明挖隧道基坑對鄰近高鐵橋梁位移影響分析

王佳辰

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》（TB 10182—2017）（以下簡稱《規程》）已由國家鐵路局于2017年12月22日發布，并于2018年4月1日起正式實施?！兑幊獭穼坊蚴姓缆芬詷蛄?、樁板結構、U型槽和框架結構、路基及隧道等型式下穿高速鐵路的具體要求進行了明晰且嚴格的規定。如：《規程》第3.0.3條明確要求受下穿工程影響的無砟軌道高速鐵路橋梁墩臺頂橫向、縱向、豎向位移限值均不得大于2 mm，否則應采取鐵路限速措施或進行專項論證。

《規程》的實行，為相關下穿高鐵的建設項目提供了明確的設計方向，也成為了鐵路部門對相關項目進行設計和施工方案審查的切實依據。因此不少類似項目在設計或安全評估階段即需要針對項目建設對高鐵構筑物位移的影響進行充分分析計算。

本文針對中山市省道S268線岐江公路古鎮同興路口改造工程中的U型槽基坑對廣珠城際鐵路高架橋梁位移影響進行三維數值分析，并對計算結果進行復盤，提出分析過程中的重點和注意事項，以期為國內其他類似工程設計、施工項目提供參考。

1 工程概況

中山市省道S268線岐江公路古鎮同興路口改造工程位于中山市古鎮，計劃將一現狀平交路口改造為東西向主線下穿南北向道路、東西向輔道設置地面道路與南北向道路平交的菱形立交，擬建主線下穿隧道位于珠江三角洲沖積平原，軟弱土深厚。地層從上至下依次為2.2～5.5 m人工填土、2.5～8.6 m含砂淤泥質土、3.3～11.2 m淤泥、1.9～8.0 m粉砂、3.8～9.5 m淤泥質土、2.2～18.7 m粉質黏土、4.0～20.0 m全風化角礫巖、4.8～31.7 m強風化角礫巖。

隧道小樁號U型槽段平面呈36°交角下穿廣珠城際鐵路高架橋梁，U型槽基坑距鐵路承臺最近平面距離約4 m，影響段落最大開挖深度為5.1 m。承臺與基坑平面位置關系及基坑支護方案見圖1。

圖1 擬建U型槽基坑與現狀承臺平面位置關系圖

2 數值分析模型的建立

2.1 模型參數的選擇

巖土工程有限元數值分析最為關鍵的是地層及構件物理力學參數、本構模型的選擇。同一個三維實體模型，當單元選取不同的物理力學參數及本構模型時，分析結果往往存在較大差異，甚至與模型計算是否能收斂緊密相關。

地層參數的選擇應根據現場試驗、地勘報告及工程經驗綜合選??；結構材料按彈性本構取相關參數。本項目模型參數選擇見表1、表2。

表1 模型各涉及單元物理力學參數表（1）

表2 模型各涉及單元物理力學參數表（2）

2.2 模型邊界尺寸的確定

土體具有彈塑性特性[1]，隨著距離工點位置越來越遠，工程對周邊環境的影響程度將越來越小。當距離基坑工點位置大于3～5倍基坑開挖深度時，開挖對周邊環境已基本沒有影響[2]。故在巖土工程有限元計算中，為了兼顧模型計算的準確性和模型運行分析的快速流暢性，通常選取模型的平面范圍為基坑周邊約5倍開挖深度。

模型豎向尺寸的選擇按照上至自然地面，下至穩定的持力層且應包絡住基坑潛在滑動面并留有富余的原則執行。

2.3 幾何、網格及單元劃分

三維數值分析的幾何、網格及單元劃分需要注意以下幾點:

（1）繪制幾何模型時，務必及時進行兩兩幾何元素之間的交叉分割，且在材料分界處務必建立相應的分界幾何元素，避免后續網格劃分時產生交叉節點不耦合的情況。

（2）幾何模型建立時，樁體幾何宜與地層實體幾何進行印刻處理，保證地層單元與樁的梁單元節點耦合。

（3）網格及單元的劃分應按照從低維至高維單元的順序進行劃分（采用析取方式建立的1D單元和2D單元除外），避免1D單元與實體單元無法進行節點耦合。

（4）需重點分析的部位，應盡量將網格或單元劃得細些，以提高計算結果的準確性。

（5）考慮到橋梁縱向受上部結構(箱梁)的約束，橋梁下部結構順橋縱向剛度很大，故橋梁實體單元劃分完成后，宜在各墩頂部添加剛性連接單元加以模擬箱梁作用，以限制墩頂縱向變形。墩頂剛性連接單元見圖2。

圖2 墩頂剛性連接單元

（6）基坑支護樁采用板單元模擬，其中板單元厚度按照等效剛度的原則選取，即按板單元厚度計算的豎向抗彎剛度應等于實際支護樁豎向抗彎剛度?；又ёo樁單元的建立步驟為：幾何模型建立時，在地層實體幾何中將擬劃分的支護樁板單元上下左右四邊印刻上幾何線條；在劃分完地層單元后，采用析取功能析取板單元作為支護樁單元。

（7）對于基坑地基加固范圍內的地層應單獨劃分網格組，在初始階段，其屬性為原始地層屬性；在施作地基加固階段，采用修改單元屬性的邊界條件，將這部分網格組屬性變化為復合地基屬性，從而實現對坑底加固的模擬。

（8）在現狀地基加固、支護樁施工前，需在現狀承臺周邊打設一圈長15 m的鋼板樁作為隔離防護樁。本項目影響分析計算中對防護樁采用實體單元模擬，單獨建立網格組，其厚度按上述等效剛度原則確定。在初始階段，其屬性為原始地層屬性；在施作隔離防護樁階段，采用修改單元屬性的邊界條件，將這部分網格組屬性變化為鋼板樁屬性，從而實現對隔離防護樁的模擬。

（9）基坑開挖后需要澆筑U型槽結構。應事先將基坑內U型槽結構厚度范圍的土體單獨建立網格組。基坑開挖工況下，將這部分網格組單元鈍化；澆筑U型槽結構時再重新激活，并賦予其“修改為混凝土結構屬性”的邊界條件。

（10）模型未模擬基坑內支撐，以保證現狀橋梁墩頂位移計算結果具有一定冗余量。

3 模型施工工況模擬及運行分析

本項目模擬的是U型槽基坑施工開挖對現狀橋梁位移的影響，現場施工順序為：施作現狀承臺隔離防護樁—施作基坑坑底加固及抗拔樁—施作基坑圍護樁及首層內支撐、冠梁—開挖基坑—施作U型槽主體結構。結合現場施工順序，需對各工況影響做分析計算。本次數值分析定義的施工工況分為初始地應力計算，施作隔離樁、地基加固、抗拔樁及支護樁，開挖工況和澆筑U型槽主體結構。

3.1 初始地應力計算

首先激活所有原始地層單元、現狀橋梁結構單元及墩頂剛性連接單元，激活模型約束、重力、橋梁墩頂荷載等。將分析計算所得位移清零，得到場地初始狀態，計算得到模型底部初始地應力為2 900.735 kPa，符合理論值（見圖3）。

圖3 初始狀態計算結果（單位：kP a）

3.2 施作隔離樁、地基加固、抗拔樁及支護樁

在初始地應力工況的基礎上激活“修改為隔離鋼板樁單元屬性”、“修改為坑底加固單元屬性”的邊界條件，并在隔離鋼板樁實體單元朝向承臺方向施加一定的鋼板樁打入時的擠壓力。激活抗拔樁、支護樁單元。進行分析計算。

3.3 開挖工況

可采用鈍化單元功能實現對基坑內土體的開挖，在3.2節工況基礎上將事先已單獨建立網格組的基坑內土體單元（U型槽結構厚度范圍土體和其余基坑內土體應分開建立網格組）鈍化，并進行計算分析。

3.4 澆筑U槽主體結構

在3.3節工況基礎上將已鈍化的U型槽結構厚度范圍的土體單元重新激活，并賦予其“修改為混凝土結構屬性”的邊界條件。進行計算分析。

4 計算成果

將上述已建立的施工階段組添加到軟件運行分析中進行計算，得到各階段施工對現狀橋梁墩頂位移影響值。

根據計算結果，墩頂最大沉降、橫橋向最大水平位移、縱橋向最大水平位移均發生在澆筑U型槽結構階段。其中最大沉降值為0.93 mm，橫橋向最大水平位移值為1.95 mm，縱橋向最大水平位移值為0.52 mm（見圖4至圖6），均小于《規程》的要求。

圖4 墩頂最大沉降計算結果（單位：mm）

圖5 橫橋向最大水平位移計算結果（單位：mm）

圖6 縱橋向最大水平位移計算結果（單位：mm）

上述計算成果已成功獲得鐵路審批部門認可及審批，項目正順利進行現場施工。

5 結語

（1）地層參數的選擇應根據現場試驗、地勘報告及工程經驗綜合選取，確保模型計算能夠收斂且計算準確。

（2）模型構建過程中要有清晰的建模思路，熟練運用印刻、析取和修改單元屬性等工具。

（3）支護樁等單元可按等效剛度原則簡化為板單元或實體單元。

（4）施工各工況的模擬應結合現場實際施工順序進行，善用軟件的激活、鈍化單元功能。注意務必進行模型的初始地應力分析計算并將位移清零，作為模型的初始條件。

（5）本項目設計方案采取的基坑支護及現狀承臺周邊隔離防護措施，能夠滿足現狀高速鐵路橋梁墩頂位移要求。

（6）本項目問題的解決方案已成功應用在設計施工中，取得了技術及施工方案批復。設計內容及設計過程中的分析計算可為類似工程問題的解決提供有力參考。