近距離管道基坑對運營地鐵高架結構的影響

季凡凡，李亞明

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市 300202）

0 引言

敷設排水管道是解決城市建成區(qū)道路積水的重要措施，形成排水管道系統(tǒng)，能極大地增強城市排水能力。然而，城市建成區(qū)中既有運營的軌道交通結構較多，城市人口越來越密集，為緩解交通壓力，要在現(xiàn)有軌道交通基礎上修建新的軌道交通結構，導致排水管道不得不在軌道交通結構附近實施切改及復位。

目前國內大量的研究工作側重于深大基坑開挖對鄰近周邊環(huán)境的影響，一般距離范圍都在軌道交通特別保護區(qū)之外[1-6]，而關于超近距離（軌道交通特別保護區(qū)以內，以下簡稱為“超近距離”）地鐵的基坑施工對鄰近地鐵影響的研究較少[7]。李琳等人[1]重點研究了多支撐基坑開挖對鄰近樁基位移、剪力和彎矩的影響。李龍劍等人[2]采用彈塑性有限元方法模擬無支撐基坑開挖對鄰近高架基礎的影響，并分析了不同加固方案對控制橋梁樁基變形的作用；苗笛[3]應用數(shù)值模擬軟件A B A Q U S 計算得到了因基坑開挖導致的橋梁承臺樁基礎的水平位移和豎向位移；王升[4]以北京市區(qū)高鐵橋梁附近的調蓄池基坑施工為研究背景，探討了深基坑施工對鐵路運營造成的影響；曹依雯[5]等人以上海某工程為例，通過對工程的數(shù)值模擬分析，研究大口徑排水管道溝槽基坑開挖對既有軌道交通隧道結構影響；馬寧[6]通過三維有限元模擬和二維有限元模擬進行對比，對類似工程的數(shù)值模擬進行計算方法的指導；張子新[7]等人依托上海某基坑工程，采用精細化的三維數(shù)值分析、室內試驗和現(xiàn)場實測等方法，對近距離開挖卸荷引起的高架橋墩響應進行研究。本文研究超近距離地鐵的基坑施工對既有地鐵高架橋基礎變形的影響，一方面可以補充超近距離地鐵基坑對鄰近高架的影響研究的成果，另一方面可以為以后相似工程提供指導和參考。

結合天津市地鐵1 號線某高架橋特別保護區(qū)內的管道溝槽基坑工程實測，利用Plaxis3D 有限元分析軟件建立橋樁基礎及管道溝槽基坑的三維數(shù)值模型，分析基坑開挖對高架橋基礎的影響，并對高架橋特別保護區(qū)內的管道溝槽基坑施工提出建議。

1 工程案例

1.1 工程概況

天津市某市政管道基坑工程北側為已建地鐵車站，南側為運營地鐵高架橋梁，如圖1 所示，溝槽基坑北側距離現(xiàn)狀已建10 號線地鐵站體最近約2.3 m，距離南側1 號線運營高架結構最近1 m。基坑開挖深度約為3.8～4.3 m，頂部放坡1 m，一側采用Q 295bz-400 mm×170 mm 拉森鋼板樁支護，樁長6 m，另一側利用已建地鐵的地連墻，坑底采用攪拌樁加固2.5 m，基坑呈長條形，寬度為2.5～3.7 m，長度為180 m。

圖1 溝槽基坑平面布置示意圖

1.2 場地工程地質條件

工程場地較為平整，土層分布相對穩(wěn)定，基于巖土工程勘察結果，得到該基坑工程范圍內的土層分布及巖性特征，沿深度方向自上而下典型土層的主要物理力學參數(shù)見表1?；由疃确秶鷥戎饕獮殡s填土、粉質黏土等，各土層按正常固結土處理，不考慮超固結性。

表1 典型土層物理力學參數(shù)

1.3 基坑與運營高架橋之間的位置關系

基坑支護樁與高架橋樁基之間的最小距離約2.1 m，距離承臺最小距離約1.3 m，位于地鐵特保護區(qū)內，圖2 所示為10 號承臺處基坑與高架橋梁之間的位置關系。既有地鐵運營高架區(qū)間樁基采用直徑為1 m的鉆孔灌注樁，承臺埋深約2.8 m，承臺高1.8 m，樁基長度約50 m。

圖2 溝槽基坑與1 號線運營區(qū)間的相對位置關系圖（單位：mm）

1.4 工程實測結果

JG S13 為距離基坑支護樁最近處的10 號橋墩監(jiān)測點，JG S11 為8 號橋墩監(jiān)測點，ZQ S16 為10 號橋墩附近的樁頂位移監(jiān)測點，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3 和圖4所示。該段基坑開挖從4 月1 日開始，至4 月9 日施工結束。4 月1 日監(jiān)測數(shù)據(jù)為在建地鐵車站對橋墩變形影響的實測值，作為基坑工程初始變形數(shù)據(jù)。從圖3可以看出，橋墩在整個溝槽基坑的施工過程中，變形不超過0.6 mm，整體變形較小。

圖3 不同時間8、10 號橋墩的水平位移累計變化值（單位：mm）

圖4 不同日期10 號橋墩附近樁頂水平位移累計變化值（單位：mm）

2 三維有限元數(shù)值模擬計算

2.1 有限元數(shù)值模型尺寸及邊界條件

根據(jù)基坑工程實際，選取10 號橋墩附近的基坑工況進行模擬，采用Plaxis3D 有限元軟件建立如圖5所示的有限元模型，X 方向取310 m，Y 方向取200 m，Z 方向（厚度方向）取50 m，以確保分析結果不受邊界約束的影響，基坑深4.3 m，圍護結構后方土體長30 m。整體三維模型采用混合單元組成，即同時具有四面體單元和六面體單元，可以很好的保障單元質量，以確保模型計算的收斂。模型底部的約束條件為水平、豎直方向都固定；模型兩側約束條件為水平方向固定，豎直方向自由；地表面自由。

圖5 有限元數(shù)值模型圖

2.2 模型計算參數(shù)

土體材料模型選擇以莫爾–庫侖屈服準則為破壞標準的小應變土體硬化模型（HSS），排水類型為不排水（A），模型范圍內共9 層土。基坑支護樁用板單元模擬，樁土接觸采用interface 單元；運營橋梁樁基采用em bedded 樁，承臺及橋墩采用實體單元模擬；車站結構地連墻、頂板、中板、底板均采用板單元模擬，結構柱采用梁單元模擬。土體材料參數(shù)詳見表2。

表2 土體基本參數(shù)表

2.3 施工過程模擬

首先對土體模型進行初始平衡計算，由于初始土體表面平整，在PLAXIS 軟件中，采用K0計算過程進行平衡即可。初始應力平衡結束后，激活位移邊界條件、樁基承臺橋墩及地連墻、車站板及工程樁作為初始條件，然后激活溝槽基坑支護樁及支撐，進行最后分步開挖基坑計算。

具體計算步驟如下：

第一步，K0過程平衡計算；

第二步，激活位移邊界條件、樁基、承臺、橋墩及橋墩上荷載；

第三步，激活地連墻、車站板及工程樁、柱；

第四步，激活坑底攪拌樁加固、第一次放坡開挖，同時降水至坡底；

第五步，激活基坑鋼板樁及樁土界面單元；

第六步，開挖第一層土并激活鋼支撐；

第七步，降水至地面以下4.3 m處，第二次開挖至坑底。

3 有限元計算結果分析

3.1 有限元計算結果

位于溝槽開挖右側1 m距離處的軌道交通橋梁結構是該次數(shù)值模擬分析中的重點、難點。根據(jù)數(shù)值模擬得到：基坑開挖至4.3 m后，基坑支護鋼板樁的變形及1 號線既有運營地鐵橋梁的橋墩變形云圖分別如圖6、7 所示，據(jù)圖6 可以分析得到，鋼板樁頂最大水平位移為7.43 mm，向坑內發(fā)生變形，根據(jù)圖7可以得到，8 號橋墩最大水平位移為0.72 mm，向坑內發(fā)生變形。

圖6 基坑支護樁開挖變形云圖

圖7 橋墩變形云圖

3.2 數(shù)值模擬與工程實測對比

樁頂最大水平位移為7.43 mm，與監(jiān)測結果7.15 mm 接近，誤差在5% 以內；同時，8 號橋墩最大水平位移為0.72 mm，與監(jiān)測結果0.7 mm 較接近，誤差在5% 以內，驗證結果良好，說明對該工程的假定和選取的數(shù)值模擬計算條件、計算方法可靠。

4 結語

本文中以天津市某超近既有地鐵高架橋的市政管道基坑工程為例，通過有限元軟件Plaxis 3D 建立基坑開挖的三維有限元模型，分析研究了基坑開挖對既有地鐵橋梁區(qū)間結構的影響。綜合上述研究內容，所得初步結論有以下幾個方面：

（1）數(shù)值計算結果與實測值吻合較好，驗證了有限元軟件Plaxis 3D 可有效模擬基坑開挖及支護結構施作的施工過程，內置的小應變土體硬化模型（HSS）能夠較好地反應基坑開挖過程對周邊既有橋梁結構的影響；

（2）該市政管道基坑距離地鐵高架橋最近處約1 m，同時，該工程地質情況較差，通過水泥土攪拌樁加固的措施，有效控制了基坑開挖引起的變形，監(jiān)測表明，橋墩向坑內方向變形最大在0.7 mm 左右，變形較小，滿足安全控制要求，既有橋梁可以保證正常運營。