地下車站基坑開挖結構回筑對鄰近國鐵橋梁影響的有限元分析

程濟凡

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430000）

某綜合交通樞紐工程，地下車站需從國鐵橋梁的兩個孔跨橋墩間橫穿通過。因地下車站圍護結構距離國鐵橋梁樁基礎極近，可能因基坑開挖導致土體位移而對國鐵橋梁樁基產生不利影響。土體的水平位移可能導致樁身產生附加彎矩、應力和位移，嚴重時將引起鄰近的橋梁樁基過量變形甚至破壞[1]。因此，研究基坑開挖和結構回筑對鄰近橋梁樁基的影響是至關重要的。

文章對該工程中地下車站從基坑開挖到結構回筑各階段進行三維有限元數值模擬，研究其對鄰近橋梁橋墩承臺位移，樁基附加彎矩和位移的影響，以供設計、施工參考。

1 工程概況

某L型綜合交通樞紐工程，地下部分為新建地鐵車站，地上部分為國鐵站房，兩者合建。其中地下車站局部100 m長度范圍的結構需從國鐵橋梁的兩個孔跨橋墩間橫穿通過。

地下站標準段基坑深度30.2 m，端頭井深度31.2 m。根據地勘資料，場地內大面積分布呈流塑—軟塑狀態的淤泥及淤泥質粉質黏土，層厚達18.6～23.3 m。綜合本站的特點、周邊環境、水文地質條件和工程造價，本站基坑采用1.2 m厚地下連續墻+內支撐的支護型式。標準段及端頭井均設置7道支撐，其中第一、二、四、五道為混凝土支撐，二、六道為鋼支撐 （另設一道鋼換撐）。

地下車站左右兩側均為國鐵橋梁承臺，承臺邊緣距地下連續墻外邊線距離僅為0.6 m，承臺寬度4.8 m，長度分別為9.5、17.9及30 m；橋梁承臺樁基距地下連續墻最近距離為1.1 m，樁徑1.0 m，樁長為62 m。地下車站與國鐵橋梁承臺樁基的關系圖如圖1、圖2所示。

車站及橋梁施工時序暫定為先開挖車站基坑，待車站底板封板后開始橋梁樁基承臺施工。

圖1 車站與橋梁承臺樁基關系平面示意圖

圖2 車站與橋梁承臺樁基關系剖面示意圖

2 三維有限元模擬

本計算采用midas gts NX軟件進行三維有限元模擬，計算假定如下：（1） 地表和各層土均呈均質水平層狀分布。（2） 土體為各向同性、連續的彈塑性材料，服從修正Mohr-Coulomb屈服準則[2]。（3） 圍護結構與土體采用變形協調計算的方法。（4） 假定車站基坑開挖施工過程中，連續墻、樁基與周圍地基土體的接觸面間沒有相對滑動，接觸面間節點共同位移，以考慮它們之間的作用[3]。

模型采用六面體、四面體混合網格，巖土本構模型采用各向同性摩爾庫倫模型，地下連續墻、混凝土及鋼支撐、橋梁樁基、承臺均采用線彈性模型進行施工模擬。結構整體三維模型如圖3所示。

圖3 整體三維有限元模型

計算共設置21道工況，工況過程如下：初始應力分析 （模擬初始地應力） →位移清零 （清除初始地應力造成的土體位移） →施作地下連續墻→開挖土體2.5 m，施工第一道混凝土支撐→開挖土體5.5 m，施工第二道混凝土支撐→開挖土體5 m，施工第三道鋼支撐→開挖土體3.5 m，施工第四道混凝土支撐→開挖土體5 m，施工第五道混凝土支撐→開挖土體6 m，施工第六道鋼支撐→開挖至基底并施工車站底板→施工橋梁樁基、承臺、橋墩→位移清零 （清除前期開挖過程中造成的土體位移） →拆除第六道支撐→施作鋼支撐換撐→拆除第五道支撐→施工中二板→拆除第四、三道支撐→施工車站中一板→拆除第二道支撐→施工頂板→拆除第一道支撐。

3 計算模型驗證

為驗證計算模型的正確性，采用同濟啟明星軟件FRWS建立基坑的二維斷面模型，地連墻跨中水平位移值二維與三維計算結果如表1所示。

表1 地連墻跨中水平位移二維、三維計算結果 /mm

二維計算和三維計算的位移結果相近，可認為三維模型的建模及計算是準確可信的。

4 計算結果

車站施工引起的橋梁橋墩墩頂最大水平位移值如表2所示。

表2 車站施工引起橋墩墩頂最大水平位移值表 /mm

車站施工對橋梁樁基產生的附加彎矩值如表3所示。

表3 車站施工產生的橋梁樁基附加彎矩值表 /（kN×m）

從計算結果可知，地下車站施工時，橋梁承臺最大位移約為1.32 mm。橋墩墩頂最大水平位移約為6.97 mm，按《高速鐵路橋涵工程施工質量驗收標準》 （TB 10752—2018） 條文，高速鐵路橋墩的施工容許偏差為20 mm，因此，地下車站施工引起的國鐵橋梁橋墩承臺位移滿足規范要求。同時產生的樁基附加彎矩值較小，橋梁樁基截面及配筋滿足受彎承載力要求。

5 結語

文章采用有限元分析方法，對地下站基坑開挖主體結構回筑階段對鄰近國鐵橋梁樁基承臺的影響進行了數值模擬。可以得出以下幾點結論。

（1） 地下車站基坑及主體施工引起的橋梁承臺橋墩位移值較小。墩臺位移滿足相關規范要求。

（2） 車站施工產生的橋梁樁基附加彎矩較小，對橋梁樁基受力基本無影響。

（3） 待地下車站底板封板后開始橋梁樁基承臺施工的方案是可行的，同步施工可節省工期。

（4） 有限元軟件無法模擬基坑開挖土體擾動對巖土力學參數的影響，可在基坑底板封板后通過地質勘探或其他手段，重新確定橋墩范圍內巖土力學參數，并重新校核有限元計算結果。

文章的數值模擬方法及相關結論可為相關工程設計及施工提供一定的參考和借鑒。