李曉龍

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基坑開挖對鄰近高鐵橋墩的影響分析

李曉龍

摘 要：針對鄰近高鐵基坑施工對高鐵橋墩變形影響的問題，以上海某道路下穿滬杭高鐵高架橋工程為背景，采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測等方法，研究基坑開挖施工過程中基坑自身變形及對鄰近高鐵橋墩變形的影響。研究表明：高鐵橋墩數(shù)值模擬最大沉降為2.2 mm，最大水平位移為2.9 mm；實測最大沉降值為1.9 mm，最大水平位移為0.7 mm。實測值與數(shù)值模擬值比較接近，能較好地反應(yīng)實際施工情況?；硬捎酶綦x樁圍護形式有效地控制了基坑開挖對高鐵橋墩的影響，確保了高鐵運營安全。

關(guān)鍵詞：高鐵橋墩；基坑開挖；變形監(jiān)測；數(shù)值模擬

李曉龍：上海東華地方鐵路開發(fā)有限公司，碩士，上海200071

高鐵橋墩變形控制是高速鐵路行車安全的關(guān)鍵因素之一，下穿高鐵高架橋等鄰近高鐵基坑施工對橋墩產(chǎn)生不可避免的影響。為了減小基坑施工對鄰近高鐵橋墩變形的影響，在基坑設(shè)計及施工過程中，應(yīng)從兩個方面采取措施，一是主動措施，即對鄰近高鐵橋墩采取保護措施；二是被動措施，即優(yōu)化基坑施工方案。針對具體工程，應(yīng)根據(jù)施工環(huán)境條件采取有針對性的措施，以達到減小基坑施工對鄰近高鐵橋墩的影響，確保行車安全。本文以上海某道路下穿滬杭高鐵高架橋工程為例，分析研究基坑開挖施工對鄰近橋墩的影響。

1　工程概況

該道路下穿工程為東西向城市次干道，道路設(shè)計全長506.498 m，拓寬道路寬度為30 m。由東至西分別下穿滬杭高鐵高架橋、滬昆鐵路及在建嘉閔高架橋等構(gòu)筑物，由 U 型槽、下穿滬昆鐵路頂進框架、嘉閔高架公路框架等組成。下穿滬杭高鐵 U 型槽位于滬杭高鐵37、38號橋墩之間，U+型槽基坑寬32.68 m，長15.09 m，開挖深度6.79 m，U 型槽側(cè)墻距37號橋墩9.5 m，距38號橋墩3.5 m；下穿滬昆鐵路為在既有框架兩側(cè)各新建1孔6 m 寬框架（框架凈寬度為6 m）。共有12節(jié) U 型槽，其中 U6、7為頂進框架連體 U 型槽，U4、5位于頂進工作坑內(nèi)。下穿滬昆鐵路新建框架采用工作坑為預制頂進施工，U 型槽采用明挖順做法施工。工程平面圖如圖1所示，滬杭高鐵橋墩斷面及尺寸如圖2所示。

圖1　工程平面位置關(guān)系

擬建場地自然地面以下50 m 深度范圍內(nèi)各土層均為第四系沉積物，地基土主要有黏性土及粉性土、砂土組成。土體物理力學參數(shù)表如表1所示。施工場地地下水屬潛水，主要補給來自大氣降水，水位隨季節(jié)變化，潛水水位約在2.5～3.0 m。地下水及地基土對混凝土無腐蝕性，在干濕交替條件下對混凝土中的鋼筋有弱腐蝕性，長期浸水條件下對混凝土中的鋼筋無腐蝕性。根據(jù)地質(zhì)勘查報告，承壓水對本工程無影響。

圖2　滬杭高鐵37、38號橋墩示意圖（單位：m）

表1　土體主要物理力學參數(shù)

2　基坑開挖施工方案

下穿滬杭高鐵U型槽基坑開挖深度為6.79m，寬度32.68 m，長度15.09 m，該基坑安全等級為一級基坑?；訃o采用φ1000 mm 間距1150 mm 鉆孔樁 + 雙排φ600 mm 間距 500 mm 高壓旋噴樁，鉆孔樁樁長20 m，高壓旋噴樁樁長16 m。圍護樁樁頂設(shè)置圈梁，采用φ609 mm 鋼管支撐，支撐間距4 m，中間設(shè)置格構(gòu)柱。基坑圍護結(jié)構(gòu)與滬杭高鐵同步施工完成，即本次施工從鑿除樁頭，施工圈梁開始。

基坑設(shè)置1道鋼支撐，并將鋼支撐與格構(gòu)柱連接，鋼支撐施加預應(yīng)力后進行土方開挖。根據(jù)基坑開挖空間效應(yīng)特點，基坑采用分層分塊開挖，以減小基坑開挖對鄰近高鐵橋墩的影響?；用繉娱_挖深度為2 m，當開挖至距基坑設(shè)計標高0.3 m 時，采用人工挖土的方法平整基坑，不得超挖與擾動基底土，挖到設(shè)計標高后，及時澆注混凝土墊層以減少坑底土體回彈，并隨之盡快施工底板，完成基坑封底。

3　基坑開挖施工模擬

本文采用巖土工程有限元軟件Plaxis3D 建立三維有限元模型，對基坑開挖過程進行模擬，以得到各施工過程基坑變形大小和對鄰近高鐵橋墩的影響。

3.1計算模型建立

計算模型中土體和結(jié)構(gòu)分別采用土體硬化模型中的小應(yīng)變硬化土模型 HSS 和線彈性本構(gòu)模型。橋墩、承臺、土體采用實體模型，承臺下方的樁基及 U 型槽圍護樁采用軟件自帶的 Embedded 樁單元，支撐采用梁單元。圍護樁結(jié)構(gòu)單元，采用抗彎剛度等效成板單元來計算。模型的邊界條件，頂面為自由面，兩側(cè)水平約束，底面為豎向約束。橋墩頂部集中力計算考慮一期變截面連續(xù)梁恒載、二期軌道板恒載和三期列車活載綜合作用。

王衛(wèi)東等［7］通過 HSS 模型參數(shù)的敏感性分析，對HSS 模型參數(shù)中固結(jié)試驗的參考切線模量、三軸固結(jié)排水剪切試驗的參考割線模量、三軸固結(jié)排水卸載再加載試驗的參考卸載再加載模量割線剪切模量衰減為0.7倍的初始剪切模量時對應(yīng)的剪應(yīng)變 γ0.7和破壞比 Rf的確定方法進行了修正。在此基礎(chǔ)上，采用反分析法確定了敏感性最強的小應(yīng)變參數(shù)，從而初步完整地獲取了上海典型土層土體 HSS 模型參數(shù)，并采用文獻［7］中確定的上海典型土層 HSS 模型參數(shù)對該地區(qū)若干典型基坑工程實例進行計算，結(jié)果表明，計算值與實測值吻合得較好，從而驗證了上海典型土層 HSS 模型參數(shù)的適用性。本文基坑工程土層為上海典型土層，HSS 模型計算參數(shù)按文獻［7］中選取，如表2所示，其中 vur為泊松比，pref為參考應(yīng)力，K0為正常固結(jié)條件下的靜止側(cè)壓力系數(shù)，n 為與模量應(yīng)力水平相關(guān)的冪指數(shù)?；娱_挖對周邊應(yīng)力影響范圍為開挖范圍的3～5倍之間，故本模型尺寸為150 m×80 m×100 m，三維有限元模型如圖3所示。

表2　HSS 模型計算參數(shù)選取

圖3　三維有限元模型

表3　數(shù)值模擬高鐵橋墩變形　mm

3.2模擬結(jié)果分析

（1）表3給出了基坑施工過程中數(shù)值模擬高鐵橋墩變形值，由表3可以看出，基坑施工全過程引起鄰近高鐵橋墩產(chǎn)生的總位移分別為：38號橋墩順橋向水平位移2.9 mm，豎向位移 -2.2 mm；37號橋墩順橋向水平位移0.9 mm，豎向位移 -1.5 mm。即，基坑邊界距高鐵橋墩距離近，基坑施工對其產(chǎn)生的影響大。

（2）圖4給出了基坑施工過程中基坑圍護樁數(shù)值模擬水平位移曲線，由圖4可以看出，基坑施工全過程中，未拆除鋼支撐時，圍護樁最大水平位移發(fā)生在坑底附近，最大值為8 mm；鋼支撐拆除后，圍護樁最大水平位移發(fā)生在樁頂，最大值為16 mm。GB50497-2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中一級基坑墻頂水平位移累計值的控制要求為0.2%H（H 為基坑開挖深度），即為13.6 mm。因此，為了減小基坑變形對鄰近橋墩的影響，鋼支撐應(yīng)在 U 型槽結(jié)構(gòu)施工完成并達到一定強度后再拆除鋼支撐。

4　基坑開挖變形監(jiān)測分析

為了實時跟蹤基坑施工過程中高鐵橋墩變形和基坑自身變形情況，以掌握基坑施工對鄰近高鐵的影響程度，施工過程中于2014年11月—2015年2月對高鐵橋墩、基坑圍護樁、鋼支撐軸力等進行了監(jiān)測。并將實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比分析，以驗證數(shù)值模擬的合理性。

（1）表4給出了圍護樁及高鐵橋墩變形實測數(shù)據(jù)，由表4可以看出：①基坑施工過程中近38號橋墩側(cè)圍護樁拆撐前實測水平位移最大值為8.0 mm，拆撐后實測水平位移最大值為13.5 mm，數(shù)值模擬最大值為16.5 mm，與實測值比較接近；拆撐前實測最大豎向位移為 -3.3 mm，拆撐后實測最豎向位移為-3.6 mm，拆撐對豎向位移影響不大；②基坑開挖至坑底時38號橋墩實測豎向位移 -1.9 mm，實測水平位移0.3 mm，數(shù)值模擬值豎向位移 -2.2 mm，數(shù)值模擬水平位移2.9 mm；37號橋墩實測豎向位移-0.8 mm，實測水平位移0.3 mm，數(shù)值模擬值豎向位移-1.5 mm，數(shù)值模擬值水平位移0.9 mm，數(shù)值模擬值與實測值較為接近。澆注完底板拆除鋼撐后橋墩垂直位移有微小回彈。

（2）圖5給出了基坑開挖過程中鋼支撐軸力實測變化曲線，由圖5可以看出，基坑開挖過程中鋼支撐軸力增加較快，底板澆注完成后，鋼支撐軸力增加逐漸變緩，鋼支撐軸力最大值為1092 kN，可見鋼支撐實測軸力小于設(shè)計值3200 kN，為設(shè)計值的34%。

（3）對數(shù)值模擬值與實測值進行比較，數(shù)值模擬鋼支撐拆除后圍護結(jié)構(gòu)樁頂水平位移16.5 mm，U 型槽主體結(jié)構(gòu)施工完成達到一定強度后拆除鋼支撐圍護結(jié)構(gòu)樁頂實測水平位移為13.5 mm，滿足GB50497-2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中一級基坑墻頂水平位移控制值要求，說明當 U 型槽主體結(jié)構(gòu)施工完成并達到一定強度后再拆除鋼支撐有效地控制了基坑變形，減小了對鄰近高鐵橋墩的影響，確保了高鐵運營安全。

圖4　圍護樁水平位移

表4　圍護樁及高鐵橋墩變形實測數(shù)據(jù)　mm

圖5　鋼支撐軸力實測變化曲線

5　結(jié)論

（1）采用單排鉆孔樁隔離和雙排高壓旋噴樁止水的圍護措施有效地控制了基坑和高鐵橋墩變形，起到了保護高鐵橋墩的良好效果?；邮┕ひ疣徑哞F橋墩沉降控制在3 mm 以內(nèi)，水平位移1.0 mm 以內(nèi)，滿足高鐵橋墩變形控制標準。

（2）數(shù)值模擬值與實測值比較表明，采用Plaxis3D 三維有限元中的 HSS 土體模型能較好的模擬基坑施工實際情況，HSS 土體模型參數(shù)的適用性較好。

（3）U 型槽主體結(jié)構(gòu)施工完成并達到一定強度后再拆除鋼支撐有效地控制了基坑變形，減小了對鄰近高鐵橋墩的影響。

（4）嚴格按基坑時空效應(yīng)原則控制基坑開挖，不超挖，加強基坑及高鐵橋墩變形監(jiān)測，有效地確保了施工安全和高鐵運營安全。

參考文獻

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責任編輯 朱開明

Analysis on Infl uence of Excavation on Adjacent Bridge Pier under High Speed Railway Bridge

Li Xiaolong

Abstract:Aiming at the problems of effect of adjacent high-speed rail construction of foundation pit on high speed railway pier deformation, The paper takes a Shanghai’s case of one road under-passing Shanghai Hangzhou high-speed railway viaduct project as an example, using numerical simulation and on-situ monitoring method to study the foundation pit excavation under the high speed railway in the construction process of foundation pit deformation and impact on nearby high speed railway pier deformation. The study shows that the maximum settlement is2.2mm in the high speed railway pier numerical simulation, the maximum horizontal displacement is2.9mm, the measured the maximum settlement value is1.9mm, and the maximum horizontal displacement is0.7mm. The measured value and numerical simulation value are very identical, refl ecting the actual situation of the construction. The excavation of the foundation pit is controlled effectively by the isolation pile retaining structure, which ensures the safety of high speed railway operation.

Keywords:high speed railway bridge pier, foundation pit excavation, deformation monitoring, numerical simulation

中圖分類號：U443.15

收稿日期2016-01-20