管線基坑穿越地鐵高架區間橋梁樁基影響研究

李 響，蔣 丹

(1.北京市公聯公路聯絡線有限責任公司,北京 100071; 2.北京市建設工程質量第三檢測所有限責任公司,北京 100037)

0 引言

隨著國內城市軌道交通的迅速發展,都市通勤壓力得以顯著減輕,但由于空間局限,城市規劃時經常出現軌道交通的各種管線交叉施工[1-2]。基坑施工對鄰近樁基的危害主要體現在其水平位移與豎向沉降上,進一步可能引發樁基一定范圍的水平偏移,從而降低樁基的承載能力[3]。具體而言,土壤沉降對樁基產生了負摩阻力,導致樁體下沉。特別是當樁基發生不均勻下沉時,這將引起上部結構的不均勻沉降。這種不均勻沉降不僅會影響建筑物或構筑物的整體穩定性,還會給其造成額外的荷載分布和變形不均的風險。而土壤的水平位移則會產生附加的彎矩、應力和位移,對鄰近樁基造成進一步影響。當這些影響達到嚴重程度時,臨近樁基可能會發生過度變形甚至破壞,從而危及到樁所支撐的建筑物或構筑物的穩定性和安全性[4]。

最初基坑開挖有限元計算主要以平面為主,隨著開挖現場情況日趨復雜,采用空間三維有限元計算已顯得十分必要[5]。楊敏等[6]首次利用三維彈塑性有限元法,對基坑開挖和臨近樁基相互作用問題進行了分析。張樂樂[7]采用MIDAS GTS NX建立修正摩爾-庫侖土體模型對基坑開挖鄰近地鐵樁基變形進行三維有限元分析。根據多項研究結果表明,深基坑開挖對鄰近橋樁的影響主要體現在以下三個方面:首先,土體的水平位移會產生不平衡的水平力作用于樁身上,導致樁發生額外的應力和位移;其次,土體的沉降會引起樁身負摩阻力的作用,增加樁基的承載壓力;最后,土體的變形可能引發鄰近橋墩發生附加的沉降現象[8]。這些因素的綜合影響可能對橋樁的穩定性和承載能力產生重要影響,因此在深基坑開挖過程中需要認真評估和采取相應的工程措施,以確保鄰近橋樁的安全性和結構穩定性。

為模擬管線基坑穿越對高架橋樁的影響,本文建立了三維數值計算模型,得出各方向樁基變形最大值與發生位置,并提出了相應控制措施。

1 工程概況

北辛安路位于石景山區中西部,該路段從K1+896起點延伸至設計終點段,穿越大臺鐵路和軌道交通S1線,形成了一座鐵路立交。然而,由于道路低洼處的雨水無法自然排除,每年的汛期和大雨季節都容易出現積水問題。因此,迫切需要建設一座雨水泵站來解決這一問題。該泵站將起到將積水抽排的重要作用,確保道路通行的暢順與安全。泵站的擬建場地位于首鋼園北區1607-080地塊,進入地鐵11號線金安橋站保護區范圍內。泵站出水通過DN2 000 mm壓力管道自西向東接入特鋼北二路規劃雨水管道(6.8 m3/s),下游經北八溝接入西郊砂石坑。新建泵站進水管線南北向鄰近穿越S1線四道橋-金安橋站高架區間,新建泵站出水管線東西向上穿地鐵11號線金安橋站車站主體(見圖1)。

2 計算模型及參數

2.1 計算模型選擇

考慮到施工引起的結構沉降和地層有關,此次的項目整體采用連續介質模型,即地層-結構模型進行力學變形分析。修正摩爾-庫侖模型是一種改良版的本構模型,用于描述土層的力學特性。該模型在摩爾-庫侖本構模型的基礎上進行了改進,以適用于具有冪率關系的非線性彈性模型和彈塑性模型的組合模型[9]。它被廣泛應用于模擬土壤在不同加載條件下的應力-應變行為,并能夠準確考慮土壤的彈性和塑性特性。修正摩爾-庫侖模型為土力學研究和工程實踐提供了有效的工具,用于分析和計算土層的力學行為。

本次計算采用MIDAS GTS NX軟件,模擬基坑及管線的施工過程對地鐵車站結構及軌道的安全性影響,提供既有結構的變形計算數據,綜合各項相關參數,提出管線穿越對高架區間橋梁變形影響。

2.2 計算假定

基坑及管線開挖施工期間既有地鐵僅考慮正常使用工況,不考慮地震、人防工況;在進行基坑和管線開挖施工時,對于已存在的地鐵結構,通常僅考慮日常使用情況,而不考慮地震、防護等特殊工況。此外,我們假設已存在的地鐵結構是具有彈性特性的線性材料。同時,我們假定新建結構、已存在的地鐵結構和土體之間符合變形協調原則。需要明確的是,本評估分析是在施工過程中充分控制的正常條件下進行的。

2.3 計算模型

本次計算模型中,針對周圍土體的描述使用了實體單元,這種單元可以更準確地模擬土體的力學行為。根據不同的周圍土層情況,選擇了相應的結構材料進行建模。在邊界條件的選擇中,頂面采取了自由邊界條件,即允許自由變形;而其他邊界則采用了法向約束條件,即限制了邊界的法向位移,使其受到約束。通過這樣的模型設置,可以更好地模擬和分析土體與周圍結構的相互作用及變形行為。計算荷載考慮地鐵結構自重、土體豎向自重、地面超載20 kPa。計算模式針對不同的建筑材料選擇不同的本構模型模擬,對水泥材料使用線彈性模型,各層土體使用D-P模式,模型中土層參數根據地勘資料選定,如表1所示。

表1 土層計算參數表

三維評估模型范圍為沿既有地鐵S1線路方向150 m,線路法向方向200 m,土層厚度60 m。新建結構包括擬建管線開槽及頂管豎井,既有結構包括S1線高架區間及11號線金頂街—金安橋暗挖區間。評估范圍示意圖和模型示意圖如圖2所示。

擬建工程項目影響既有S1線,工程影響既有線范圍較大,結合項目特點,根據新建項目特點與地鐵相對位置關系,結合地鐵保護相關條例關于地鐵保護區50 m范圍的要求,同時,考慮計算模型邊界效應,針對項目影響S1線進行建模,重點考察既有線受施工產生的變形及受力情況。

3 施工過程模擬及計算結果

施工過程模擬按安全評估所得最不利情況分析施工對既有橋梁的影響,模擬最不利情況一次整體開挖完成。

為體現所有構件的變化狀況和變化規律,下面將列出各階段在工程建設完成后所有構件的變化云圖(見圖3—圖5),進而分析所有構件的變化結果和變化規律。

根據模型計算的結果顯示,經過測算,在管線開槽完成后,已存在的地鐵S1線區間的高架結構出現了一定程度的豎向變形。其中,豎向變形的最大值為0.395 mm,表現為結構的上浮變形,并發生在鄰近管線側的橋梁墩臺位置。此外,橫橋向的橫向變形的最大值為0.314 mm,而順橋向的橫向變形的最大值為0.157 mm(見表2)。這些橫向變形都偏向于管線開挖側,并出現在鄰近管線側的橋梁墩臺位置。這些測算結果反映了管線開挖對地鐵高架結構的影響,提供了對結構變形情況的定量描述。地鐵維修規則中給出了整體道床線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值,見表3。

表2 既有S1線高架區間變形情況 mm

表3 地鐵維修規則中整體道床線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值

4 結論

1)管線基坑施工過程中,在豎直方向樁基均有所上浮,最大變形位置在遠離既有11號線的橋墩承臺靠近開挖側;橫向上產生一定水平偏移,樁基底面向遠離隧道方向偏移,樁頂向隧道方向偏移[8],且樁基上部產生的偏移較大。2)新建基坑工程引起既有地鐵S1線軌道結構最大豎向及橫向變形值均小于0.5 mm。因此,根據計算得出的軌道結構變形值,可以滿足QB(J)/BDY(A)XL003—2015北京市地鐵運營有限公司企業標準—技術標準—工務維修規則中規定的軌道幾何尺寸容許偏差管理值的要求(見表2)。這意味著計算結果顯示的軌道結構變形在允許的范圍內,符合相關標準要求。這種符合性確保了軌道的幾何尺寸和形狀在合理的范圍內,以確保地鐵運營的安全和正常進行。3)根據對變形風險最大的點位的分析,北辛安路(長安街西延—阜石路)雨水泵站工程穿越地鐵S1號線施工時會對現有高架橋樁基和軌道框架造成相應的附加變化,但預測影響值相對較小,仍處于軌道交通運行的安全性容許標準以內。4)基坑開挖引起的土體水平位移是導致樁體側移和內力產生的主要原因。這種位移受多個因素影響,包括支撐結構的強度、土壤結構、開挖速度和深度,以及圍護結構質量等。其中,圍護結構預應力和入土深度是最重要的因素。因此,在預測橋梁變形最大的區間進行基坑開挖時,必須確保支撐圍護符合規范要求,以減小土體水平位移的影響。這樣可以有效控制樁體的側移和內力,并確保施工過程的安全性和穩定性。