王佳辰

（中交第一公路勘察設(shè)計(jì)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(shù)規(guī)程》（TB 10182—2017）（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》）已由國(guó)家鐵路局于2017年12月22日發(fā)布，并于2018年4月1日起正式實(shí)施。《規(guī)程》對(duì)公路或市政道路以橋梁、樁板結(jié)構(gòu)、U型槽和框架結(jié)構(gòu)、路基及隧道等型式下穿高速鐵路的具體要求進(jìn)行了明晰且嚴(yán)格的規(guī)定。如：《規(guī)程》第3.0.3條明確要求受下穿工程影響的無(wú)砟軌道高速鐵路橋梁墩臺(tái)頂橫向、縱向、豎向位移限值均不得大于2 mm，否則應(yīng)采取鐵路限速措施或進(jìn)行專項(xiàng)論證。

《規(guī)程》的實(shí)行，為相關(guān)下穿高鐵的建設(shè)項(xiàng)目提供了明確的設(shè)計(jì)方向，也成為了鐵路部門(mén)對(duì)相關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工方案審查的切實(shí)依據(jù)。因此不少類似項(xiàng)目在設(shè)計(jì)或安全評(píng)估階段即需要針對(duì)項(xiàng)目建設(shè)對(duì)高鐵構(gòu)筑物位移的影響進(jìn)行充分分析計(jì)算。

本文針對(duì)中山市省道S268線岐江公路古鎮(zhèn)同興路口改造工程中的U型槽基坑對(duì)廣珠城際鐵路高架橋梁位移影響進(jìn)行三維數(shù)值分析，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行復(fù)盤(pán)，提出分析過(guò)程中的重點(diǎn)和注意事項(xiàng)，以期為國(guó)內(nèi)其他類似工程設(shè)計(jì)、施工項(xiàng)目提供參考。

1 工程概況

中山市省道S268線岐江公路古鎮(zhèn)同興路口改造工程位于中山市古鎮(zhèn)，計(jì)劃將一現(xiàn)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(shè)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(zhì)土、3.3～11.2 m淤泥、1.9～8.0 m粉砂、3.8～9.5 m淤泥質(zhì)土、2.2～18.7 m粉質(zhì)黏土、4.0～20.0 m全風(fēng)化角礫巖、4.8～31.7 m強(qiáng)風(fēng)化角礫巖。

隧道小樁號(hào)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(tái)最近平面距離約4 m，影響段落最大開(kāi)挖深度為5.1 m。承臺(tái)與基坑平面位置關(guān)系及基坑支護(hù)方案見(jiàn)圖1。

圖1 擬建U型槽基坑與現(xiàn)狀承臺(tái)平面位置關(guān)系圖

2 數(shù)值分析模型的建立

2.1 模型參數(shù)的選擇

巖土工程有限元數(shù)值分析最為關(guān)鍵的是地層及構(gòu)件物理力學(xué)參數(shù)、本構(gòu)模型的選擇。同一個(gè)三維實(shí)體模型，當(dāng)單元選取不同的物理力學(xué)參數(shù)及本構(gòu)模型時(shí)，分析結(jié)果往往存在較大差異，甚至與模型計(jì)算是否能收斂緊密相關(guān)。

地層參數(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、地勘報(bào)告及工程經(jīng)驗(yàn)綜合選?。唤Y(jié)構(gòu)材料按彈性本構(gòu)取相關(guān)參數(shù)。本項(xiàng)目模型參數(shù)選擇見(jiàn)表1、表2。

表1 模型各涉及單元物理力學(xué)參數(shù)表（1）

表2 模型各涉及單元物理力學(xué)參數(shù)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(diǎn)位置越來(lái)越遠(yuǎn)，工程對(duì)周邊環(huán)境的影響程度將越來(lái)越小。當(dāng)距離基坑工點(diǎn)位置大于3～5倍基坑開(kāi)挖深度時(shí)，開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境已基本沒(méi)有影響[2]。故在巖土工程有限元計(jì)算中，為了兼顧模型計(jì)算的準(zhǔn)確性和模型運(yùn)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(kāi)挖深度。

模型豎向尺寸的選擇按照上至自然地面，下至穩(wěn)定的持力層且應(yīng)包絡(luò)住基坑潛在滑動(dòng)面并留有富余的原則執(zhí)行。

2.3 幾何、網(wǎng)格及單元?jiǎng)澐?/h3>

三維數(shù)值分析的幾何、網(wǎng)格及單元?jiǎng)澐中枰⒁庖韵聨c(diǎn):

（1）繪制幾何模型時(shí)，務(wù)必及時(shí)進(jìn)行兩兩幾何元素之間的交叉分割，且在材料分界處務(wù)必建立相應(yīng)的分界幾何元素，避免后續(xù)網(wǎng)格劃分時(shí)產(chǎn)生交叉節(jié)點(diǎn)不耦合的情況。

（2）幾何模型建立時(shí)，樁體幾何宜與地層實(shí)體幾何進(jìn)行印刻處理，保證地層單元與樁的梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)耦合。

（3）網(wǎng)格及單元的劃分應(yīng)按照從低維至高維單元的順序進(jìn)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(shí)體單元無(wú)法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)耦合。

（4）需重點(diǎn)分析的部位，應(yīng)盡量將網(wǎng)格或單元?jiǎng)澋眉?xì)些，以提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（5）考慮到橋梁縱向受上部結(jié)構(gòu)(箱梁)的約束，橋梁下部結(jié)構(gòu)順橋縱向剛度很大，故橋梁實(shí)體單元?jiǎng)澐滞瓿珊螅嗽诟鞫枕敳刻砑觿傂赃B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(jiàn)圖2。

圖2 墩頂剛性連接單元

（6）基坑支護(hù)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(jì)算的豎向抗彎剛度應(yīng)等于實(shí)際支護(hù)樁豎向抗彎剛度?；又ёo(hù)樁單元的建立步驟為：幾何模型建立時(shí)，在地層實(shí)體幾何中將擬劃分的支護(hù)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(hù)樁單元。

（7）對(duì)于基坑地基加固范圍內(nèi)的地層應(yīng)單獨(dú)劃分網(wǎng)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(wǎng)格組屬性變化為復(fù)合地基屬性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)坑底加固的模擬。

（8）在現(xiàn)狀地基加固、支護(hù)樁施工前，需在現(xiàn)狀承臺(tái)周邊打設(shè)一圈長(zhǎng)15 m的鋼板樁作為隔離防護(hù)樁。本項(xiàng)目影響分析計(jì)算中對(duì)防護(hù)樁采用實(shí)體單元模擬，單獨(dú)建立網(wǎng)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(hù)樁階段，采用修改單元屬性的邊界條件，將這部分網(wǎng)格組屬性變化為鋼板樁屬性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)隔離防護(hù)樁的模擬。

（9）基坑開(kāi)挖后需要澆筑U型槽結(jié)構(gòu)。應(yīng)事先將基坑內(nèi)U型槽結(jié)構(gòu)厚度范圍的土體單獨(dú)建立網(wǎng)格組。基坑開(kāi)挖工況下，將這部分網(wǎng)格組單元鈍化；澆筑U型槽結(jié)構(gòu)時(shí)再重新激活，并賦予其“修改為混凝土結(jié)構(gòu)屬性”的邊界條件。

（10）模型未模擬基坑內(nèi)支撐，以保證現(xiàn)狀橋梁墩頂位移計(jì)算結(jié)果具有一定冗余量。

3 模型施工工況模擬及運(yùn)行分析

本項(xiàng)目模擬的是U型槽基坑施工開(kāi)挖對(duì)現(xiàn)狀橋梁位移的影響，現(xiàn)場(chǎng)施工順序?yàn)椋菏┳鳜F(xiàn)狀承臺(tái)隔離防護(hù)樁—施作基坑坑底加固及抗拔樁—施作基坑圍護(hù)樁及首層內(nèi)支撐、冠梁—開(kāi)挖基坑—施作U型槽主體結(jié)構(gòu)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工順序，需對(duì)各工況影響做分析計(jì)算。本次數(shù)值分析定義的施工工況分為初始地應(yīng)力計(jì)算，施作隔離樁、地基加固、抗拔樁及支護(hù)樁，開(kāi)挖工況和澆筑U型槽主體結(jié)構(gòu)。

3.1 初始地應(yīng)力計(jì)算

首先激活所有原始地層單元、現(xiàn)狀橋梁結(jié)構(gòu)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(jì)算所得位移清零，得到場(chǎng)地初始狀態(tài)，計(jì)算得到模型底部初始地應(yīng)力為2 900.735 kPa，符合理論值（見(jiàn)圖3）。

圖3 初始狀態(tài)計(jì)算結(jié)果（單位：kP a）

3.2 施作隔離樁、地基加固、抗拔樁及支護(hù)樁

在初始地應(yīng)力工況的基礎(chǔ)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(shí)體單元朝向承臺(tái)方向施加一定的鋼板樁打入時(shí)的擠壓力。激活抗拔樁、支護(hù)樁單元。進(jìn)行分析計(jì)算。

3.3 開(kāi)挖工況

可采用鈍化單元功能實(shí)現(xiàn)對(duì)基坑內(nèi)土體的開(kāi)挖，在3.2節(jié)工況基礎(chǔ)上將事先已單獨(dú)建立網(wǎng)格組的基坑內(nèi)土體單元（U型槽結(jié)構(gòu)厚度范圍土體和其余基坑內(nèi)土體應(yīng)分開(kāi)建立網(wǎng)格組）鈍化，并進(jìn)行計(jì)算分析。

3.4 澆筑U槽主體結(jié)構(gòu)

在3.3節(jié)工況基礎(chǔ)上將已鈍化的U型槽結(jié)構(gòu)厚度范圍的土體單元重新激活，并賦予其“修改為混凝土結(jié)構(gòu)屬性”的邊界條件。進(jìn)行計(jì)算分析。

4 計(jì)算成果

將上述已建立的施工階段組添加到軟件運(yùn)行分析中進(jìn)行計(jì)算，得到各階段施工對(duì)現(xiàn)狀橋梁墩頂位移影響值。

根據(jù)計(jì)算結(jié)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(fā)生在澆筑U型槽結(jié)構(gòu)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(jiàn)圖4至圖6），均小于《規(guī)程》的要求。

圖4 墩頂最大沉降計(jì)算結(jié)果（單位：mm）

圖5 橫橋向最大水平位移計(jì)算結(jié)果（單位：mm）

圖6 縱橋向最大水平位移計(jì)算結(jié)果（單位：mm）

上述計(jì)算成果已成功獲得鐵路審批部門(mén)認(rèn)可及審批，項(xiàng)目正順利進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）地層參數(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、地勘報(bào)告及工程經(jīng)驗(yàn)綜合選取，確保模型計(jì)算能夠收斂且計(jì)算準(zhǔn)確。

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

（3）支護(hù)樁等單元可按等效剛度原則簡(jiǎn)化為板單元或?qū)嶓w單元。

（4）施工各工況的模擬應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工順序進(jìn)行，善用軟件的激活、鈍化單元功能。注意務(wù)必進(jìn)行模型的初始地應(yīng)力分析計(jì)算并將位移清零，作為模型的初始條件。

（5）本項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案采取的基坑支護(hù)及現(xiàn)狀承臺(tái)周邊隔離防護(hù)措施，能夠滿足現(xiàn)狀高速鐵路橋梁墩頂位移要求。

（6）本項(xiàng)目問(wèn)題的解決方案已成功應(yīng)用在設(shè)計(jì)施工中，取得了技術(shù)及施工方案批復(fù)。設(shè)計(jì)內(nèi)容及設(shè)計(jì)過(guò)程中的分析計(jì)算可為類似工程問(wèn)題的解決提供有力參考。