過數值模擬(圖7)可以看出，地道工程施工完成后，橋墩豎向位移最大值為方案1ZS57橋墩豎向位移值2.14 mm，方案2ZS58橋墩豎向位移2.02 mm。方案1與方案2均滿足《城市軌道交通結構安全保護技術規范》(CJJ/T 202—2013)橋墩差異沉降建議控制值為±4 mm的要求。不同方案下基坑開挖過程中ZS57橋墩豎向位移對比如圖7所示，兩種方案下橋墩最大豎向位移云圖如圖8所示。

圖7 橋墩豎向位移對比

圖8 橋墩豎向位移云圖

由圖7可以看出，在地道基坑施工過程中橋墩的豎向位移在施工工況2時有所回落，表明在地道基坑支護結構施工后對既有高架橋樁基結構豎向變形起到了一定的防護作用使得變形減少。由于地道基坑不斷開挖施工，致使土體缺失卸荷，從而產生擾動使橋墩結構豎向位移變形不斷加大。

通過對兩種施工方案對比，可以準確分析得出橋墩水平位移、豎向位移選取方案1進行施工，橋墩結構位移變形數值較小且滿足相關規范對橋墩變形控制的要求。

3.2 地道基坑支護結構變形位移

為進一步確定地道基坑開挖安全性，對地道基坑支護結構變形進行分析。通過數值模擬結果(圖9)可知，在基坑施工全過程中維護結構最大水平位移值在地道基坑施工完成后，發生在三期基坑鋼板樁頂部，方案1最大值11.89 mm方案2最大值21.59 mm。方案1計算結果明顯優于方案2。不同方案下地道基坑開挖過程中支護結構水平位移對比如圖9所示，兩種方案下基坑支護結構最大水平位移云圖如圖10所示。

圖9 支護結構水平位移對比

圖10 支護結構水平位移云圖

兩種方案在工況1、工況2下施工作業相同，由圖9可以看出，地道基坑支護結構水平變形位移相同。由圖10可知，鉆孔灌注樁作為一種剛度大、適應性強的圍護結構或隔離結構在防護鄰近建構筑的工程中較鋼板樁有更好的效果。綜合以上高架橋橋墩位移變形、地道基坑支護結構水平位移變形可知方案1施工對保證工程項目安全性更具有優勢。

4 地道基坑施工監測數據及分析

為確保高架橋結構設施安全和運營安全，在地道基坑開挖過程中對既有高架橋橋墩進行監測。對受到地道基坑工程施工影響的橋梁結構進行監測并對監測數據整理分析，確切了解所監測對象的變形程度與趨勢，充分掌握高架橋結構的實時監測狀態，并對結構工程可能發生的危險及環境安全隱患提供及時、準確的預報。地道基坑實際施工按照方案1進行，開挖過程中對既有高架橋橋墩進行監測，頻率為每天1次。根據已有的監測數據與數值模擬數據在水平方向上對ZS56橋墩進行分析，豎直方向上對ZS57橋墩進行分析。選取ZS56橋墩上的監測點Q56-1、Q56-2、Q56-3作對比分析，選取ZS57橋墩上的監測點Q57-1、Q57-2、Q57-3作對比分析。圖11(a)為ZS56橋墩實測數據與模擬數據對比分析，圖11(b)為ZS57橋墩實測數據與模擬數據對比分析。

圖11 實測數據與模擬數據對比分析

從圖11可以看出，現場實測所得數據與模擬數據從規律上看，基坑施工在工況6～工況7(接近于承臺位置)橋墩變形位移增量最大，此時應加強基坑防護工作及監測工作來避免橋墩變形位移超過速率控制值1 mm/d。大部分監測數據值小于數值模擬數據值，這是由于監測點位可能未布置在橋墩實際變形最大值處并且與有限元軟件在計算中采用相對保守的計算方式以及對既有荷載的簡化選擇了較大的數值來保證計算結果的可取性有關。有限元數值模擬數據與監測點實測數據的大致走向基本相近，從而驗證有限元軟件計算結果的可靠性。

5 結論

針對既有高架橋近距離地道基坑施工項目，利用MIDAS-GTS模擬不同施工方案下基坑開挖過程，選取更有利于施工安全的方案進行施工建設，從而控制既有高架橋橋墩結構變形并結合實際施工過程中的監測數據，得到以下結論。

(1)通過有限元影響分析，方案1在控制橋墩差異沉降及支護結構的水平變形上占優，高架橋橋墩豎向位移最大值2.14 mm，水平位移最大值-3.68 mm。地道基坑開挖在各施工階段對高架橋橋墩變形影響在相關規范變形許可范圍內，開挖方案可行。

(2)在數值模擬方案對比中可以看出，當橋墩緊臨基坑開挖時優先施工距橋墩較遠的基坑產生的擾動較小，利于減少高架橋橋墩變形及基坑自身穩定性。

(3)通過數值模擬及監測數據可知基坑在施工至橋墩承臺處時橋墩變形位移增量達至最大。因此在后期相關施工建設中，基坑開挖施工接近承臺位置時應加強保護措施以及監測作業頻率來確保施工的安全性。

(4)從實際工程出發，利用有限元數值模擬軟件對地道基坑開挖不同方案進行模擬，選取更有利施工安全的方案進行施工。收集后期實際監測數據并與模擬數據進行對比，從而驗證模擬結果的有效性，為后期相關施工進行一定的借鑒與指導。