基于有限元模型的深基坑開挖對鄰近橋梁的影響分析

金宏剛 蔡連波 胡敏云

（1、浙江工業大學土木工程學院，浙江 杭州310014 2、浙江航冠工程設計有限公司，浙江 杭州310000）

1 概述

基坑開挖時，通過地層應力釋放與土層變形對周邊土層產生影響，因此基坑開挖的關鍵是分析其對周邊建筑物的環境影響。在基坑開挖的過程中要加強對周邊建筑物的沉降變形觀測，充分考慮基坑開挖對建筑物的影響，防止因基坑開挖導致周邊建筑物發生過大變形或不均勻沉降，從而導致建筑物開裂甚至倒塌，對于橋梁而言，如果沉降過大，相鄰兩橋臺沉降差過大，則可能影響行車舒適度、耐久性，更嚴重者可能發生安全事故。

不少學者采用有限元法對基坑開挖及周邊建筑物進行整體分析，較為代表性的成果如鄭剛和李志偉[1-3]通過建立三維有限元模型，分別考慮建筑物剛度、建筑物樓層、建筑物初始不均勻沉降、坑角效應等不同條件，分析了基坑開挖對鄰近建筑物的影響。康志軍[4]等研究圍護結構最大側移對鄰近樁基礎建筑物的影響。王翠[5]等采用有限差分法，進行基坑開挖的數值模型，研究深基坑開挖對鄰近橋樁的影響機制，通過樁身負摩阻力，不平衡力以及樁基的沉降來反映樁基的響應。

本文以杭州實際深基坑工程為例，對基坑開挖影響下鄰近高架橋結構沉降變形進行分析，評價基坑鄰近其安全性。

2 工程概況

本工程為杭州“四縱五橫”快速路系統中“天目- 環北- 艮山”快速路的綜合管廊設計。綜合管廊起點聚首路順接在建艮山路綜合管廊，沿下沙路、海達南路、12 號路布置，終于23 號路東側，與擬建過江段綜合管廊相銜接，全長約7km。

2.1 繞城高架概況

繞城高架上跨12 號路采用跨徑30m 后張預應力砼T 梁，橋下空間約7 米，采用雙柱式橋墩，橋墩方形立柱邊長130cm。橋墩基礎采用雙排四根鉆孔灌注樁，樁徑120cm，樁長約50m，按摩擦樁設計，樁底位于粉質粘土層。承臺為矩形承臺，尺寸為520*240*175cm。如圖1 所示。

圖1 綜合管廊下穿繞城高速剖面圖

2.2 綜合管廊基坑概況

2.2.1 圍護結構概況

2.2.2 圍護結構計算

基于上述基坑條件可知，本基坑屬于一級基坑，通過計算可得：（1）支護結構最大水平位移：11.3mm，滿足要求。（2）坑底抗隆起（圓弧滑動）安全系數：K＝1.69>1.6，滿足要求。（3）墻底抗隆起安全系數：K＝2.17>1.8，滿足要求。（4）整體穩定性安全系數：K＝1.43>1.3，滿足要求。結果計算表明，圍護結構內力分布合理，變形滿足要求。

3 基坑開挖影響分析

管廊基坑施工對繞城高速安全的影響主要表現在以下方面：

3.1 基坑施工對繞城高速的運營功能的影響

基坑圍護結構施工時機械振動及噪音，會影響繞城高速的運營服務水平。

3.2 基坑施工對繞城高速橋梁安全的影響

基坑開挖時圍護結構變形會導致橋墩周邊土體產生側向位移，從而引起高速橋墩承臺及樁基產生水平位移，同時基坑降水會導致橋梁樁基及承臺產生豎向沉降，若不采取相應的保護措施則會影響橋梁結構安全和運營安全。

4 有限元模型建立及數值模擬計算分析

本工程采用有限元軟件MIDAS GTS 進行模擬計算。MIDAS GTS 的可靠性已經得到了大量工程的實際驗證，能夠確保施工所要求的精度和準確性。

4.1 模型的建立及網格劃分

本工程根據繞城高速、基坑設計、施工條件等相關資料簡化計算模型。模型中，巖土體、橋墩、承臺采用實體單元模擬，橋樁、冠梁、支撐采用梁單元，基坑圍護樁結構根據剛度等效原理采用板單元。巖土體本構模型采用修正摩爾- 庫倫（Modified Mohr-Coulomb）模型進行模擬，其余采用彈性模型。土體和樁體采用界面單元進行連接，其接觸面法向采用“硬接觸”，切向采用庫倫摩擦接觸，以模擬土體對樁的摩擦作用。摩擦系數根據土體的平均內摩擦角進行確定。模型使用參數詳見表1，土層厚度按工程地質勘探點確定。

為消除模型邊界效應影響，并考慮計算效率問題，取模型大小為70m×60m×70m（長×寬×高）。考慮到基坑開挖的影響范圍，基坑及橋梁周邊范圍內網格劃分較密，外邊土體劃分較粗，網格剖分時考慮了不同巖土的特性、圍護樁等介質的不同處理。整個三維有限元計算模型共77600 個單元，43431 個結構節點，如下圖2-3 所示。

圖2 綜合管廊基坑與繞城高速橋梁三維模型圖

模型采用標準約束形式，模型左右、前后邊界固定水平位移，底部邊界固定豎向位移，約束其豎向及水平向位移，上部邊界為地表自由面；自重荷載取g。

4.2 有限元模型仿真分析

4.2.1 基本假定

a.地表和各層土均呈均質水平層狀分布。

圖3 綜合管廊基坑與繞城高速橋梁位置關系圖

b.土體為各向同性、連續的彈塑性材料，本構模型采用修正的摩爾- 庫倫（Modified Mohr-Coulomb）彈塑性模型。

c.圍護結構與土體采用變形協調計算的方法。

d.假定橋梁施工過程中，土體和樁體采用界面單元進行連接，其接觸面法向采用“硬接觸”，切向采用庫倫摩擦接觸，以模擬土體對樁的摩擦作用。

4.2.2 施工過程模擬

不同的開挖順序引起的地表下沉量和圍巖的破壞是不同的。本文通過殺死單元來模擬基坑土體開挖，進行基坑開挖過程模擬及其土體位移計算。工況模擬主要分為八個工序，具體模擬工序如下所示。

a.建立模型，進行開挖前土體初始應力場計算，將重力引起的位移歸零，只保留初始應力。

b.模擬繞城高速橋梁施工，位移歸零。

c.模擬圍護樁施工，激活基坑周邊的地面超載，基坑放坡開挖至冠梁頂，激活砼支撐，位移歸零。

d.繼續基坑開挖，激活第一層鋼支撐，進行平衡計算。

e.開挖到基坑底部，激活第二層鋼支撐，進行平衡計算。

f.拆除第二層鋼支撐并施作結構底板。

g.拆除第一層鋼支撐并施作主體結構。

h.拆除砼支撐并回填，得到最終的應力場和位移場。

4.3 分析結果

a.各施工工序位移變形分析

對工序三至工序八GTS 模型結果進行分析，將地層及繞城高速橋梁水平、豎直位移數據匯總如表2 所示。

表2 不同工序下橋梁墩臺頂變形值統計表

由表2 可知，基坑開挖完成及主體回筑后橋梁墩臺頂的均勻沉降最大值為8.5mm；橋墩頂的水平位移最大值為2.3mm；橋墩頂間差異沉降最大值為1.21mm。根據《建筑樁基技術規范》規定，本次橋樁位移值按以下要求控制：

a.橋樁水平位移控制值＜10mm；b.橋樁豎向位移控制值＜10mm。c.橋樁沉降差控制值＜4mm。

因此根據分析計算結果，本工程基坑開挖過程帶來的影響均滿足控制要求。

5 結論

5.1 基坑開挖對繞城高速橋梁的影響主要表現在：

5.1.1 隨著基坑開挖深度的增大，橋梁墩頂沉降及水平位移越來越大；

5.1.2 隨著基坑內管廊結構的施工及土體的回填，橋梁墩頂沉降及水平位移越來越小，最終接近基坑開挖前水平；

5.1.3 管廊結構底板作為基坑換撐后，橋梁墩頂沉降及水平位移值小于原鋼支撐值，可得砼支撐效果優于鋼支撐效果；

5.2 與實際相比，此有限元模擬橋梁沉降位移的條件及數據均為最不利情況，并且計算結果均滿足要求，可得數值模擬技術做為基坑開挖對鄰近橋梁樁基影響的評估方法是合理可行的。