轉體斜拉橋主墩承臺深基坑圍護結構變形特性研究

王智剛

（中鐵二十二局集團第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

近年來，隨著我國交通建設的高速發展，國內修建的跨越既有鐵路、公路及河流的橋梁越來越多。為保證橋梁施工過程中不影響既有公路和鐵路的正常運行，工程上常采用影響小、風險低、造型美觀的轉體斜拉橋。對于跨越鐵路編組站的轉體斜拉橋而言，由于轉體重量大、球鉸對接精度高等特點，故需要尺寸較大的橋墩承臺，若不保證圍護結構的穩定性，則會對橋梁轉體產生影響。

目前，李昂等以某橋墩工程為例，采用GA-BP 神經網絡預測方法與灰色GM（1，1）模型預測結果及實測數據對比，得出GA-BP 模型結果更精確；龔循強等利用最小二乘法和穩健最小二乘法的自回歸模型、自適應過濾法及灰色預測法對高鐵橋墩沉降數據進行模擬與預測。

深基坑支護是一個復雜的三維空間問題，基坑開挖過程中地表沉降、圍護結構側移、支撐軸力等往表現出明顯的空間效應。特別是難度系數大、安全系數要求高的基坑工程，故本文以哈西大街打通工程中的轉體斜拉橋（跨鐵路部分）主墩承臺深基坑支護工程為依托工程，對轉體斜拉橋主墩承臺深基坑圍護結構變形特性研究。利用Midas GTS NX 有限元軟件建立三維模型，分析橋墩基坑和支護結構的沉降及變形規律，從而確保深基坑工程的安全。

1 工程概況

本文依托工程為哈西大街打通工程（跨鐵路部分）主墩承臺深基坑支護工程，打通工程全長1321 米，共跨越48 條鐵路線，跨線橋采用雙塔雙索面轉體斜拉橋。該深基坑位于轉體斜拉橋主橋9#、10#墩處，由于兩橋墩承臺基坑土層參數、支護形式、基坑深度及基坑形狀相同，故本文以9#墩承臺基坑為工程對象進行研究。9#墩承臺基坑平面形狀為八邊形，最大開挖深度為11m，采用鋼筋混凝土灌注樁+內支撐支護，支護樁樁頂標高為±0.00m，樁長25m，樁徑1.2m，樁間距1.5m，嵌固深度15m。距支護樁頂面0.5m處布置兩道鋼支撐梁，支撐梁采用參數為Ф609×12mm 的鋼管，承臺如圖1 所示。

圖1 主塔承臺平面圖

2 基坑有限元分析

2.1 有限元模型的建立

利用Midas GTS NX 有限元分析軟件建立模型，考慮基坑影響深度為基坑開挖深度的2 ～3 倍，影響寬度為基坑開挖深度的2 ～3 倍，故建立長102.5m、寬87.8m、高33m、的三維基坑模型，土體采用修正摩爾－庫倫本構模型，樁、冠梁、鋼支撐采用線彈性模型。根據巖土勘察報告和地區經驗，模型采用土體參數見表1。

表1 土層參數

本工程數值模擬中共分為4 步開挖，第一步開挖至支撐標高位置下1.5m 處，施加1 道鋼支撐，并噴射第一層樁間混凝土；第二步開挖至坑下4.5m 處，并噴射第二層樁間混凝土；第三步開挖至坑下7.5m 處，并噴射第三層樁間混凝土；第四步開挖至坑底，并噴射第四層樁間混凝土；建立的基坑三維模型如圖2 所示。

圖2 有限元模型圖

2.2 周邊地表沉降分析

根據建立的三維有限元分析模型，由于基坑北側鄰近既有鐵路線。故提取本工程基坑北側測點在各施工工況下地表沉降變化值，繪制地表沉降隨著施工工況變化曲線如圖3 所示。在此基礎上，提取基坑北側五組地表沉降點，繪制基坑開挖完成后基坑北側周邊地表沉降變化曲線，如圖4 所示。

圖3 地表沉降累計變化曲線

圖4 地表沉降-坑邊距變化曲線

從周邊地表沉降監測點垂直位移累積變化曲線圖可以看出：（1）隨著開挖深度的增加，基坑周邊地表沉降逐漸增大，沉降量變化值位于距坑頂5m 處，累計沉降量為-6.8mm；（2）隨著基坑的開挖和施工，距坑頂25m 和30m 處的沉降量幾乎為0，基坑開挖施工對超過兩倍坑深的位置周邊地表沉降影響不大；（3）從圖5 可以看出，基坑地表沉降分布呈“勺形”分布，基坑地表沉降最大點距離坑頂約3.3～5.2m，可以認為本工程的地表沉降最大值距坑頂約0.3H～0.55H。

根據實際監測數據和模擬結果，繪制基坑北側DB1 監測點的地表沉降模擬值與監測值對比曲線，如圖5 所示。

通過圖5 可知，有限元模擬Midas GTS NX 計算結果與實際監測數據相差不大，模擬值略大于監測值，可能是現場施工條件變化及天氣原因導致，但二者曲線變化趨勢一致，比較符合工程實際，表明Midas GTS NX可用于模擬工程實際。

2.3 樁頂水平位移有限元分析

根據建立的三維有限元分析模型，由于基坑北側鄰近既有鐵路線。因此，提取基坑北側各施工工況下支護樁樁頂水平位移變化值，繪制水平位移隨著施工工況變化曲線如圖6所示。

圖5 模擬與監測對比曲線

圖6 樁頂水平位移累計變化曲線

從圖6 可以看出：（1）隨著開挖深度的增加，支護樁樁頂水平位移逐漸增大，其中，支護樁樁頂水平位移累積最大值變化量X 為5.8mm；（2）圖中曲線3 為施加支撐的樁體點位，可以看出，施加支撐之前樁頂水平位移為2.2mm；施加內支撐之后，由于內支撐的作用，使水平位移得到控制，變形逐漸減小，但在開挖至坑底時，變形再次出現達到1.9mm。隨著基坑施工完成又逐步趨于穩定，可見支撐能夠很好的控制樁頂水平位移。

3 結語

本文采用Midas GTS NX 有限元分析軟件對哈西大街打通工程（跨鐵路部分）主墩承臺深基坑支護工程進行三維數值模擬，分析了深基坑及支護結構的變形特征，并將模擬值與監測值進行對比分析，得出結論如下。

通過監測值與模擬值對比分析，模擬值略大于檢測值，但兩者變化曲線基本吻合，證明Midas GTS NX 有限元軟件能夠較好的模擬深基坑工程的變形。

分析結果表明，隨著開挖深度的增加，支護樁樁頂水平位移逐漸增大，帶有內支撐的支護樁樁頂水平位移相對較小，證明內支撐能夠很好的控制樁體變形。

根據地表沉降變化曲線可知，基坑周邊地表沉降隨著開挖深度增加而增大，地表沉降分布呈“勺形”分布，結合監測數據與模擬結果得出地表沉降最大值位于距坑頂0.3H～0.55H 處。

利用Midas GTS NX 創建的三維有限元模型，能夠真實地反應土體-支撐-支護樁之間的變形協同作用，說明該方法能夠較準確地反映工程實際的變形特征，能夠用于工程實際指導施工。