地鐵車站基坑開挖對既有橋梁的影響分析

陳國義（廣州鐵路（集團）公司，廣東 廣州　510000）

地鐵車站基坑開挖對既有橋梁的影響分析

陳國義
（廣州鐵路（集團）公司，廣東 廣州510000）

摘要：本文以北京地鐵十號線學(xué)院路車站的設(shè)計與施工為背景，研究了地鐵車站基坑開挖對既有橋梁的影響。論文收集了基坑開挖過程中既有橋梁的各種變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行了整理分析，并結(jié)合有限元軟件ANSYS，對基坑開挖引起橋梁變形特征進行了詳細(xì)的總結(jié)，研究得出了地鐵車站基坑開挖對既有橋梁變形影響的規(guī)律，并對變形規(guī)律的內(nèi)在原因做了分析探討；

關(guān)鍵詞：地鐵車站；既有橋梁；基坑；容許變形；有限元；監(jiān)測數(shù)據(jù)

中圖分類號：TU47；U443.1

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-864X（2015）05-0129-01

一、工程概況

學(xué)院路車站處于十號結(jié)4#標(biāo)段，設(shè)于學(xué)院路與北土城西路交叉路口的南側(cè)，車站縱向由三部分組成，中段為暗挖部分，兩端為明挖部分，中部穿越學(xué)院路采用單層兩跨連拱暗挖結(jié)構(gòu)。兩端采取明挖結(jié)構(gòu)。明挖段長度分別為50.5m及56.5m；暗挖段長度為60m；車站中軸線長169m。

考慮在學(xué)知橋正常使用狀態(tài)下進行基坑開挖，因此除了在施工工法方面采取特殊措施外，還對橋梁做了一系列的保護措施：

1.在基坑開挖之前，沿基坑四周設(shè)置人工挖孔樁，樁徑1200mm，樁間距1200mm，跳孔施工。

2.在既有樁周邊增設(shè)補強樁，與原橋樁共同承擔(dān)豎向荷載。

3.在新增橋樁中預(yù)埋注漿管，補強樁施工完成后，對樁底進行壓密注漿。

4.在新樁施工完成后，將舊承臺鑿毛清洗干凈，新舊承臺連接采用植筋的方法，電錘鉆孔，錨固膠錨固 。

5.對挖孔樁附近土體進行注漿加固。

二、計算模型

（一）計算模型的建立。

本工程當(dāng)中，由于工程實際情況比較復(fù)雜，作了以下簡化：

1.基坑四周為人工挖孔樁，由于在實際建模過程中很難實現(xiàn)，根據(jù)等剛度原則，將其換算為壁式連續(xù)墻[2]，鋼支撐等價為加在支護墻體上的集中荷載[3]。

2.基坑開挖不考慮圍護結(jié)構(gòu)施工對土體擾動的影響。

3.同一層土為均勻，各向同性材料。

4.建模過程當(dāng)中，沒有考慮新建補強樁的影響。

土體采用8節(jié)點三維實體solid45單元，本構(gòu)模型選用Drucker-Prager理想彈塑性模型。鋼筋混凝土地連墻采用shell63殼單元，連續(xù)墻假設(shè)為線彈性材料。圖1為有限元計算模型。

圖1　基坑有限元計算模型

圖2　初始應(yīng)力狀態(tài)下基坑變形云圖

（二）初始應(yīng)力的模擬。計算初始應(yīng)力場是為了確定土層中各點的初始模量和開挖計算的起始應(yīng)力條件，計算時采用收斂速度和計算效率好的牛頓迭代逼近法。各土層采用假定的平均彈性模量E計算初始剛度，建立平衡方程求得第1次近似應(yīng)力，將求得的應(yīng)力代入D-P本構(gòu)模型中，計算出各個單元每個高斯點的初始模量E，然后再進行第2次平衡方程的迭代，直到兩次迭代結(jié)果的最大誤差小于給定值，即可結(jié)束，此時的應(yīng)力即為所求的初始應(yīng)力場。

1.計算參數(shù)的選取，根據(jù)實際情況選取土體參數(shù)即可。

2.邊界條件。施加邊界條件有利于計算過程的收斂性和保證計算結(jié)果的合理性，在模型的三個側(cè)面（包括基抗的兩側(cè)和一端側(cè)面）法向用零位移進行約束，另一端設(shè)置為零為對稱的邊界條件，模型的底部也以在面的法向上用零位移進行約束。。

3.荷載的施加。把土體、橋樁以及連續(xù)墻等材料定義自重，施加到計算模型上，同時，把上部結(jié)構(gòu)傳遞的力施加到橋樁上面，下面為初始應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變圖。

（三）施工開挖過程模擬。為了更好的說明基坑開挖過程中，支撐對控制基坑及橋樁水平變形所起到的作用，本次模擬分有支撐和無支撐兩種。圖2為開挖后理論計算的基坑變形情況。

三、模擬計算結(jié)果分析

通過對基坑有橫向支撐和無橫向支撐兩種不同情況的計算模擬，可得到橋樁的水平位移、傾斜以及整體沉降和差異沉降等變形情況，在有限元計算模型計算的結(jié)果中，只能得到橋梁整體沉降、差異沉降、結(jié)構(gòu)傾斜，橋樁水平變形數(shù)據(jù)。

1.整體沉降。通過實測沉降值與理論值的比較，總體上，有限元計算結(jié)果偏大，但總體變形趨勢一致。有橫向支撐和無橫向支撐相比，結(jié)構(gòu)整體沉降變化不大，但在有支撐情況下，由于支撐預(yù)應(yīng)力作用，會導(dǎo)致周圍土體微微隆起，結(jié)構(gòu)在開挖開始階段沉降出現(xiàn)負(fù)值。無論是實測值，還是有限元計算值，整體沉降不大，遠小于警戒值20mm。（建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范GB5007-2011表5.3.4）

這說明，基坑開挖對現(xiàn)有橋梁的整體沉降影響不大，而且，有支撐與無支撐相比，沉降相差不大。但是理論計算與實測相比，沉降量偏大。

2.下部結(jié)構(gòu)傾斜。通過理論與實測值的比較，實測結(jié)果與有限元計算結(jié)果變形趨勢基本一致，但差值比較大；實測最大傾角南北方向只有0.02度，東西方向為0.03度，而理論計算南北方向最大傾角為0.14度，東西方向最大傾角接近0.2度。

3.下部結(jié)構(gòu)水平位移。隨著基坑開挖，結(jié)構(gòu)水平位移是逐漸增大，而且無支撐與有支撐計算結(jié)果相差很大，說明水平支撐對于控制結(jié)構(gòu)側(cè)身變形起到重要作用。

四、結(jié)論

從學(xué)院路車站的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，采取適當(dāng)?shù)募庸痰却胧┖螅_挖時既有車站的變形很小。橋梁整體沉降、異沉降、側(cè)向變形都比較小，都小于施工時所規(guī)定的警戒值，說明施工時所采取的保護措施是有效的。但是橋梁的整體傾斜和水平位移比較大，在以后類似的工程中，應(yīng)該加強對結(jié)構(gòu)水平位移及整體傾斜的保護措施，確保橋梁的正常使用與基坑施工的安全。

參考文獻：

[1]張汎，劉軍等。地鐵隧道施工引起的地層位移對既有橋梁樁基的影響分析。 市政技術(shù)，2005 Vol.23 No.z1 P.86-89.

[2]劉建航，候?qū)W淵主編.基坑工程手冊.北京：中國建筑工業(yè)出版社 1997.

[3]沈珠江.理論土力學(xué).北京：中國水利水電出版社.2000.