趙 娜

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司南京設(shè)計(jì)院 南京市 210000)

隨著鐵路網(wǎng)的逐步完善，臨近高鐵橋墩的基坑開挖也逐漸增多。基坑開挖導(dǎo)致周圍土體產(chǎn)生位移，進(jìn)而引起臨近高鐵橋梁的樁身、承臺(tái)及橋墩產(chǎn)生位移。當(dāng)位移大到一定的數(shù)值時(shí)，將直接影響鐵路運(yùn)營的安全性和舒適性。基坑開挖對(duì)臨近建筑物的影響，已經(jīng)引起了工程界的重視[1-5]，因此，探討基坑開挖施工對(duì)臨近高鐵墩的位移影響可為相關(guān)實(shí)際工程提供一定的理論依據(jù)，很有實(shí)踐意義。

本文以實(shí)際工程為背景，對(duì)比分析了同一基坑開挖對(duì)不同距離的高鐵橋墩的橫橋向、順橋向和沉降方向的位移影響，研究結(jié)果可為同類工程設(shè)計(jì)及施工提供重要參考。

1 工程簡介

本工程基坑開挖平面為13.0m×13.0m，開挖深度為4m，沿基坑四周封閉施打樁長為9m的IV型拉森鋼板樁支護(hù)，距支護(hù)頂緣0.5m處沿橫橋向均勻設(shè)置一道3根鋼橫撐，橫撐采用圓柱型、中空的Ф609mm鋼管。既有高鐵承臺(tái)尺寸為10.08m×7.3m×2.5m，承臺(tái)頂距地面線距離為0.5m；既有樁基采用10根Ф1m鉆孔樁，樁長為35m。為了對(duì)比分析，基坑邊緣距既有高鐵承臺(tái)尺寸n分別取1m、3m、5m、7.5m、10m、15m、20m、25m、30m。

土層計(jì)算參數(shù)結(jié)合工程的地質(zhì)勘察報(bào)告和相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)按表1進(jìn)行取值。

2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的驗(yàn)算

MIDAS GTS有限元軟件模擬基坑開挖是基于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求的前提，即基坑支護(hù)體系有效的前提，因此先對(duì)基坑自身穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

表1 土層參數(shù)表

采用理正深基坑軟件模擬基坑開挖施工過程，采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)。主要驗(yàn)算基坑整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形，本文基坑穩(wěn)定性計(jì)算過程省略，在此，僅列出計(jì)算結(jié)果。

表2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算匯總

由表2可知，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性是滿足規(guī)范要求的。

3 基坑開挖對(duì)既有橋墩的有限元分析

3.1 有限元模型建立

就基坑開挖問題，國內(nèi)外應(yīng)用較多的研究方法是有限元法，該方法可以用于求解非線性問題，可在計(jì)算過程中模擬各種復(fù)雜的材料本構(gòu)關(guān)系，易于處理非均勻介質(zhì)問題、模擬各向異性材料，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的邊界條件。

采用有限元計(jì)算軟件MIDAS GTS建立三維模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。模型中土體的本構(gòu)模型采用莫爾-庫倫模型，土層計(jì)算參數(shù)結(jié)合工程的地質(zhì)勘察報(bào)告和相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)按表1進(jìn)行取值。樁土相互作用采用界面單元處理。土層模型底部施加豎向滑動(dòng)約束，兩側(cè)施加水平滑動(dòng)約束，模型表面為自由邊界。結(jié)合土層特點(diǎn)及施工經(jīng)驗(yàn)，以考察基坑開挖施工對(duì)既有高鐵橋墩的橫橋向(既有高鐵橋)、順橋向和沉降方向的位移影響。本文僅對(duì)n取10m的有限元結(jié)果進(jìn)行展示，對(duì)n取1m、3m、5m、7.5m、10m、15m、20m、25m、30m的有限元計(jì)算結(jié)果用于對(duì)比分析。

3.2 有限元施工模擬

根據(jù)已有文獻(xiàn)和工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)土體計(jì)算模型平面尺寸與結(jié)構(gòu)平面尺寸之比大于3～5時(shí)，邊界效應(yīng)的影響已經(jīng)很小，因此計(jì)算模型(n取10m)在順橋向(X方向)取95m，橫橋向(Y方向)取113m，沉降方向(Z方向)取65m。

為了綜合考慮具體的施工狀態(tài)，最大限度地模擬工程實(shí)際情況，在MIDAS GTS有限元軟件中通過激活樁墻，凍結(jié)開挖范圍內(nèi)土體單元，模擬基坑開挖過程：步驟一：初始地應(yīng)力平衡；步驟二：施打鋼板樁+基坑土體至第1道支護(hù)+內(nèi)撐；步驟三：基坑土體開挖至坑底。

3.3 有限元計(jì)算結(jié)果

圖4～圖9為n取10m時(shí)第1次開挖和第2次開挖橋墩X向、Y向和Z向的位移云圖。從圖中可以看出第1次基坑開挖X向最大位移發(fā)生在靠近基坑側(cè)承臺(tái)位置，為1.8036×10-5m；Y向最大位移發(fā)生在承臺(tái)下緣位置，為4.7914×10-4m；Z向最大位移發(fā)生在遠(yuǎn)離基坑側(cè)承臺(tái)位置，為-3.3524×10-4m。第2次基坑開挖X向最大位移發(fā)生在靠近基坑側(cè)承臺(tái)位置，為8.7185×10-6m；Y向最大位移發(fā)生在橋墩墩頂位置，為1.7979×10-3m；Z向最大位移發(fā)生在靠近基坑側(cè)承臺(tái)位置，為1.1214×10-3m。

3.4 不同距離的計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

基坑邊緣距既有橋墩承臺(tái)邊緣的距離n依次取1m、3m、5m、7.5m、10m、15m、20m、25m、30m，分別建立相同施工步驟的有限元模型，對(duì)第1次開挖和第2次開挖引起的橋墩最大順橋向(X方向)、橫橋向(Y方向)、沉降方向(Z方向)位移進(jìn)行對(duì)比分析，繪制出其位移變化曲線如圖10～圖12。

可以看出，隨著基坑距既有橋墩距離的增大，基坑開挖對(duì)既有鐵路橋墩各方向位移的影響逐漸減小，其計(jì)算結(jié)果可以真實(shí)地反映基坑工程的實(shí)際情況；基坑開挖對(duì)橫橋向(Y方向)、沉降方向(Z方向)位移的影響明顯大于對(duì)順橋向(X方向)位移的影響；面積為13m×13m、深4m的基坑，距既有橋墩距離大于15m時(shí)，橋墩各方向的位移小于1mm，可以認(rèn)為此時(shí)基坑開挖對(duì)橋墩基本無影響。

4 結(jié)論

主要對(duì)比分析了面積為13m×13m、深4m的基坑距既有橋墩不同距離時(shí)引起既有橋墩的位移變形影響，從計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析中可以看出：基坑開挖對(duì)橫橋向(Y方向)、沉降方向(Z方向)位移的影響明顯大于對(duì)順橋向(X方向)位移的影響；面積為13m×13m、深4m的基坑，距既有橋墩距離大于15m時(shí)，橋墩各方向的位移小于1mm，可以認(rèn)為此時(shí)基坑開挖對(duì)橋墩基本無影響。

隨著基坑面積的增大、基坑深度的加深對(duì)既有橋墩產(chǎn)生的位移影響，以及不同基坑支護(hù)剛度及不同土層參數(shù)等對(duì)位移變形的影響，筆者將在后續(xù)進(jìn)一步研究。