基于Plaxis 的橋梁施工基坑開挖對周邊管線影響分析研究

楊亞麗

（上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434）

0 引言

為適應現代化城市經濟的高速發展，提高區域交通條件是帶動區域發展的重要環節之一。橋梁工程的建設一直是我國交通行業不可或缺的一部分。橋梁工程的施工需要進行基坑開挖，而施工過程中4 倍基坑開挖深度范圍內的現有構筑物的防汛安全有一定影響，如周邊房屋、管線、防汛墻等。因此，有效分析基坑施工對周邊構筑物的變形沉降影響，以及基坑開挖過程中的安全監測對工程安全施工具有是十分重要的作用。

Plaxis 是一個專門用于各種巖土工程問題中變形和穩定性分析的二維有限元計算程序。本文結合實際工程案例，采用Plaxis 二維有限元軟件數值分析橋臺施工過程中基坑開挖對周邊管線的影響，數值分析中土體采用基于彈塑性Mohr-Coulomb 模型[1]（具有一個固定屈服面）的Hardening-Soil（簡稱HS）各項同性的高級土體彈性模型，支護結構采用線彈性模型進行計算，為工程實施提供了可靠的依據。

1 工程概況

上海市某河道橋梁改建工程現狀為一座寬10.5 m 的鋼便橋，為完善區域路網、滿足楊浦區及寶山區交通發展的需要，對現狀橋梁按規劃進行改建，新建橋梁總寬約159.3 m～185.6 m，分東、西1、西2 三幅橋，本文選擇東幅北側橋臺基坑開挖對現狀給水和雨水管線的影響進行分析。

東幅北岸為重力式橋臺兼做防汛墻結構形式，迎水側采用雙排樁長15 m 的Ⅳ拉森鋼板樁圍堰，擋墻及背水側橋臺采用單排樁長12 m 的Ⅳ拉森鋼板樁進行基坑圍護施工，與臨水側圍堰設置一道型鋼對撐，基坑開挖深度為3.80 m。

在基坑開挖深度4 倍距離范圍內的排水管有兩根，分別為距離基坑邊緣2.62 m 和3.24 m 的Ф300 給水管及Ф400 雨水管，管道埋深分別為1.55 m 和2.30 m。考慮到工程施工期需要度汛，且河道水位越高，基坑開挖對現狀管線影響越大，所以本文選取河道設計高水位4.44 m 進行評估分析。橋臺基坑開挖斷面圖見圖1（高程以m 計，尺寸以mm 計）。

圖1 橋臺基坑開挖斷面圖

2 二維數值分析

基坑施工對周邊防汛設施的影響分析，如施工期鋼板樁圍護墻位移和基坑坑底隆起，引起基坑外土體損失，從而引起地面沉降，影響周邊管線的安全。

采用plaxis 二維軟件建立平面有限元網格生成平面應力-應變模型，對上述案例橋臺基坑開挖過程進行二維有限元數值模擬，從理論上分析鋼板樁圍護墻體位移和坑底隆起對周邊管線的影響。

2.1 模型分析及參數選取

2.1.1 模型原理分析

對橋臺基坑開挖斷面進行模型簡化，利用平面有限元模型進行二維數值模擬分析。

首先根據地勘報告的相關土層參數及鉆孔斷面，模擬施工前土體的初始應力場；采用HS 模型模擬不同土層的土體，鋼板樁支護、型鋼圍檁及支撐等材料是基于各向同性線彈性模型；支護結構及土體開挖降水等施工過程的模擬是通過有限元的單元生死[2]法，連續計算各施工步驟中產生的變形、內力、位移等狀態的方式進行，根據各施工階段預測分析橋臺基坑開挖至坑底的全過程對周邊管線產生的水平及垂直變形情況。

2.1.2 相關參數選取

根據工程地勘報告，項目區鉆孔斷面實際土層變化不大，采用HS 模型，將土體簡化為水平布置的土層，土層的容重、滲透系數、彈性模量、泊松比、內聚力、摩擦角、剪脹角等材料特性參數結合地勘及相關工程實例經驗選取，見表1。雙排鋼板樁圍堰加第一、二道撐為?32@2000 鋼拉桿，基坑內開挖至0.7 m 后設置一圈H 型鋼圍檁（H400×400×13×21），同時布置一道鋼支撐（H400×400×13×21@2000）對拼焊接；采用無厚度的彈塑性接觸面模擬支護結構與土體之間相互的作用。

表1 土體參數表（從上至下排列）

2.1.3 荷載和地下水位

施工期間鋼板樁支護側荷載按20 kN/m2考慮，墻后地下水位按地面以下0.5 m。超靜水壓按潛水水位與預降水水位差生成，通過Hardening-Soil 模型，將靜水壓力施加在土體骨架上。

2.2 模型建立

根據基坑開挖深度及土層厚度，確定模擬的尺寸為20 m×20 m，邊界條件兩側按水平約束，底部按固定約束模擬。采用精確度很高的15 節點三角形單元模擬土體應力計算，結構和界面單元類型與土體單元類型的匹配自動進行。二維有限元基礎模型見圖2。

圖2 二維有限元基礎模型

3 理論計算數值分析

結合土體變形的時空效應[3]，并假定地下水位維持在地面以下0.5 m 不變，采用有限元模型分步進行計算分析，本工程案例模擬共分為6 個步驟進行施工，包括支護結構、土方開挖及基坑降水等，計算施工步驟見表4。

表4 計算施工步驟

根據plaxis 二維有限元軟件計算分析，現狀管線的水平及垂直變形與基坑開挖的深度成一定比例，開挖深度越深，位移越大，當基坑開挖至坑底時，管線水平和垂直位移值達到最大。根據plaxis 計算的水平及垂直變形云圖，受北側東幅橋臺兼做防汛墻的基坑開挖影響，Φ300 給水管的水平向最大位移為6.74 mm，垂直向最大位移為6.90 mm；Φ400 雨水管的水平向最大位移為5.60 mm，垂直向最大位移為5.01 mm。基坑開挖對現狀管線的影響均未超過規范要求的報警值，在管線允許變形范圍內。基坑開挖至坑底時水平變形和垂直變形云圖見圖3、圖4。

圖3 水平變形云圖

圖4 垂直變形云圖

4 結語

通過上述計算結果，本工程采用的Ⅳ拉森鋼板樁圍護，設置一道型鋼對撐，基坑開挖至坑底時管線位移最大，最大附加水平和豎向變形均滿足規范要求，根據理論計算變形云圖，該橋梁基坑開挖支護方案滿足對周邊現狀管線保護的要求。考慮到基坑施工的不確定因素較多，為確保施工過程中構筑物的安全，應根據基坑施工的實際情況，加強施工監測，待基坑實施完成后，根據實測資料分析判斷周邊構筑物的安全和功能狀態。同時在施工過程中應做好防汛搶險預案和措施。