軟土地區(qū)天橋下基坑開挖深度的穩(wěn)定性規(guī)律

高新博，李東彪，沈才華，董玉翔

（1.宿遷市高速鐵路建設發(fā)展有限公司，江蘇 宿遷 223800；2.中交南京交通工程管理有限公司，江蘇 南京 211800；3.河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098）

由于巖土工程的地域性，軟土地區(qū)明挖基坑會對既有建筑和周邊環(huán)境產(chǎn)生較大影響，若設計或施工不當，易造成既有建筑的破壞并危及工作人員的生命財產(chǎn)安全。針對臨近變形控制要求高的軌道結(jié)構(gòu)，提前采用三維數(shù)值模擬分析，為優(yōu)化施工設計方案提供理論依據(jù)顯得尤為重要。

在基坑開挖過程中，開挖深度和規(guī)模對周圍環(huán)境影響較大，對此，國內(nèi)專家學者展開相關研究。張治國[1]等通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，基坑開挖使得大底盤多塔樓樁基產(chǎn)生基坑向的側(cè)移，且與開挖深度呈正相關。也發(fā)現(xiàn)基坑鄰近隧道受坑內(nèi)土體卸荷引起的收斂變形較大，分區(qū)開挖下圍護結(jié)構(gòu)和臨近隧道位移明顯減小。王立新[2]等發(fā)現(xiàn)，既有隧道和新建基坑附近地表沉降隨水平凈距的減小而增大，圍護結(jié)構(gòu)的水平位移與地表沉降規(guī)律一致且與水平凈距的變化無關。左自波[3]等總結(jié)得到，上部基坑開挖引起隧道的隆起變形值是相對開挖寬度的0.19%～1.81%、平均值為相對開挖寬度的0.37%，并提出軟土地區(qū)雙線隧道最大隆起值的修正經(jīng)驗公式。葉帥華[4]等結(jié)合實際工程與數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，隨著基坑開挖深度的增加，地表沉降最大值出現(xiàn)在離基坑9 m左右位置。魏麗敏[5]等結(jié)合原型試驗發(fā)現(xiàn)，樁身位移與彎矩分布范圍約為設計時主動受力樁的2.1～2.8倍，樁頂水平位移、樁身最大彎矩隨深寬比增加呈指數(shù)增長。李超[6]等利用三維仿真分析發(fā)現(xiàn)，軟土地區(qū)基坑開挖引起的圍護結(jié)構(gòu)豎向位移大于水平位移。陳小雨[7]等通過理論推導，給出了土壓力不變時基坑間距b的表達式，并通過數(shù)值模擬驗證。孫波[8]對比分析二維、三維數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)基坑開挖和回筑完成后，地連墻朝向坑內(nèi)有水平變形。于雅琳[9]通過ABAQUS模擬發(fā)現(xiàn)，基坑底部淤泥質(zhì)黏土體會產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，塑性破壞區(qū)主要集中于基坑底部。

綜上所述，國內(nèi)大部分研究集中在基坑開挖對臨近建筑的影響，對于既有天橋下明挖基坑的研究還較少。因此，本文針對在天橋下基坑開挖工程，采用三維數(shù)值模擬技術，預測基坑不同開挖深度對地層和軌道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，并分析天橋所受的影響，利用分析結(jié)果結(jié)合相關標準，探討地表安全控制距離和基坑開挖深度。所得結(jié)論可為施工設計優(yōu)化和安全控制提供理論依據(jù)，也可為類似工程提供參考。

1 工程概況

上部樁基結(jié)構(gòu)如圖1所示，明挖基坑在兩側(cè)天橋下穿過。

圖1 工程上部結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，地表向下為：a）素填土；b）粉質(zhì)黏土；c）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土1；d）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土2；e）含礫粉質(zhì)黏土；f）圓礫混卵石；g）全風化凝灰?guī)r。

2 數(shù)值分析模型的建立

2.1 有限元幾何模型的建立

根據(jù)工程結(jié)構(gòu)設計要求，采用ANSYS軟件建立模型如圖2所示。模型尺寸長×寬×高=90×130×50，共計174 014個單元，181 476個節(jié)點；模型尺寸相對較大，因此模型左右、前后和底部邊界均為滑移邊界。

圖2 三維有限元計算模型

2.2 模型計算參數(shù)的確定

模型上部結(jié)構(gòu)為高架結(jié)構(gòu)和附屬天橋結(jié)構(gòu)，采用C40混凝土，彈性模量取3.25×104MPa，參照其本構(gòu)曲線取前半段塑性非線性隨動強化模型（TB,PLASTIC,,,,KINH）進行計算，見圖3。

圖3 C40混凝土本構(gòu)曲線

地層實測物理力學參數(shù)見表1，各地層實測應力應變曲線位于圖4兩條曲線之間，采用塑性非線性等向強化模型（TB,PLASTIC,,,,MISO）近似處理，如圖4中折線部分。模型采用三維SOLID185單元，由于樁基變形量允許值不大，樁土間不考慮滑動，采用黏結(jié)協(xié)調(diào)變形模式，為充分反映開挖深度對周邊環(huán)境的影響，模型不設置支撐，模擬直接開挖的最不利情況。

圖4 土層非線性應力應變曲線

表1 土體物理力學參數(shù)表

2.3 分析路徑及分析工況

為全面分析基坑開挖過程中地層空間變形分布情況，選取多條地表路徑和深度路徑，包括：開挖基坑周邊地表路徑PATH1、主體結(jié)構(gòu)主樁基深度路徑PATH2、附屬結(jié)構(gòu)天橋樁基深度路徑PATH3以及軌道樁基承臺邊緣地表路徑PATH4，具體路徑分布平面圖和立面圖見圖5、圖6。

圖5 計算路徑平面圖（單位：m）

圖6 計算路徑立面圖（單位：m）

基坑開挖深度對周邊的影響最大，結(jié)合工程實際，選取3種可能的設計工況進行數(shù)值模擬分析，基坑開挖深度分別為：7.5 m（工況1）、8.5 m（工況2）、9.5 m（工況3）；基坑距天橋樁基1.5 m，距高架樁基6.5 m。

3 基坑不同開挖深度對周圍環(huán)境的影響規(guī)律分析

基坑開挖穿越整個天橋，單側(cè)基坑開挖對樁基軌道結(jié)構(gòu)最不利，因此對基坑開挖附近樁基結(jié)構(gòu)側(cè)的安全性、另一側(cè)無建筑物處地層的變形情況進行分析，為后期安全控制和臨時建筑結(jié)構(gòu)等提供參考依據(jù)。

3.1 單側(cè)基坑開挖后地表位移及沉降變化規(guī)律

地表變形規(guī)律沿PATH1計算，如圖7所示。隨著開挖深度的增加，地表總位移、Y向水平位移、Z向沉降明顯增大，且三者在近基坑處10 m范圍內(nèi)數(shù)值較大，超過了20 mm，說明單側(cè)基坑開挖后，影響區(qū)域主要集中在基坑邊緣附近10 m范圍內(nèi)。工況3下，近地表變形量明顯增加，距基坑5 m處變化最大，說明基坑開挖后，距基坑5 m處的變形較為敏感，該區(qū)域應重點監(jiān)測，確保基坑安全。

圖7 基坑開挖右側(cè)地表不同工況相對工況1的位移和沉降變化曲線圖

3.2 基坑開挖對樁基結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律分析

3.2.1 車站主體高架樁基位移及內(nèi)力分析

高架右側(cè)樁基變形規(guī)律沿PATH2計算，如圖8所示。基坑開挖深度的增加對高架樁基位移影響較大，影響范圍集中在地表至地下10 m范圍內(nèi)，5 m深度左右影響最大。與工況1相比，工況3樁基總位移增加了1倍，但其最大位移小于10 mm，處于安全要求范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)可以保證安全。樁的最大等效應力從16.4 MPa改變?yōu)?6.5 MPa，變化很小。

圖8 高架右側(cè)單樁在不同工況相對工況1的位移和沉降變化曲線圖

3.2.2 天橋樁基的影響分析

天橋左側(cè)樁基沿PATH3變形計算，如圖9所示。隨著開挖深度的增加，最大總變形量從4 mm增加到7 mm，變化量較小，但不同工況下樁基位移和沉降的改變量相對較大。天橋樁基距離基坑更近，由于天橋上部結(jié)構(gòu)對自身樁基起約束作用，其變形量比距離較遠的軌道樁基小，具有一定的天橋效應，施工監(jiān)測時應在該區(qū)域加密監(jiān)測點。

圖9 天橋單樁在不同工況相對工況1的位移和沉降變化曲線圖

3.3 單側(cè)基坑開挖后軌道承臺邊緣沿軌道軸線方向變形規(guī)律

軌道承臺邊緣沿軌道軸線方向的變形沿PATH4計算，如圖10所示。隨著開挖深度的增加，地表沉降、水平位移、總位移均增大，水平位移、沉降最大增量分別為10.1 mm、2.23 mm，說明基坑開挖深度對其影響程度較小。由于天橋效應的影響，天橋附近的軌道承臺水平位移和沉降都較小，最大總位移量分別為8.05 mm、10.05 mm、13.7 mm，距離天橋較遠處的總位移分別為16.9 mm、21.6 mm、27.1 mm，增長了約1倍。說明天橋?qū)壍澜Y(jié)構(gòu)有一定保護作用，但縱向不均勻變形會對軌道結(jié)構(gòu)造成不利影響。因此施工時應采取適當措施控制“天橋效應”，更好地控制基坑開挖對軌道結(jié)構(gòu)的影響。

圖10 軌道承臺邊緣沿軌道軸線方向的位移變化曲線圖

3.4 基坑開挖深度不同時對周邊上部結(jié)構(gòu)的影響分析

隨著基坑埋深的增大，軌道上部結(jié)構(gòu)的最大總位移分別為9.629 mm、12.675 mm、16.723 mm，開挖深度每增加1 m，總位移增加約30%，位移最大值出現(xiàn)在天橋樁基底部，呈“等高線”形式向結(jié)構(gòu)頂部收斂，說明基坑開挖對天橋樁基的影響遠大于天橋上部；“天橋效應”對高架樁基有一定的位移約束作用，車站底部結(jié)構(gòu)前端的位移小于后端位移；天橋樁基內(nèi)側(cè)等效應力最大，這是由于“天橋效應”導致高架樁基縱向不利變形，因此需要對高架樁基采取相應的保護措施。此外，由于上部結(jié)構(gòu)的相對剛度較大，上部結(jié)構(gòu)內(nèi)等效應力最大值幾乎保持不變，分別為17.0 MPa、16.9 MPa、16.9 MPa。

考慮上部結(jié)構(gòu)應力，3種工況下結(jié)構(gòu)都處于安全范圍內(nèi)，但根據(jù)規(guī)范要求，附近車站的水平位移控制值為10 mm，因此，建議開挖深度應不超過7.5 m。

4 基坑不同開挖深度下地表的安全控制距離

基坑開挖深度分別為7.5 m（工況1）、8.5 m（工況2）、9.5 m（工況3）時，PATH1地表最大水平位移分別為49.33 mm、57.31 mm、65.84 mm，增加16.18%、33.47%。軌道承臺邊緣處最大水平位移分別為16.90 mm、21.51 mm、26.97 mm，增加27.28%、59.59%。為了控制無建筑物一側(cè)的安全范圍，根據(jù)規(guī)范設計水平位移控制值[10]為15 mm，3種工況下，安全控制范圍為距離開挖基坑邊界14.4 m、17.6 m、20.8 m。因此，結(jié)合軌道結(jié)構(gòu)整體考慮，建議采用的開挖深度為7.5 m，無建筑一側(cè)的安全控制距離為15 m。

5 結(jié)語

本文采用ANSYS軟件建立三維模型，考慮了地層的非線性變形特性，分析了復雜環(huán)境下基坑開挖深度對天橋、既有車站和周邊環(huán)境的影響規(guī)律，并根據(jù)位移安全控制值計算了安全控制距離，主要結(jié)論如下：

a）隨著開挖深度的增加，地表總位移明顯增大，Y向水平位移和Z向沉降變化速率加快，近地表變形量明顯增加，且距基坑5 m處變化最大。車站主體結(jié)構(gòu)總位移增加約30%，但上部結(jié)構(gòu)整體剛度相對較大，其等效應力最大值變化很小。

b）隨著開挖深度的增加，車站高架樁基總位移增約0.004 mm。基坑開挖深度主要影響了高架樁基近地表處的土體水平位移，天橋樁基在高架樁基處充當臨時支護結(jié)構(gòu)，限制了周圍土體的水平位移和沉降量。

c）天橋處軌道樁基的水平位移比無天橋處小50%左右，天橋?qū)壍罉痘幸欢ūＷo作用，但其縱向不均勻變形會對軌道結(jié)構(gòu)造成不利影響，因此建議施工時要采取適當措施控制“天橋效應”。結(jié)合軌道結(jié)構(gòu)整體考慮，建議開挖深度設計值取7.5 m，安全控制范圍為距離基坑開挖邊界15 m。