下穿既有高鐵橋梁基坑群開挖順序優(yōu)化研究

王文杰，鞠嘯童，朱利明，邵毅安

(1.江蘇雷威建設工程有限公司，江蘇 南京 210003；2.南京工業(yè)大學，江蘇 南京 210009)

隨著城市地下空間的高速發(fā)展，越來越多的基坑工程臨近既有橋梁，這既加大了基坑開挖的難度，也對臨近橋梁產(chǎn)生了一定影響。如何在基坑施工期間減小對臨近既有橋梁的擾動是待解決的問題。

目前為止，相關學者對基坑群開挖對臨近橋梁的影響進行了大量研究，周湘[1]利用數(shù)值模擬分析，模擬了基坑群4種不同開挖順序的工況，按照影響程度對橋墩差異沉降、橋墩豎向位移、水平位移、樁側(cè)土壓力、地表最大沉降等賦予不同權重，最終得出最優(yōu)開挖方案。衛(wèi)軍[2]基于基坑群運用有限元軟件設計了4種開挖方案，分析了下穿盾構隧道的豎向位移和周圍地層的豎向位移，研究表明對稱間隔式開挖為最優(yōu)施工方案。陳書申[3]采用能進行全空間分析、自動協(xié)調(diào)變形的理正軟件分析了基坑的不同開挖順序，得出了最有利的順序是自基坑中部向四邊擴展，但實際運用中存在困難，最終采取了自近二角部位先挖而后漸次后退的順序。麻鳳海[4]、周凱強[5]、沈健[6]和袁順德[7]等人基于實際工程，利用有限元數(shù)值分析模型，總結了各種開挖情況，給出了各個基坑開挖順序?qū)こ逃绊懶〉淖顑?yōu)解。

綜上所述，基坑群的出現(xiàn)，導致土層應力場及位移場不只是單個基坑簡單的線性疊加，尤其是在臨近高鐵橋梁的情況下，基坑群的不同施工順序?qū)蛄航Y構的影響會產(chǎn)生許多新問題。通過數(shù)值模擬及實測數(shù)據(jù)分析開挖基坑群時對既有高鐵橋墩的影響，為具有基坑群的工程提供參考。

1 工程概況

1.1 基坑工程概況

依托項目為杭州市市政道路頂進箱涵工程，該工程沿線依次下穿滬昆鐵路和滬昆高鐵(杭深鐵路)橋。下穿滬昆鐵路采用頂進法施工，共四組6孔框架頂進下穿鐵路上、下行線兩股道路。滬昆高鐵(杭深鐵路)橋在滬昆鐵路東側(cè)。

頂進箱涵工程中基坑群由滬昆鐵路西側(cè)基坑和滬昆鐵路東側(cè)U型槽基坑組成，滬昆鐵路西側(cè)頂進工作坑由北至南，分別為1、2、3、4號基坑；U型槽基坑由NU1～NU5、ZU1～ZU5、ZU8～ZU9、YU1～YU5和YU8～YU9基坑組成。

將滬昆鐵路西側(cè)基坑由北向南劃分為1#基坑、2#基坑和3#基坑、四號基坑，滬昆鐵路東側(cè)基坑由北向南劃分為5#基坑、6#基坑和7#基坑。1#基坑坑深2.19～3.08 m；2#基坑坑深3.36～6.1 m；3#基坑坑深3.18～6.3 m；四號基坑坑深0.977 m；5#基坑坑深2.47～4.06 m；6#基坑坑深1.86～3.26 m；7#基坑坑深1.84～3.24 m。

1.2 滬昆高鐵橋概況

項目下穿滬昆高鐵(杭深鐵路)處鐵路橋梁為32 m簡支梁，梁底標高6.24 m，橋臺頂標高5.90 m。

滬昆高鐵為混凝土連續(xù)梁橋，基坑影響范圍錢江新橋由北向南依次是141#～145#墩范圍。在NU4-NU5 U型槽處高鐵橋墩距U型槽最近距離4.65 m，高鐵橋梁底距地面7.99～8.87 m。橋梁下部結構采用鉆孔灌注樁，基礎均為樁基礎，樁徑為1 m。

2 數(shù)值分析

建立計算建模時，采用MIDAS GTS NX大型巖土有限元分析軟件，為保證計算結果與實際監(jiān)測結果相近，通過修正土層計算參數(shù)調(diào)整模型，參數(shù)選取如表1所示，采用修正摩爾庫倫本構模型，該模型是一種彈塑性本構，相對于M-C更接近于塑性理論，是一種將非線彈性和塑性聯(lián)合起來的組合模型。可以模擬包括軟土和硬土在內(nèi)的不同類型的土體行為的彈塑模型，考慮了土體的剪脹性，并引入屈服蓋帽(Cap)，土體剛度與應力相關。其他材料根據(jù)實際情況采用彈性本構模擬。

有限元模型中土體、高鐵橋承臺、高鐵橋墩、普鐵路基和軌道采用3D單元模擬，橋樁、基坑支撐、基坑冠梁采用1D梁單元模擬，基坑圍護樁(鉆孔灌注樁和拉森鋼板樁)通過等效剛度轉(zhuǎn)換為地連墻2D板單元模擬，等效剛度轉(zhuǎn)換如下

表1 土層計算參數(shù)選取

(1)

式中：d為計算所得地連墻厚度；h為樁徑；D為樁間距。

為在計算模型中考慮樁土耦合作用，土體與橋梁樁基的接觸面添加了界面單元。模型四周施加位移約束，橋梁樁基施加扭轉(zhuǎn)約束，共計259 143個單元。

初始計算工況與實際施工工況對應。模型計算時，基坑開挖對應模型中鈍化土體單元，單個基坑均分兩層開挖至坑底。具體工況依次為：①初始地應力分析；②施作橋梁、鐵路和既有U型槽；③基坑群圍護結構依次施工；④開挖1#基坑，施作冠梁；⑤開挖3#基坑，施作冠梁和支撐；⑥開挖2#基坑，施作冠梁和支撐；⑦開挖5#基坑，施作冠梁和支撐；⑧開挖7#基坑，施作冠梁；⑨開挖6#基坑，施作冠梁；⑩開挖四號基坑，施作冠梁。

經(jīng)計算，將圍護樁在CX-4監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬結果進行比較分析，圍護樁的水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結果的監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線對比如圖1所示。通過比較分析，模擬結果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)較吻合，可以依據(jù)此數(shù)值模型進行后續(xù)分析。

3 基坑群開挖順序?qū)蛄旱挠绊?/h2>

3.1 模擬基坑群開挖順序

基坑工程是一個三維空間結構，基坑工程受分步和分階段開挖作用的綜合影響， 呈現(xiàn)典型的空間效應，基坑變形的空間效應不僅體現(xiàn)在基坑的幾何形狀及支護結構上，還體現(xiàn)在基坑開挖不同先后開挖順序所形成的坑內(nèi)土體空間效應。

圖1 圍護樁水平位移監(jiān)測與模擬對比

按照基坑群類型劃分，該工程基坑群可以劃分為雙側(cè)多坑[8]，因四號基坑開挖深度只有0.977 m且距離高鐵橋梁較遠，故分析基坑群開挖順序時不考慮四號基坑。

從減小對高鐵橋梁擾動的角度出發(fā)，在對稱、高效的開挖原則下，優(yōu)化基坑群開挖順序，對比分析了對稱施工和分側(cè)施工中依次開挖和同時開挖4種方案[8]來模擬基坑過程中不同開挖順序，模擬施工順序如圖2所示。

圖2 模擬施工順序

方案一：該方案對稱施工依次開挖，基坑開挖先后順序為：1#基坑→5#基坑→2#基坑→6#基坑→3#基坑→7#基坑。

方案二：該方案對稱施工同時開挖，基坑開挖先后順序為：1#基坑、5#基坑→2#基坑、6#基坑→3#基坑、7#基坑。

方案三：該方案同時施工依次開挖，基坑開挖先后順序為：1#基坑→2#基坑→3#基坑→5#基坑→6#基坑→7#基坑。

方案四：該方案分側(cè)施工依次開挖，基坑開挖先后順序為：1#基坑、2#基坑、3#基坑→5#基坑、6#基坑、7#基坑。

3.2 計算結果分析

考慮到模型中模擬結果的相似性，結果標記點均選取在橋墩上方靠近普速鐵路一側(cè)上。4種不同基坑群開挖方案完成時141#～145#橋梁墩頂最大沉降及水平位移值見表2和表3。

由表2、表3可知：開挖基坑群時，橋墩141#和橋墩142#受基坑群開挖影響最大，這是由于現(xiàn)場保留的U型槽及擋土墻對橋墩143#形成了有效的保護，而且144#和145#距離基坑群較遠。在4種不同方案下的141#和142#墩頂累計沉降及水平位移曲線如圖3所示。

表2 橋墩沉降累計最大位移

表3 橋墩水平累計最大位移

圖3 不同方案141#～142#墩頂沉降和水平位移對比圖

由表2、表3和圖3可知。

(1)方案四基坑群分側(cè)施工同時開挖時，引起橋梁墩頂最大沉降值為-3.407 mm；方案一基坑群對稱施工依次開挖時，引起橋梁墩頂最小沉降值為-3.144 mm，均出現(xiàn)在142#墩頂，方案一比方案四中少了0.263 mm。

(2)在依次開挖和同時開挖的方案中對比橋梁墩頂沉降，其結果顯示為非線性疊加，同時開挖時的橋梁墩頂最終沉降不是單個基坑依次開挖導致墩頂沉降的線性疊加，約為線性疊加值的1.05～1.07倍，這與多個基坑同時開挖引起的土層應力場、位移場的變化有關。同時開挖多個基坑，基坑暴露面積較大，更容易導致周圍土體的松動，造成土體位移場發(fā)生變化，再開挖后續(xù)基坑時，引起的橋墩變形必然加大。

(3)從橋梁墩頂橫向水平位移看，由于基坑群分布在橋墩東西兩側(cè)，雙側(cè)基坑對稱同步開挖對橋梁墩柱具有很好的保護效果。從橋梁墩頂縱向水平位移看，因為基坑群均分布在橋梁墩柱141#的南側(cè)，不同施工方案對橋墩141#變形影響差異不明顯；但是對于橋墩142#，基坑群分布在其南北兩側(cè)，方案四分側(cè)施工同時開挖可以較好地控制施工過程中的橋墩142#的縱向水平位移。

4 開挖最終地表沉降對比

4種基坑群開挖順序開挖后土體整體豎向位移表現(xiàn)為坑內(nèi)土體隆起，基坑周邊出現(xiàn)沉降槽，4種方案開挖完成后地面最大沉降分別為-20.783 mm、-22.096 mm、-21.545 mm、-23.947 mm。4種方案地表最終沉降分布圖見圖4至圖7。

圖4 方案一最終地表沉降云圖

圖5 方案二最終地表沉降云圖

圖6 方案三最終地表沉降云圖

圖7 方案四最終地表沉降云圖

由圖4至圖7可知：

(1)地表沉降最大均發(fā)生在2#基坑ZU1和3#基坑YU1之間，這是由于開挖過程對基坑中間土體影響較大，2#基坑和3#基坑開挖深度最大，同時沉降槽影響范圍在0.5倍開挖深度內(nèi)[13]，2#基坑和3#基坑最小間距為4 m，而地表沉降最大處就是2#基坑和3#基坑的公共沉降槽。

(2)最大地表沉降發(fā)生在方案四分側(cè)施工同時開挖，這是由于同時開挖基坑深度及面積最大的2#基坑和3#基坑，基坑暴露面積大，基坑周圍土體應力場發(fā)生變化，導致沉降增大。

5 綜合分析最優(yōu)開挖順序

從以上對4種方案開挖順序引起的墩頂沉降、墩頂橫向水平位移、墩頂縱向水平位移和周邊地表沉降項對比分析可以看出，并無一種絕對在各項都占優(yōu)的開挖順序。故從減小高鐵橋梁擾動的角度出發(fā)，采用最優(yōu)分析法[1]尋求最小擾動方法，各對比項分配權重如下：橋墩墩頂沉降、橫向水平位移和縱向水平位移權重各0.3，周邊地表沉降0.1。任一項較優(yōu)者記90分，其次者記85分，再次者記80分，最差者記75分。

(1)經(jīng)計算，以橋墩141#為研究對象，各方案得分見表4。

表4 橋墩141#得分表

最終，方案一得分87分，方案二得分為81.5分，方案三得分為80.5分，方案四得分81分。

(2)經(jīng)計算，以橋墩142#為研究對象，各方案得分見表5。

表5 橋墩142#得分表

最終，方案一得分84分，方案二得分為83分，方案三得分為83.5分。方案四得分79.5分。方案一得分均為最高分，故方案一對稱施工依次開挖為最優(yōu)方案。

6 結 論

(1)整體來講，高鐵橋梁下基坑群的4種不同開挖方案對周邊地表和高架橋墩的影響不同，通過最優(yōu)分析法分析得出方案一對稱施工依次開挖為最優(yōu)開挖方案，對周邊土體和高鐵橋墩擾動相對較小。

(2)方案二在高鐵橋墩兩側(cè)對稱施工同時開挖可以有效的控制橋墩的橫向水平位移。對于基坑群分布在其南側(cè)橋梁墩柱141#，不同施工方案對其縱向水平位移影響差異不明顯；但是對于基坑群分布在其南北兩側(cè)的橋墩142#，方案四分側(cè)施工同時開挖可以較好地控制施工過程中的橋墩142#的縱向水平位移。

(3)在依次開挖和同時開挖的方案中對比橋梁墩頂沉降，其結果顯示為非線性疊加，墩頂沉降在基坑群同時開挖中約為依次開挖中的線性疊加值的1.05～1.07倍。

(4)采取的方案中，高鐵橋梁墩柱產(chǎn)生較大的變形，實際施工時可采用地基加固等方式減小橋梁變形，同時需加強對高鐵橋梁的監(jiān)測。