某新建建筑對既有拱涵影響分析

左 利 兵

(中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 400042)

0 引言

隨著城市快速發(fā)展，建設(shè)用地日趨緊張，新建建筑與原有市政管網(wǎng)的沖突越來越凸顯。如若處理不慎，將會(huì)對管網(wǎng)造成損壞，影響工程進(jìn)度，嚴(yán)重的將會(huì)影響人民正常生活和城市運(yùn)行秩序。尤其是當(dāng)原管線位于填土內(nèi)時(shí)，影響更為劇烈。如何減小甚至避免風(fēng)險(xiǎn)是當(dāng)前工程中所亟待解決的問題。

拱涵作為一種拱式結(jié)構(gòu)，利用其良好的抗壓性能及泄水能力大特點(diǎn)，在城市排洪體系中得到廣泛的應(yīng)用。相關(guān)研究表明，加筋可改變涵頂上方填土應(yīng)力分布，柔性填料、先填后挖法等可有效減小涵頂土壓力[1，2]；增加拱的厚度、增大基坑開挖深度及減小拱的跨度及凈高，可以有效提高工程保護(hù)效果[3]。但當(dāng)拱涵已經(jīng)形成，后期施工活動(dòng)中如何對其進(jìn)行保護(hù)、減小影響作用是所要面臨的問題。

本文采用數(shù)值分析研究方法，結(jié)合一具體工程實(shí)例，對新建建筑采用大直徑樁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)跨越原有市政排洪拱涵，探討了該種方式的可行性及其處理效果，為今后類似的工程提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 概況

新建項(xiàng)目共包含G1號～G4號四棟高層建筑及地下車庫、商業(yè)，建設(shè)場地位于已有市政排洪管線范圍內(nèi)。新建建筑為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，采用樁基礎(chǔ)。排水拱涵整體位于填土內(nèi)，拱涵斷面為直墻圓拱型，基礎(chǔ)底板及涵臺均為C20混凝土，拱圈為C30混凝土，拱圈兩側(cè)為M7.5水泥砂漿砌片石，拱涵基礎(chǔ)以下填充部分為換填片石。市政排水拱涵工程已于2012年9月完成竣工投入使用。新建項(xiàng)目與市政排水拱涵的位置關(guān)系見圖1，其中與排洪拱涵有直接影響的為新建G3號、G4號樓。

1.2 地質(zhì)情況

排洪拱涵位于填土內(nèi)，其中G3號樓位置處排洪拱涵地基換填地層片石坐落于基巖上，G4號樓位置處排洪拱涵在回填土中穿過。G3號樓拱涵頂部距離地面約18 m，G4號樓拱涵頂部距離地面約16 m，根據(jù)JTG D70—2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[4]判定穿越本項(xiàng)目場地的排水拱涵圍巖等級為Ⅴ類。

1.3 設(shè)計(jì)方案

排洪拱涵的存在直接影響擬建項(xiàng)目基礎(chǔ)布置。根據(jù)保護(hù)方案設(shè)計(jì)采用跨越結(jié)構(gòu)，在排洪拱涵兩側(cè)布置大直徑跨越樁，樁與樁之間由承臺梁連接，形成剛度較大的承臺梁平臺跨越排洪拱涵，對拱涵保護(hù)距離上部的豎向構(gòu)件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如圖2所示。

1.4 風(fēng)險(xiǎn)源分析

排洪拱涵已于2012年竣工投入使用，目前由于地形及周邊環(huán)境的變化，其作用已減弱，但仍保留存在。擬建項(xiàng)目實(shí)施過程中首先為基坑開挖，然后修建裙樓及塔樓，對排洪拱涵的影響為先卸載后加載的過程，風(fēng)險(xiǎn)源主要有：

1)擬建項(xiàng)目分布有地下車庫，基坑開挖過程卸荷會(huì)導(dǎo)致排洪拱涵產(chǎn)生向上的豎向位移，若變形較大可能會(huì)影響排洪拱涵結(jié)構(gòu)安全與運(yùn)營安全。

2)基坑開挖過程中，排洪拱涵結(jié)構(gòu)部分區(qū)域圍巖壓力可能產(chǎn)生變化。

3)基坑開挖及結(jié)構(gòu)加載可能導(dǎo)致拱涵產(chǎn)生偏壓，產(chǎn)生不均勻沉降，對拱涵受力產(chǎn)生不利影響。

4)基坑開挖及主體結(jié)構(gòu)加載，可能導(dǎo)致拱涵周邊產(chǎn)生新的塑性區(qū)，影響拱涵穩(wěn)定性。

5)裙樓及塔樓完成以后建筑附加荷載可能會(huì)導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)及圍巖內(nèi)力變化，影響其結(jié)構(gòu)安全與正常使用。

2 數(shù)值模擬

2.1 分析模型

利用Midas/GTS有限元軟件建模分析，巖土體采用平面應(yīng)變單元，視為Mohr-Coulomb彈塑性材料，樁、梁及拱涵混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性模型[5]。綜合考慮建筑荷載對拱涵的有效影響范圍及邊界效應(yīng)影響，計(jì)算模型范圍向兩側(cè)及底部擴(kuò)展,有限元分析模型見圖3。

2.2 參數(shù)取值

根據(jù)地質(zhì)勘察資料及排水拱涵竣工資料，數(shù)值分析巖土體力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算值

數(shù)值分析荷載條件根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的基礎(chǔ)平面布置圖及荷載值，大直徑跨越樁基礎(chǔ)荷載分別包含軸力、彎矩、剪力，內(nèi)力見表2。

表2 跨越樁的基礎(chǔ)內(nèi)力

3 結(jié)果分析

按項(xiàng)目修建順序，在拱涵存在的情況下模擬場地平場、基坑開挖及建筑物基礎(chǔ)加載等工況。第一步模擬拱涵存在時(shí)的初始狀態(tài)。擬建項(xiàng)目實(shí)施前排水拱涵已正常運(yùn)行數(shù)年，填土固結(jié)沉降已基本完成。第二步模擬基坑開挖。基坑開挖巖土體將發(fā)生回彈變形，引起圍巖周邊巖土體應(yīng)力發(fā)生變化。第三步模擬建筑物基礎(chǔ)加載。隨著地上部分的逐層施工，荷載逐步施加，回彈變形消失并演化為向下的豎向變形，巖土體應(yīng)力亦隨之變化。

3.1 位移變形分析

基坑開挖后，釋放巖土體重力荷載，排水拱涵隨基坑底部一起發(fā)生整體回彈(向上位移)，見圖4；G3號樓樁基礎(chǔ)加載完成后加載再壓縮，使拱涵產(chǎn)生整體的向下位移，見圖5，各代表性點(diǎn)的位移變化值見表3。

表3 G3號樓剖面拱涵位移計(jì)算統(tǒng)計(jì)表 mm

基坑開挖后最大豎向變形2.98 mm，回彈變形引起的拱涵基礎(chǔ)傾斜率為(2.98 mm～2.14 mm)/13 100 mm≈0.006%，換填片石傾斜率為0.002%；加載后最大豎向變形18.48 mm，基礎(chǔ)及換填片石層傾斜率分別為0.040%,0.044%，均滿足GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范限值要求。

其中拱圈頂部基坑開挖后豎向回彈值為2.69 mm，基礎(chǔ)加載后下沉17.79 mm，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，拱頂下沉允許值為3 mm≤ξ≤24 mm，拱涵在該項(xiàng)目基坑開挖及擬建物加載后拱頂變形位移量滿足規(guī)范要求，未產(chǎn)生規(guī)范不允許的沉降值。拱涵在建筑物基坑開挖、基礎(chǔ)加載后洞周水平位移收斂值見表4，小于0.1%，滿足規(guī)范要求。

表4 洞周水平相對收斂值計(jì)算

G4號樓位置填土厚度大，排洪拱涵基礎(chǔ)換填片石層位于填土上，分析結(jié)果顯示基坑開挖后最大回彈變形18.59 mm，基礎(chǔ)傾斜率為0.016%，換填片石層傾斜率為0.017%；樁基礎(chǔ)加載后，最大變形30.27 mm，基礎(chǔ)傾斜率0.070%，換填片石層傾斜率為0.075%；洞周水平位移收斂值小于0.1%，亦滿足要求。但基坑開挖后拱頂最大上浮量為14.04 mm，加載后最大下沉量達(dá)25.73 mm，已超過規(guī)范要求，須采取措施。

設(shè)計(jì)方案在填土范圍內(nèi)樁側(cè)設(shè)置柔性隔離材料，減少樁基礎(chǔ)荷載通過填土傳遞到拱涵四周。模擬采取隔離措施后，得到豎向位移云圖見圖6，加載后最大下沉量為18.09 mm，此時(shí)各項(xiàng)變形指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

3.2 內(nèi)力分析

表5 G3號樓剖面拱涵應(yīng)力計(jì)算成果表 kPa

通過模擬計(jì)算(如圖7所示)得到應(yīng)力計(jì)算成果見表5，結(jié)果表明，G3號樓位置拱涵施工完畢后拱體產(chǎn)生的拉應(yīng)力較小，最大為179.5 kPa，出現(xiàn)在拱涵C20基礎(chǔ)位置，C20混凝土涵臺內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力最大，為2 429 kPa；基坑基槽開挖后，最大拉應(yīng)力及壓應(yīng)力有所減小；加載后最大拉應(yīng)力增大為212.1 kPa，仍位于拱涵C20基礎(chǔ)位置，最大壓應(yīng)力稍有增大。拱涵結(jié)構(gòu)拉、壓應(yīng)力均未超過材料的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。基礎(chǔ)加載后，拱涵不會(huì)因應(yīng)力超過材料強(qiáng)度而發(fā)生破壞。G4號樓位置拱涵內(nèi)力值明顯較小，填土的變形作用使得應(yīng)力重新分布，緩解了集中現(xiàn)象。

拱涵形成后在基礎(chǔ)下方換填片石層兩側(cè)出現(xiàn)小范圍塑性區(qū)，隨著項(xiàng)目實(shí)施，該區(qū)域的塑性區(qū)分布范圍及數(shù)值變化較小，仍然集中在拱涵換填片石層區(qū)域，在拱涵結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)部分未見產(chǎn)生塑性區(qū)。基坑開挖和修建建筑物后，拱涵處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 施工質(zhì)量控制

本措施最大風(fēng)險(xiǎn)在于樁施工過程，因此在實(shí)施過程中應(yīng)采取如下保證措施：

1)場地填土厚度大，跨越樁直徑較大，樁成孔過程中容易產(chǎn)生垮孔，加強(qiáng)護(hù)壁，樁孔形成后及時(shí)澆筑，防止垮孔對排洪拱涵產(chǎn)生不利影響。

2)樁身四周設(shè)置柔性隔離材料，設(shè)置范圍控制在拱涵片石換填層標(biāo)高以下不小于3 m。通過隔離材料的設(shè)置將有效減小樁基礎(chǔ)荷載通過填土傳遞到拱涵四周，保證絕大部分荷載傳遞至中等風(fēng)化巖層中。

3)加強(qiáng)跨越樁和承臺梁的整體剛度，并保證樁頂與承臺梁的有效連接，保證樁與承臺梁協(xié)同工作。

4)施工過程中采取跳樁開挖，同時(shí)嚴(yán)禁場地周邊爆破施工、強(qiáng)夯及其他引起振動(dòng)的活動(dòng)，盡量減少對拱涵周邊土體產(chǎn)生擾動(dòng)。

目前新建建筑已施工完畢，施工過程正常，未發(fā)生異常情況，排洪拱涵正常運(yùn)行；工后監(jiān)測結(jié)果正常，新建建筑及拱涵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

5 結(jié)語

1)對深厚填土中的拱涵，新建建筑采用跨越樁和承臺梁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的措施對拱涵進(jìn)行保護(hù)的方案可行，風(fēng)險(xiǎn)可控。

2)對拱涵影響范圍內(nèi)的樁身采取隔離措施，通過隔離材料的設(shè)置將有效減小樁基礎(chǔ)荷載傳遞到拱涵四周，保證絕大部分荷載傳遞至深層巖土層中，可有效減小對拱涵的影響。