考虑施工影响的东绕城高速公路安全评价分析

吴开荣，向田一

（1.苏交科集团股份有限公司，南京 210017；2.大连大学建筑工程学院，辽宁 大连 116622）

1 引言

近几十年，一些学者对路基开挖和填方施工对邻近建筑物的影响做了许多研究与分析。帅红岩[1]等通过数值模拟方法研究了基坑开挖深度与基坑整体位移的关系；孙超等[2-3]运用Midas GTS软件对基坑开挖过程对周边建筑物的影响进行了模拟分析；王卫东等[4]通过数值模拟方法研究基坑开挖卸载对地铁区间隧道的影响；王洪德、杨传亮等[5-6]利用有限元软件建模数值分析的方法，研究了桩基施工、给排水管道在施工开挖过程中对既有隧道的影响；洪晟[7]通过有限元软件建模数值分析的方法，研究深基坑的围护结构变形以及周围土体应力场变化的合理性；李明瑛等[8]通过MIDAS GTS有限元软件，研究了深基坑中土体的沉降、锚杆的应力分布变化、桩身的位移变化，为控制基坑的变形提供了借鉴；曹力桥[9]利用有限元软件对深基坑开挖基底进行研究，分析了基坑底部隆起的位移与开挖深度的关系；张向东等[10]通过数值模拟认为随着基坑的开挖深度增加，会使周围土体滑动，从而使基坑变形影响周围建筑物的安全；丁克伟等[11]经研究发现应力分布与基坑开挖有重大关系，且伴随着基坑开挖深度的不断加深，基坑的水平位移也逐渐变大，水平位移的位置随着基坑开挖深度的增大而发生变化；杨光[12]运用三维有限元软件对基坑开挖和施工堆土对临近建筑物的影响进行了模拟分析，发现基坑开挖深度越深，并且施工堆土越多，对临近建筑物的影响越大。

本文以东绕城高速改扩建为列，利用MIDAS GTS NX有限元软件对东绕城高速保通便道施工全过程进行模拟，分析对东绕城高速公路的影响，从而为类似的项目提供相关经验。

2 工程概况

2.1 自然地理及地域地质概况

2.1.1 地形地貌

本项目位于昆明断陷盆地东北部，地处滇池盆地边缘低山丘陵区域。东南部以浅切割低山地貌为主，还有山麓斜坡地貌和山麓坡脚堆积地貌；东北部为断陷盆地平原地貌。总体地势为西北低东南高，海拔高度在1 907~2 002 m，高差95 m，属平原向山地地貌逐渐过渡，地形起伏小。

2.1.2 水文、地质

1）水文条件。项目区地处长江上游滇池流域，位于该流域中上游滇池东岸，为大陆停滞水堆积形成的冲湖积准平原地貌与盆地边缘残丘地貌过渡部位。项目区为残丘地貌区，地表水系除马料河外，场地附近多为人工沟渠，地表水系较发育。

2）地质条件。勘察场地地层由松散覆盖地层及基岩地层组成。

松散覆盖土层以第四系全新统冲、湖积地层为主。勘探场地勘探深度范围内松散地层类型主要为黏土类、混合土类、粉土类、砾石土类及有机碳土类。

基岩地层主要为寒武系下统沧浪铺组砂岩。勘察区位于西部断线盆地平原地貌区，地势上西北低东南高，自西向东由平原逐渐向山地过度，海拔高度在1 890～2 050 m，高差约160 m。

2.1.3 气候、气象

项目区地处北暖温带夏雨季风气候区，多年平均气温14.7℃，最冷月平均气温7.7℃，最热月平均气温19.8℃，极端低温-5.4℃，极端高温31.5℃，年平均降雨量1 007.0 mm，年平均蒸发量1 685.0 mm，每年6~10月为雨季，雨季降雨量占全年总降雨量的80.0%，对基础工程施工较为不利，每年12月至次年4月为旱季，干燥度为1.67，为微湿润气候区，日最大降雨量153.0 mm，夏季平均气压8.06×104Pa，30年一遇最大风速23.7 m/s，最大积雪厚度17.0 cm。年平均相对湿度73%，蒸发量1 940.9 mm，月平均蒸发量278.8 mm，3、4月份为最干旱月，相对湿度仅54%~55%。

2.2 东绕城高速公路

2.2.1 路基段

昆明东绕城高速为高速公路，主线整体式路基宽35.0 m，其路幅构成如下：0.75 m（土路肩）+3.25 m（硬路肩）+3×3.75 m（行车道）+0.75 m（路缘带）+3 m（中央分隔）+0.75 m（路缘带）+3×3.75 m（行车道）+3.25 m（硬路肩）+0.75 m（土路肩）=35.0 m。

2.2.2 安石公路跨线中桥

现状安石公路跨线桥上部结构采用30 m简支T梁，下部结构采用U形重力式桥台，钻孔桩基础，0号桥台桩基长度为38.5 m，1号桥台桩基长度为36 m。本桥位于曲线上，曲线半径为750 m，与线路中线呈45°斜交。桥台锥坡采用7.5号浆砌片石铺砌厚35 cm，锥坡填土与路基相同。

2.3 新建便桥

为了保证东绕城高速正常运营，拟在K18+805处新建1座钢混组合梁便桥，以解决东绕城高速交通疏解问题，便桥道路等级为一级公路标准，设计时速60 km/h，单向三车道（3×3.5 m），荷载等级采用公路-Ⅰ级荷载。安石公路跨线中桥里程为GK18+775.42。新建便桥跨径组合为1×30 m，便道桥台采用重力式U形台，基础采用钻孔灌注桩，桩径为1.5 m，桩长为45 m。桥梁全长43.913 m（含耳墙），桥面等宽15.7 m。桥下安石路路基宽度约为26 m，设计净空为5 m。

3 计算工况

本次计算工况分为3个步骤：首先建立初始自重应力场。在实际工程中，由于天然土层在土体自重和周围建筑物荷载作用下已经固结沉降完毕，需要将已经固结沉降完成的原状土作为后续开挖步的初始状态。因此，在利用有限元计算各个施工过程对已有路基段与已有桥梁的影响时，若要达到天然土层的初始状态，必须平衡初始地应力，使土体模型中只存在初始应力场，而不出现初始位移。模型中的首要阶段为施工前，计算出土体在自重的作用下的位移场和应力场，通过MIDAS GTS的位移清零功能消除已经完成的沉降位移，并构造初始应力场，同时作为后续阶段计算结果的参照。模型中计算的所有变形数值都是地层、结构的最终变形值，不考虑时效作用。

4 东绕城高速保通便道施工模型计算

4.1 计算模型

桩台、桥面、桩基均采用弹性本构模型。钢筋混凝土三维实体单元的自重是通过结构重度与三维体积乘积所得，由于在MIDAS中无法对实体单元结构内钢筋进行建模，所以，对含有钢筋的混凝土结构比重进行修正，见表1。其中，桩基采用1D网格，并增加桩侧与桩端单元模拟桩基的侧摩阻与端阻力。各土层与结构采用3D四面体网格划分方法建立三维有限元模型，东绕城高速保通便道施工模型共计网格148 781个。

表1 计算单元及参数选取

4.2 计算结果

从计算结果分析可以看出，由于保通便道存在路基段填方，导致填方处地形存在较大幅度沉降，地面最大沉降值约为20 mm。已有路基在靠近保通便道处的最大沉降约为16 mm。由于沉降作用，已建路基最大横向位移约为6.34 mm，Y向变形最大值约为1.31 mm。见表2。

表2 绕城高速保通便道施工模型计算结果汇总表

从桩基与上部桥墩变形来看，由于保通便道的沉降影响，导致最靠近便道处的桩基变形相对较大，X向最大值约为3.52 mm，Y向最大值约为0.9 mm，Z向沉降最大值约为6.2 mm。

从应力计算结果可以看出，桩基顶部所受轴向压应力最大，最大值约为3.7 MPa，小于桩基混凝土材料的容许压应力值为16 MPa。从桥墩的应力结果可以看出，所受最大拉应力约为0.35 MPa，最大压应力约为0.14 MPa，按混凝土材料容许拉应力（1 MPa）控制，桥墩结构数值计算结果安全。

5 三维仿真计算结论

1）由于新建路基段保通便道存在一定方量的土方回填，会使回填范围处周边土体发生一定程度的沉降，从而带动了绕东城高速路基段发生沉降，路基土体也存在较小的拉应力，路面可能会出现张拉裂缝，但不会产生垮塌，路基土体整体处于稳定状态，对东绕城高速的影响较小。

2）在整个施工过程中，跨安石公路右幅已有桥梁的桥面、桥台、桩基计算结果的应力、位移计算结果均满足对结构材料的拉、压容许应力的要求，故保通便道的修建对东绕城高速的影响较小。