地鐵基坑施工對鄰近橋梁的影響

黃菲，劉袁振，孟江

（1.南京市公共工程建設中心，江蘇 南京 210019；2.南京工業大學交通運輸工程學院，江蘇 南京 210009；3.南京工大橋隧與軌道交通研究院有限公司，江蘇 南京 210032）

0 前言

伴隨著我國經濟的快速發展，我國的基礎設施也不斷發展完善。在城市中涌現出大量的地鐵建設工程，地鐵車站基坑周圍一般會存在管線、橋梁、房屋等構筑物。地鐵基坑的施工必定會引起周圍地層的應力場改變，進而對周圍構筑物產生不利影響，在施工前對其保護不當可能會導致周圍構筑物破壞[1-3]。因此，如何保障地鐵基坑周圍構筑物的安全是城市地鐵基坑工程面臨的難題。

基坑工程影響橋梁變形因素有很多，如工程地質條件、基坑開挖尺寸、橋梁上部荷載、橋梁距地鐵基坑的水平距離等[4]。國內學者們對基坑近接構筑物做了許多研究。王升[5]利用三維有限元軟件對某調蓄池近接高鐵橋梁的影響進行了分析；張驍等[6]將基坑施工實測數據和PLAXIS 3D相結合對基坑施工過程進行位移反分析，優化HS-Small本構模型參數分析了基坑近接橋梁對樁基的影響；沈建文[7]將幾何因素、邊界因素、物理因素等作為基坑和盾構施工對橋梁樁基影響的參數，利用FLAC 3D進行分析，得出了橋樁的沉降控制指標。

本文以南京某地鐵終點站為依托，采用Midas/GTS對地鐵基坑施工進行了數值模擬，數值模擬結果可為實際施工提供參考，保證施工安全進行。

1 工程背景

南京某地鐵終點站，采用明挖順作法（路口下方局部蓋挖）。主體基坑長度、寬度、深度各為495.6m、21.7m、17.5m。附屬結構基坑長度、寬度、深度各為30.9m、10.1m、17.1m。車站主體基坑圍護結構和附屬結構圍護結構分別采用1m和0.8m的地下連續墻。基坑臨近區域主要為某橋梁的第三聯（9#～13#墩）和第四聯（13#墩～19#墩），14#墩橋樁與結構凈距最小為16.2m。基坑與橋梁平面位置關系見圖1。

圖1 基坑與橋梁平面位置關系圖

根據區域資料及地質調查，基坑施工區域主要特殊性巖土為填土、軟土、混合土、風化巖。土層詳細資料見表1。

土層物理性質描述 表1

施工區域地下水類型主要為松散巖類孔隙水及基巖裂隙水。松散巖類孔隙水根據其埋藏條件和水力性質，主要為潛水、承壓水[8]。潛水主要存在于填土層中，但是由于填土層的成分復雜并且分布非常不均勻導致填土層透水性好。承壓水主要存在于卵石層中，其透水性較好，賦水性好，具微承壓性。基巖裂隙水主要存在于中風化帶中，中風化帶巖芯較完整，裂隙發育多為閉合或充填，所以賦水性較差。

地鐵基坑降水必然使地面產生沉降，對鄰近構（建）筑物產生影響。為了防止基坑降水對橋梁產生不良作用，采用高壓旋噴樁對基坑進行防水處理。

2 計算模型

2.1 模型建立與參數選取

本文數值模擬采用MIDAS/GTS進行模擬分析，建立基于基坑-橋梁的三維模型進行施工影響分析。計算模型中土體單元采用3D實體單元，本構模型采用修正摩爾-庫倫模型。修正摩爾-庫倫模型是對摩爾-庫倫模型進行改進得出的新模型，該模型由非線性彈性模型和彈塑性模型組合而成，適用于淤泥土和砂土行為特性，并且修正摩爾-庫倫模型可以模擬不受剪力破壞或壓縮屈服影響的雙硬化行為[9]。三維模型見圖2，基坑-橋梁位置關系見圖3。模型長480m，寬780m，高70m，模型底部約束豎向位移，四周約束水平位移。由于某橋梁的第三聯和第四聯為簡支梁，所以橋墩上部不施加任何約束，橋面板的重力在此模型中忽略不計。

圖2 三維模型示意圖

圖3 基坑-橋梁位置關系圖

土層參數取值 表2

支護結構材料屬性表 表3

基坑施工工況 表4

地下連續墻采用2D板單元模擬；混凝土撐和鋼支撐采用1D梁單元模擬。橋墩采用3D實體單元模擬，樁采用1D梁單元模擬，本構模型均為彈性，具體的支護結構參數見表3。

2.2 開挖工況

基坑采用地連墻作為圍護結構，首先施工圍護樁，達到設計強度后進行基坑開挖，模擬具體施工工序見表4。

3 計算結果與分析

地鐵基坑開挖的過程導致基坑內部的土體產生應力釋放，從而使圍護結構產生變形，此次有限元計算按照實際的施工工序研究了在不同的施工工況下地表沉降、橋墩變形和橋梁樁基的變形特征。

3.1 地表沉降

當圍護結構嵌入土體的深度比較大時，基坑周圍的土體沉降呈現出“漏斗形”，圖4為不同施工工況下距離橋墩較近一側的地表沉降曲線，圖5給出了部分施工工況下的地表的沉降云圖。

由圖4、圖5可知：①隨著基坑開挖深度的增加，地表的沉降也隨之增大，當基坑開挖完成后距離橋墩較近一側的地表最大沉降為26.5mm；對比圖5的（a）和（b）可知，地表沉降影響的范圍隨著基坑的開挖深度增加而增加。

圖4 各工況下的地表沉降曲線

圖5 基坑開挖沉降云圖

②從圖4可以看出地表沉降的特征曲線符合Heish[10]所得出的研究規律，即基坑完成圍護結構的施工后地表沉降呈現出“漏斗形”，隨著相距基坑距離的增加，地表沉降的數值呈現出先增大后減小的趨勢。

3.2 橋墩變形

根據地表沉降云圖可確定此次基坑開挖的主要影響范圍，在此影響范圍內有12#、13#、14#、15#橋墩。

當基坑被開挖時，使周圍土體的應力場和位移場發生改變，土體原有的應力狀態被打破，土體為了達到平衡狀態，會從應力較大的一側向應力較小的一側移動，從而橋墩也會產生橫向位移。圖6為12#、13#、14#、15#橋墩各開挖工況下的橫向變形曲線。

圖6 各開挖工況下橋墩墩頂的橫向變形曲線

根據圖6可知，隨著基坑開挖深度的增加，橋墩的橫向位移也在增加，主體基坑開挖時受影響較大的為14#橋墩，主體基坑開挖結束后14#橋墩的累計橫向位移為6.50 mm。當基坑開挖完成后受影響較大的為13#橋墩，附屬結構開挖完成后13#橋墩的橫向位移為7.95 mm。在附屬結構開挖時，14#橋墩的橫向位移相對增值變化平穩，說明附屬結構的施工對14#橋墩的影響不大。

為了避免基坑開挖導致橋梁產生過大的水平位移，在施工前可采用土體加固的方法[11]來對橋梁結構進行保護。土體加固的方法有兩大類。第一類為對基坑周邊的土體進行加固，通過提高基坑周邊土體的強度，從而降低土體的變形，進而達到保護橋梁的目的。第二類為對橋梁樁基采取加固措施，通過提高橋梁樁基的承載能力，抑制橋梁樁基的變形，來達到保護高架橋安全的目的。土體加固的方法有預注漿法、凍結法和高壓旋噴攪拌法[12]。

根據圖7可知，隨著基坑開挖深度的增加，橋墩的沉降也在增加，在主體基坑開挖時受影響較大的是14#橋墩，主體基坑開挖結束后14#橋墩的累計沉降為3.62 mm。當基坑開挖完成后受影響較大的為13#橋墩，附屬結構開挖完成后13#橋墩的累計沉降為4.23 mm。最終13#橋墩的沉降比14#橋墩的沉降大是由于13#橋墩受到了主體結構施工和附屬結構施工的共同作用。由圖8可知橋墩沉降和橋梁樁基沉降趨勢相同，但橋墩墩頂沉降大于橋梁樁基沉降，這是由于橋墩的橫向位移使橋墩產生了向基坑開挖方向的傾斜，致使靠近基坑開挖側的橋墩墩頂沉降大于橋梁樁基沉降。

圖7 各開挖工況下橋墩墩頂豎向變形曲線

圖8 各開挖工況下橋梁樁基頂豎向變形曲線

將橋梁的第三聯和第四聯橋面板的重力均分在各個橋墩上，然后計算各工況下橋墩墩頂的豎向位移。如圖9所示。從圖中可看出，橋面板的重力對橋墩的豎向位移影響在0.5mm左右。所以在有限元分析中，不可忽略橋面板重力對橋墩沉降的影響。

圖9 施加均布荷載后各開挖工況下橋墩墩頂豎向變形曲線

4 結論

通過本次模擬計算，可得到以下結論：

①當圍護結構嵌入土層的深度比較大時，基坑周圍的土體沉降呈現出“漏斗形”，隨著基坑開挖深度的增加，基坑周邊土體的沉降也隨之增大，并且沉降的最大值也隨之向外移動；

②橋墩的豎向位移比樁基的豎向位移要大一些的原因是橋墩的橫向位移使橋墩產生了向基坑開挖方向的傾斜，致使靠近基坑開挖側的橋墩墩頂沉降大于橋梁樁基沉降；

③鄰近橋梁的地鐵深基坑工程會對橋梁產生影響，在正式施工之前，應對地鐵基坑工程進行有限元模型分析，通過科學合理的評估分析，避免可能存在的風險。并且在基坑的施工過程中對橋梁進行全面的監測，保證在施工過程中橋梁的安全使用。