城市軌道基坑開挖對臨近高架橋影響分析

朱慶賢，韋良文，2

(1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院;2.重慶交通大學(xué)山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地)

1 工程概況

重慶軌道交通環(huán)線渝魯站～五里店區(qū)間明挖段周邊建(構(gòu))筑物包括道路高架橋墩、魯能星城小區(qū)、排洪拱涵等。沖壓廠高架橋與擬建環(huán)線呈平行弧線走向，基坑深度為18～28m，主要為紛粉質(zhì)粘土和素填土其支護(hù)邊坡與高架橋2#橋墩東側(cè)基礎(chǔ)距離最小為5.98 m。因此本文選取較為危險的1#、2#和3#橋墩處進(jìn)行模擬分析。

2 工程地質(zhì)條件

沿線地下水可分為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。場地工程地質(zhì)等級為Ⅳ，場區(qū)地層變化較大，巖性多變，出露地層的為第四系全新統(tǒng)填土層(Q4ml)，其綜合和厚度為2～10 m，其下分布?xì)埰路e層(Q4el+dl)和侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)沉積巖層。基巖以Ⅳ級圍巖為主，主要巖層為泥巖和填土，各項力學(xué)變異性低中等，詳見表1。

表1 設(shè)計參數(shù)建議值

3 有限元模型

本段采用放坡與圍護(hù)樁結(jié)合的支護(hù)方式，主要為不等高雙側(cè)放坡開挖，2 m×2.5 m、間距4 m 的方樁作為垂直邊坡的初期支護(hù)措施，其上采用1∶0.7 的放坡比例開挖土體，坡面采用200 ×200 mm 雙層Φ8 鋼筋，100 mm 厚的C25噴射混凝土面層以及長度為10 m，直徑42 mm 注漿鋼花管1.2 m×1.2 m梅花形布置支護(hù)加固。

本模型主要的數(shù)值參數(shù)選取:

為了保證計算結(jié)果的精確度，圍巖和高架橋選用高精度三維實體單元進(jìn)行模擬;圍護(hù)樁采用梁單元;坡面混凝土噴護(hù)采用殼單元，各材料參數(shù)值見表2。

表2 模型參數(shù)取值

高架橋的載荷為結(jié)構(gòu)自重和橋面的可變荷載，在建模時未考慮預(yù)應(yīng)力。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60－204)關(guān)于荷載組合的規(guī)定和一般算法，對橋臺、蓋梁每個支座加荷載標(biāo)準(zhǔn)組合值9 537 kN。

三維有限元模型尺寸132 m ×94 m ×52 m。巖土體采用Drucker－Prager 模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)及橋墩臺采用彈性模型。巖土體和橋墩橋臺均采用solid45 單元，混凝土擋板采用plane43 單元，鋼支撐、排樁等采用beam188 單元。模型有限元網(wǎng)格圖，模型見圖1。

圖1 三維有限元模型圖

4 有限元計算結(jié)果分析

本模擬嚴(yán)格按照施工方提供的施工方案將施工步分為8 步，在沖壓廠高架橋橋墩、圍護(hù)樁和圍巖邊坡的關(guān)鍵部位選取控制點，提取出主要結(jié)構(gòu)各方向的位移、應(yīng)力結(jié)果和在各施工步的變化情況，詳見圖2～圖6。

圖2 高架橋最不利水平位移

圖3 高架橋最不利沉降值

圖4 高架橋、圍護(hù)樁最不利位置沉降值變化情況

由上述模擬計算可知，高架橋1#、2#、3#橋墩的最大水平和豎向位移絕對值為1.23 mm 和1.47 mm，應(yīng)力值0.38 MPa;圍護(hù)樁的最大水平和豎向位移絕對值為3.2 mm 和5.3 mm;均滿足規(guī)范要求。說明有限元數(shù)值模擬分析的結(jié)果能出反應(yīng)工程的真實變化，可以作為施工和技術(shù)評估的依據(jù)。

圖5 高架橋、圍護(hù)樁最不利位置水平位移變化情況

圖6 高架橋、圍護(hù)樁最不利位置應(yīng)力變化情況

5 方案對比分析

根據(jù)本實例的基本情況，考慮到經(jīng)濟(jì)節(jié)約、設(shè)計優(yōu)化和施工工藝創(chuàng)新等方面的因素，對支護(hù)結(jié)構(gòu)中的圍護(hù)樁選取了兩種方案與原方案進(jìn)行對比，從中找出綜合性能更好的最優(yōu)方案。

選取的另外兩種方案為人工挖孔灌注樁3 m ×2.5 m(間距6 m)方樁和機(jī)械鉆孔灌注樁直徑2.5 m(間距4 m)3種方案，分別進(jìn)行三維有限元模擬分析，結(jié)構(gòu)形式見圖7。

圖7 機(jī)械鉆孔管樁結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)計算結(jié)果，不同支護(hù)方案對自身和高架橋橋墩各方面最不利影響見表3。

表3 各方案最不利影響

由表3 的數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論:

(1)不同圍護(hù)樁的設(shè)計方案所得到結(jié)果的變化趨勢是一致的，說明各方案的功能是趨于同向的，只是具體效果有所不同。

(2)在材料用量基本相等的的情況下，小樁密排得到的效果比較好。從高架橋各橋墩的位移應(yīng)力中可以看出方案一、方案三與方案二相比，效果提高近1/3，而且材料相對用量少。

(3)從結(jié)構(gòu)上分析，在建筑(構(gòu)筑)物基礎(chǔ)旁邊較近范圍內(nèi)開挖基坑對其有一定的影響，主要為基礎(chǔ)一側(cè)土體被開挖破壞了土體原有的初始應(yīng)力狀態(tài)，出現(xiàn)了應(yīng)力重分布，最終影響其建筑物基礎(chǔ)的應(yīng)力應(yīng)變狀況。

6 結(jié) 論

(1)本工程采用有ANSYS 有限元軟件分析此類基坑開挖對臨近建筑影響的問題是可行的，是符合理論規(guī)范的。

(2)對垂直邊坡采用維護(hù)邊樁和100 mm 噴混組合的方法可以有效地遏止土體滑移，保證自身邊坡以及高架橋1#、2#、3#橋墩的安全，使1#、2#、3#橋墩的位移控制在3 mm 以內(nèi)，圍護(hù)樁和邊坡土體的位移控制在了20 mm 以內(nèi)。

(3)軌道交通環(huán)線渝魯站～五里店區(qū)間明挖段邊坡圍護(hù)樁采用了方案一，單樁截面尺寸2 m ×2.5 m、中心距為4 m;噴施混凝土厚100 mm;樁頂用2.5 m×1.5 m 的冠梁連接，保證圍護(hù)樁的結(jié)構(gòu)整體性。方案一為小樁密排，使邊坡處土體向基坑側(cè)滑移3.28 mm，向下沉降12.9 mm，可靠性大幅提高。

(4)邊坡土體向基坑內(nèi)側(cè)滑移，使邊坡和圍護(hù)樁位移增大，圍護(hù)樁應(yīng)力減小。由于土體的整體滑移，高架橋橋墩外側(cè)土體將作用于橋墩較大的推力，使橋墩自身應(yīng)力大增，是非常不利的。反之邊坡位移得到很好控制，由于基坑開挖，變坡處應(yīng)力釋放，會使圍護(hù)樁的應(yīng)力大增，使圍護(hù)樁無法得到有效控制。方案二和三就屬于上述情況，方案一是就是綜合上述情況而得以選定的。

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