航道施工對臨近在建橋梁變形影響分析及開挖方案研究

趙殿鵬 潘國華 姚平 傅林 蔣國興 譚松

摘? 要：合理的航道開挖方案對保障臨近在建建筑物的安全至關重要。為了研究航道開挖對臨近在建大橋橋塔結構及地面的變形影響，依托實際工程，采用有限元軟件Midas GTS/NX分別對3種施工方案進行了數值模擬，分析了不同開挖方案下主塔結構及臨近地面的水平位移和沉降。通過對比分析各個開挖方案中結構的水平位移值與沉降值，選出了適宜的開挖方案。研究可為工程施工開挖方案選擇提供了參考。

關鍵字：航道? 臨近建筑物? 變形分析? 、數值模擬

中圖分類號：TV91? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：B? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：

近幾十年來，隨著社會發展的需要，水利水運工程大量興建。為滿足日益增長的通航量的需求，新建航道基坑逐漸朝大型、超大型方向發展。超大型基坑開挖會對周邊環境造成影響，例如，臨近建筑物等，尤其是富水地區[1-4]。施工方法不當，可能造成嚴重工程事故，導致重大經濟損失，甚至人員傷亡。數值模擬方法可以對不同方案進行模擬，指導實際施工[5-6]。

依托新建航道項目，針對變形控制的問題，開展新開挖航道的3種不同開挖方案的有限元模擬，通過分析不同方案開挖下緊鄰建筑物結構和地面的變形，為航道施工方案選擇及安全施工提供指導。

1 工程概況

依托船閘工程為杭州八堡船閘新建工程。船閘兩端航道均需開挖，上游距離上閘首200m處新建九喬路大橋走向與擬開挖航道走向垂直交叉。橋梁已完成主塔施工，橋面結構仍在施工，尚未完成體系轉換。橋塔兩側均需新開挖航道，一側為主航道，另一側為排澇引河道，兩航道屬于不同單位施工。橋塔承臺距離主航道設計邊界12.4m，距離排澇引河道60m。根據設計，主航道放坡開挖后邊界緊臨橋梁橋塔承臺，坡率1：1.5。排澇引河道放坡開挖后邊界距離承臺28m，坡率1：3.75。主航道由標高5.00m開挖至-3.3 m，開挖深度8.3m。

航道放坡開挖后邊界緊鄰大橋主塔，為研究主航道開挖對大橋的變形的影響，擬預先采用有限元軟件開展不同開挖方案的數值模擬，分析各方案開挖下橋塔結構及基坑邊緣變形情況，以選擇適宜的施工方案及判斷是否需要采取支護措施，從而為工程安全提供指導。

根據現場，擬開展以下3種開挖方案的數值模擬：

方案一：只開挖主航道，主航道由頂部到底部分為4層逐層開挖，由計算可得每層開挖深度2.07m，每層由模型兩側向橋塔中部對稱開挖;

方案二：只開挖主航道，主航道沿走向每25m劃為一段，豎向從頂部到底部分為兩層，每層4.15m。施工時分別從距橋塔上、下游100m處開始，開挖順序為“①上—①下—②上—②下—③上—③下—④上—④下”，第四段為中間核心土，如圖1所示。

方案三：主航道側開挖方案同方案二，與此同時，排澇引河道側開挖土體范圍從主塔分別向上、下游延伸50m，沿走向分三段豎向分兩層開挖。主航道①、②兩段開挖的同時，排澇引河道需要開挖段同步開挖完成，如圖1所示。

2 模型建立

采用有限元軟件Midas GTS/NX開展數值模擬。根據現場實際，按照原型尺寸建立模型如下圖2所示，為提高模型計算效率，主航道與排澇引河道沿中心線，取一半河道進行建模，模型尺寸為300m×200m×120m，大橋橋塔結構如圖3所示。

修正莫爾—庫倫模型由莫爾—庫倫模型擴展而來，能反映土體非線性變形，并考慮土體的應變特性，被廣泛應用于數值分析軟件[6-7]。其屈服面為解耦雙硬化模型，剪切破壞和壓縮破壞互不影響。大量學者已使用修正莫爾—庫倫模型進行了深厚軟土基坑開挖模擬計算，結果與實測結果較吻合。因此本次模擬計算中土體本構模型采用修正莫爾—庫倫模型。模型巖土體物理力學參數如下表1所示。

基坑開挖過程模擬前，模型邊界條件設置為：底面為固定邊界，周圍4個面為固定法向約束，頂面為自由邊界。模型總節點為237 485個，總單元個數為311 471個。模型中設置3個監測點進行位移監測，在主航道側邊坡坡頂設置監測點A，主塔承臺平行于航道走向的兩側頂面設置位移監測點B、C，如圖2所示。

3 模擬結果分析

3.1 水平位移分析

不同方案下各測點最終水平位移如下表2所示，3個方案中，監測點A水平位移相差較小。A點處，方案三產生的水平位移最大。方案二次之，方案一最小。而B、C監測點位置處，3個方案的位移相差較小，且各個方案下累計水平位均非常小，產生的位移在2mm左右。

方案一中，由于施工方式為由上至下分層開挖，每層開挖量2m，因此，其相對于其他兩個方案來說，應力分為多次釋放，并且兩側為放坡開挖，總體對邊坡的擾動小，因此A點產生的水平位移相對較小。B監測點處，航道開挖至設計標高后，承臺底部與航道底部標高僅相差2m左右，由于承臺體積大，埋深較大，因此主要還是受自重作用，航道開挖對承臺位置的影響很小，以至于產生的位移不到2mm。3個方案中，方案三C點的水平位移相對較小，這是由于排澇引河航道也進行了開挖后，使橋塔雙側應力釋放均衡。

3.2 沉降分析

不同方案下各測點最終沉降值如表2所示，B、C監測點沉降差異沒有明顯的區別。承臺處主航道側B點的總沉降量在5mm左右，而排澇引河道和C點的沉降量均小于B點。A點處，方案二產生的沉降最大，總累計沉降為31.96，方案三次之，為28.32mm，方案一最小，沉降為26.09mm?？傮w來看，橋塔結構處整體產生的豎向位移小，但整體結構向主航道偏轉。航道邊坡中因放坡開挖，且沒有進行任何支護，因此產生的沉降最大。三個方案對比，方案一開挖后產生的沉降相對較小，而方案二方案三沉降相近。A監測點處，方案一的沉降量為方案二的81.58%，為方案三的92.22%。導致這樣的原因為方案一分4次開挖，每層開挖2m，而方案二和方案三分2層開挖，每層4m，一次卸荷回彈相對較大。3個方案中，由于主航道更靠近橋塔，因此主航道開挖導致橋塔兩側B、C點存在沉降差異。而方案三中兩側的沉降差最小，這是由于橋塔兩側的主航道和排澇河道都進行了開挖。

4 施工方案選擇

結果表明方案一在控制航道邊坡水平及豎向位移方面效果較好，方案三在控制橋梁主塔結構的位移方面效果較好。利用有限元Midas GTS/NX進行方案二、三分段開挖時，分段開挖的現實形式為直接鈍化相應單元段，因此會導致較大的卸荷回彈，而在實際施工中，并不能短時一次性開挖與數值模擬相當的土體方量。同時，本項目中關注的重點為橋塔結構的穩定性，因此，采取的方案應更多考慮對橋塔結構的穩定性。

根據《城市軌道交通工程監測技術規范》規定，工程施工中，周圍結構最大沉降量≤0.1%H（H為基坑開挖深度），且≤30mm;最大水平位移≤0.1%H，且≤30mm。本工程航道開挖深度為8.3m，按照規范，允許沉降量及水平位移均為8mm。本次模擬中，承臺處的水平位移及沉降均滿足規范要求值。根據《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2011）規定，由于建筑地基不均勻、荷載差異很大、體型復雜等因素引起的地基變形，對于多層或高層建筑和高聳結構應由傾斜值控制;建筑物的地基變形允許值按照規范中規定。本工程中，承臺兩側B、C測點間距為10m，按照多層和高層建筑的整體傾斜標準，則允許的水平位移值為10×0.0025×1000mm=25mm。3個方案的沉降差均小于25mm，均滿足規范要求，而方案三產生的沉降最小。因此，綜合分析，擬推薦方案三作為工程的開挖方案。

5 結論

針對工程中面臨的問題及需要，開展了新建船閘航道工程3種不同開挖方案的有限元軟件數值模擬，分析了不同方案開挖對緊鄰近橋梁和地面的變形，得到以下結論。

（1）數值模擬結果表明方案一在控制航道邊坡豎向位移方面效果較好，方案三在控制橋梁主塔結構水平位移方面效果明顯。

（2）在利用有限元Midas GTS/NX進行方案二、三分段開挖時，分段開挖的實現形式為直接鈍化相應單元段，因此會導致較大的卸荷回彈，而在實際施工中，并不能短時一次性開挖與數值模擬相當的土體方量。

（3）工程關注重點為橋塔結構的安全性，因此，方案應保證橋塔結構的穩定性。綜合分析，方案三為最優開挖方案。

參考文獻

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基金項目：浙江省交通質監行業科技計劃項目（ZJ201904）

作者簡介：趙殿鵬（1980—），男，高級工程師，博士，主要從事公路工程設計、瀝青路面科研等工作