深基坑開挖對臨近高架橋變形影響分析

王庭博

（1.上海勘察設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海 200438；2.上海巖土與地下空間綜合測試工程技術(shù)研究中心，上海 200093）

根據(jù)上海市市政行業(yè)《城市橋梁、隧道安全保護區(qū)域技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，建筑打樁、地下管道頂進、建筑物爆破、基坑開挖等作業(yè)屬于安全保護區(qū)域內(nèi)限制作業(yè)行為。在安全保護區(qū)域內(nèi)從事限制性施工作業(yè)行為時，應(yīng)根據(jù)保護對象的性質(zhì)以及施工影響程度，進行專項設(shè)計，經(jīng)評審?fù)ㄟ^，獲得行政許可后方可實施。

對于堆載（或卸載）作業(yè)，安全保護區(qū)域為橋梁垂直投影面周邊50m 范圍。

1 項目概況

某地鐵站與另一條地鐵線車站通道換乘，主體規(guī)模343.8430.0m（內(nèi)徑），站臺中心處頂板覆土約3.85m，坑底深約17.09m。車站西端頭井（D1 區(qū)）位于P 高架匝道下方，底板埋深18.92m。該高架跨度約30m，高架主線采用Φ800 鉆孔灌注樁，樁底標(biāo)高-47.300m，距離西端頭井圍護結(jié)構(gòu)最近處約6.2m；Y 路立交（y1-2）采用Φ550PHC 管樁，樁底標(biāo)高-43.200m，距離西端頭井圍護結(jié)構(gòu)最近處約2.1m，車站（D2 區(qū)）距離Y 路立交最近約5.8m。

車站基坑位于高架橋梁安全保護區(qū)域內(nèi)，需進行影響評估分析。

2 基坑工程施工影響數(shù)值分析

2.1 模型建立

建模考慮鄰近基坑的影響，建立大型三維有限元模型，模型域尺寸為500m×260m×100m，包括地鐵車站基坑（D1～D4 區(qū)）和另外臨近基坑B 區(qū)和C 區(qū)。P 高架橋考慮P98～P105 七跨以及兩側(cè)各外延約半跨的范圍，橋梁結(jié)構(gòu)以及承臺加固參照竣工圖紙資料。

模型中地層、橋梁上部結(jié)構(gòu)、承臺采用3D 單元，地墻、底板、地下結(jié)構(gòu)版采用2D 單元，橋樁、基坑立柱、立柱樁、工程樁、支撐、圍凜、梁柱等采用1D 單元，模型單元共計85338 個。模型底部施加固定約束，側(cè)向邊界施加水平約束。三維有限元模型及網(wǎng)格剖分見圖2所示，P 高架與各基坑支護結(jié)構(gòu)的模型見圖3所示。

圖1 P 高架與車站基坑相對位置關(guān)系

圖2 有限元計算模型

圖3 基坑范圍與P 高架橋模型

2.2 計算模型參數(shù)

土體本構(gòu)模型選用修正摩爾-庫倫模型，模型參數(shù)根據(jù)勘察報告和規(guī)范建議綜合確定。部分土層模型計算參數(shù)見表1。基坑圍護結(jié)構(gòu)和高架等構(gòu)件為混凝土結(jié)構(gòu)，選用線彈性模型。彈性模量取值按混凝土強度等級選取。

表1 有限元計算模型參數(shù)

2.3 計算工況

評估基坑開挖對P 高架的影響，此區(qū)域?qū)儆谌后w基坑開挖，故計算分析中需考慮群體基坑開挖的影響。計算工況按照基坑開挖順序設(shè)置。考慮基坑開挖全過程，模擬分析中采用多施工步連續(xù)計算的方法。在分施工步連續(xù)計算中，位移和應(yīng)力是累加的，上一施工步的位移和應(yīng)力作為下一施工步的初始狀態(tài)。基坑每層土開挖前水位降至開挖面以下1.0m。

3 結(jié)果與討論

3.1 計算結(jié)果

圖4和圖5分別為車站圍護結(jié)構(gòu)施工和基坑開挖階段高架結(jié)構(gòu)沉降變形云圖。從圖中可以看出，在車站基坑圍護結(jié)構(gòu)施工階段，鄰近y1-2 和y1-3 承臺最大沉降約-10.9mm；在車站基坑開挖階段，y1-2 和y1-3 承臺最大累計沉降為-7.5mm，基坑開挖造成的臨近P 高架承臺上抬最大約+3.5mm。

圖4 P 高架結(jié)構(gòu)累計豎向變形（車站圍護結(jié)構(gòu)、樁基施工階段）

圖5 P 高架結(jié)構(gòu)累計豎向變形（車站基坑開挖階段）

3.2 變形監(jiān)測

項目基坑工程施工期間，對P 高架實施監(jiān)護測量，監(jiān)護測量從2017年9月14日開始，于2021年1月1日跟蹤期結(jié)束。施工期間Y 路立交高架y1-2、y1-3 墩柱，P 高架主線pm102、pm103 墩柱（編號見圖1）監(jiān)測變形統(tǒng)計于表2。表中沉降變形為正，表示上抬，反之下沉；水平位移為正，表示向基坑側(cè)位移。

表2 施工期間高架監(jiān)測變形統(tǒng)計

圖6為地鐵車站施工期間沉降變形歷時曲線，分析歷時監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，①西端頭井D1 區(qū)基坑開挖期間，承臺沉降變形不明顯，變化量在-1.53mm～+0.86mm，有輕微上抬趨勢；②車站D2 區(qū)基坑樁基施工期間，承臺變形不明顯，沉降變化量在-0.81mm～+1.85mm，水平位移變化量在-1.1mm～+1.3mm；③車站D2 區(qū)基坑開挖期間，承臺沉降變形呈上抬趨勢，變化量在-0.33mm～+3.88mm；水平向朝基坑側(cè)位移，變化量在-2.2mm～+4.5mm。

圖6 車站基坑施工期間沉降變形監(jiān)測歷時曲線

對車站基坑工程施工P 高架變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析可知，數(shù)值計算結(jié)果沉降變形趨勢與實測數(shù)據(jù)較吻合；圍護結(jié)構(gòu)施工引起高架承臺下沉；基坑開挖階段沉降不明顯；D2 區(qū)開挖期間，承臺變形呈上抬趨勢（上抬約+3.9mm）。

4 結(jié)論

通過對臨近高架橋基坑工程施工數(shù)值模擬分析，對其變形影響評估得出以下結(jié)論：①在車站基坑圍護結(jié)構(gòu)施工階段，鄰近y1-2 和y1-3 承臺最大沉降約-10.9mm；②在車站基坑開挖階段，y1-2 和y1-3 承臺最大累計沉降為-7.5mm；③基坑開挖造成的臨近P 高架承臺上抬最大約+3.5mm；④數(shù)值模擬分析結(jié)果與實測數(shù)據(jù)較吻合，可為類似工程提供變形影響參考。