地下车站基坑开挖结构回筑对邻近国铁桥梁影响的有限元分析

2019-07-03程济凡

智能城市 2019年10期

程济凡

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430000）

某综合交通枢纽工程，地下车站需从国铁桥梁的两个孔跨桥墩间横穿通过。因地下车站围护结构距离国铁桥梁桩基础极近，可能因基坑开挖导致土体位移而对国铁桥梁桩基产生不利影响。土体的水平位移可能导致桩身产生附加弯矩、应力和位移，严重时将引起邻近的桥梁桩基过量变形甚至破坏[1]。因此，研究基坑开挖和结构回筑对邻近桥梁桩基的影响是至关重要的。

文章对该工程中地下车站从基坑开挖到结构回筑各阶段进行三维有限元数值模拟，研究其对邻近桥梁桥墩承台位移，桩基附加弯矩和位移的影响，以供设计、施工参考。

1 工程概况

某L型综合交通枢纽工程，地下部分为新建地铁车站，地上部分为国铁站房，两者合建。其中地下车站局部100 m长度范围的结构需从国铁桥梁的两个孔跨桥墩间横穿通过。

地下站标准段基坑深度30.2 m，端头井深度31.2 m。根据地勘资料，场地内大面积分布呈流塑—软塑状态的淤泥及淤泥质粉质黏土，层厚达18.6～23.3 m。综合本站的特点、周边环境、水文地质条件和工程造价，本站基坑采用1.2 m厚地下连续墙+内支撑的支护型式。标准段及端头井均设置7道支撑，其中第一、二、四、五道为混凝土支撑，二、六道为钢支撑（另设一道钢换撑）。

地下车站左右两侧均为国铁桥梁承台，承台边缘距地下连续墙外边线距离仅为0.6 m，承台宽度4.8 m，长度分别为9.5、17.9及30 m；桥梁承台桩基距地下连续墙最近距离为1.1 m，桩径1.0 m，桩长为62 m。地下车站与国铁桥梁承台桩基的关系图如图1、图2所示。

车站及桥梁施工时序暂定为先开挖车站基坑，待车站底板封板后开始桥梁桩基承台施工。

图1 车站与桥梁承台桩基关系平面示意图

图2 车站与桥梁承台桩基关系剖面示意图

2 三维有限元模拟

本计算采用midas gts NX软件进行三维有限元模拟，计算假定如下：（1）地表和各层土均呈均质水平层状分布。（2）土体为各向同性、连续的弹塑性材料，服从修正Mohr-Coulomb屈服准则[2]。（3）围护结构与土体采用变形协调计算的方法。（4）假定车站基坑开挖施工过程中，连续墙、桩基与周围地基土体的接触面间没有相对滑动，接触面间节点共同位移，以考虑它们之间的作用[3]。

模型采用六面体、四面体混合网格，岩土本构模型采用各向同性摩尔库伦模型，地下连续墙、混凝土及钢支撑、桥梁桩基、承台均采用线弹性模型进行施工模拟。结构整体三维模型如图3所示。

图3 整体三维有限元模型

计算共设置21道工况，工况过程如下：初始应力分析（模拟初始地应力） →位移清零（清除初始地应力造成的土体位移） →施作地下连续墙→开挖土体2.5 m，施工第一道混凝土支撑→开挖土体5.5 m，施工第二道混凝土支撑→开挖土体5 m，施工第三道钢支撑→开挖土体3.5 m，施工第四道混凝土支撑→开挖土体5 m，施工第五道混凝土支撑→开挖土体6 m，施工第六道钢支撑→开挖至基底并施工车站底板→施工桥梁桩基、承台、桥墩→位移清零（清除前期开挖过程中造成的土体位移） →拆除第六道支撑→施作钢支撑换撑→拆除第五道支撑→施工中二板→拆除第四、三道支撑→施工车站中一板→拆除第二道支撑→施工顶板→拆除第一道支撑。

3 计算模型验证

为验证计算模型的正确性，采用同济启明星软件FRWS建立基坑的二维断面模型，地连墙跨中水平位移值二维与三维计算结果如表1所示。

表1 地连墙跨中水平位移二维、三维计算结果 /mm

二维计算和三维计算的位移结果相近，可认为三维模型的建模及计算是准确可信的。

4 计算结果

车站施工引起的桥梁桥墩墩顶最大水平位移值如表2所示。

表2 车站施工引起桥墩墩顶最大水平位移值表 /mm

车站施工对桥梁桩基产生的附加弯矩值如表3所示。

表3 车站施工产生的桥梁桩基附加弯矩值表 /（kN×m）

从计算结果可知，地下车站施工时，桥梁承台最大位移约为1.32 mm。桥墩墩顶最大水平位移约为6.97 mm，按《高速铁路桥涵工程施工质量验收标准》（TB 10752—2018）条文，高速铁路桥墩的施工容许偏差为20 mm，因此，地下车站施工引起的国铁桥梁桥墩承台位移满足规范要求。同时产生的桩基附加弯矩值较小，桥梁桩基截面及配筋满足受弯承载力要求。