某污水管道基坑設計變更對臨近匝道橋梁影響

萬 利 郭 開 魏 均 李 維

(1.湖北工程學院，湖北 孝感 432000； 2.武漢市政工程設計研究院有限責任公司,湖北 武漢 430000； 3.中南建筑設計院股份有限公司，湖北 武漢 430000)

在管線預埋、基坑施工過程中，周圍建筑物不可避免地受管道施工的影響[1]。基坑開挖對周圍土體的應力分布和變形可能造成較大的影響，進而改變周圍結構受力狀況或使其產生變形，最終影響結構的正常使用甚至安全性能[2]。此時，基坑開挖位置及加固措施顯得尤為重要。若其開挖地點離臨近建筑物過于接近，可能影響基坑坍塌或附近結構變形過大，影響其正常使用。然而考慮經濟及地形地質特征等因素，并非基坑離臨近建筑物越遠越好。因此，合理地選擇開挖地點十分重要。

本文結合某污水管道工程，采用數值模擬的方法研究管道基坑設計方案調整前后對臨近既有匝道橋梁的影響。

1 模型的建立

施工現場見圖1，采用有限元軟件MIDAS[3]模擬施工場地的環境及建筑物。巖土體和橋梁、樁、承臺均采用三維實體單元，鋼板樁采用殼單元，鋼支撐采用梁單元。模型x方向的寬度均為120 m，y方向的寬度均為120 m，z方向高約70 m。

原設計方案，基坑中線距離橋梁中線約12.0 m，深度為4.5 m，采用一道拉森鋼板樁和D426×9@3 500的鋼支撐進行支護，共272 266個單元，298 426個節點，如圖2所示。在調整后的設計方案，基坑中線距離橋梁中線約22.0 m，采用兩道拉森鋼板樁和D426×9@3 500的鋼支撐進行支護。x方向為水平面上垂直于巷道軸線方向，y方向為巷道軸線方向，z方向為深度方向。

2 模型的求解

計算采用的力學參數見表1[4,5]。

表1 地層及結構材料基本物理力學參數

1)移除支撐梁、拉森鋼板樁單元，進行初始應力平衡計算；

2)移除管道基坑內開挖土體單元，激活基坑支護結構的單元，原體系的受力平衡被打破，使土體與結構應力重新分布。

方案調整后的模型除以上步驟外，最后對基坑進行換撐，激活坑底部0.5 m厚的素混凝土單元，移除第二道撐，土體與結構的應力再次重新分布。

3 計算結果分析

3.1 基坑周圍土體變形情況分析

原設計方案模型土體位移見圖3。結合數據分析可知，基坑開挖后，基坑底部土體向上隆起約36.2 mm，而基坑兩側的土體則略有下沉的趨勢，最大的下沉位移約為3.3 mm。水平方向最大位移出現在靠近基坑底部偏上的地方，最大位移約為 15.6 mm。在橋墩附近的土體由于橋墩的阻礙作用，水平方向與豎直方向的位移受到一定影響而變小。

設計方案調整后，模型的土體變形趨勢與原模型基本相同。基坑開挖后，基坑底部土體向上隆起約35.5 mm，而基坑兩側的土體最大的下沉位移約為1.5 mm。由于該調整后的設計方案的水平鋼支撐有兩道，水平方向最大位移明顯變小，僅有 10.3 mm，而且最大值出現的地方更靠近基坑底部。由于該模型的基坑距離橋梁較遠，橋墩附近的土體變形亦明顯減小。模型土體z向位移見圖4。然而換撐過程中，發現基坑的兩側土體略有下沉，最大的下沉值約為1.6 mm。由于回填混凝土的重力作用，基坑底部略有下沉，原來第二道支撐處的土體向基坑中部變形，最大水平位移約為6.6 mm。在換撐完成之后，最大水平位移為10.7 mm，坑底隆起34.5 mm，其z方向的土體位移如圖5所示。

3.2 基坑施工對支護結構受力情況的影響

原方案支護結構的位移受到橋墩及其樁基的影響，對應于橋墩處的鋼板樁圍護結構變形明顯小于其他位置。而修改后的方案由于增設兩道鋼支撐，在開挖后，鋼板樁圍護結構的變形小于原方案。修改設計方案前后基坑開挖和換撐后的土體的總位移模擬結果見圖6。從圖6中可以看出在換撐后原來第二道支撐處向基坑內變形約6.3 mm，原來第二道撐所受到的軸力向第一道撐和底板混凝土轉移。

3.3 基坑施工對橋梁基礎穩定性及支護結構的影響

圖7a)與圖7b)分別為原設計方案與方案調整后的計算得到的在基坑開挖后的橋梁及其樁基的位移，圖7c)為在換撐后橋梁及其樁基的位移。模型1承臺處的位移約為1.32 mm，而橋面的位移約為1.52 mm，其方向均指向基坑，在15 m深以下的樁的變形基本可以忽略。當基坑距離橋梁較遠且有兩道鋼支撐支護時，橋梁和樁基的最大位移僅僅0.43 mm，換撐后最大的位移也僅有0.5 mm。

原設計方案與調整方案的鋼板樁與橋梁的位移見表2。由模擬結果可知，采用這兩個方案進行基坑施工后的橋梁及其基礎的變形均可以滿足相關規定，但是調整方案對橋梁的影響更小。

表2 鋼板樁與橋梁的變形

4 結論及展望

通過對三環線污水管道基坑開挖時土體、橋梁、支護結構的變形和受力進行了數值模擬，分析施工過程中橋梁的穩定性，結果表明：采用這兩個方案進行基坑施工后的橋梁及其基礎的變形均可以滿足相關規定，但是調整后的設計方案對橋梁的影響更小。目前該污水管道已建成，正在對其進行變形監測，后續將繼續跟進研究現場監測結果與有限元模擬結果的吻合程度，用以證實模擬的有效性。