下穿既有高铁桥梁基坑群开挖顺序优化研究

王文杰，鞠啸童，朱利明，邵毅安

(1.江苏雷威建设工程有限公司，江苏 南京 210003；2.南京工业大学，江苏 南京 210009)

随着城市地下空间的高速发展，越来越多的基坑工程临近既有桥梁，这既加大了基坑开挖的难度，也对临近桥梁产生了一定影响。如何在基坑施工期间减小对临近既有桥梁的扰动是待解决的问题。

目前为止，相关学者对基坑群开挖对临近桥梁的影响进行了大量研究，周湘[1]利用数值模拟分析，模拟了基坑群4种不同开挖顺序的工况，按照影响程度对桥墩差异沉降、桥墩竖向位移、水平位移、桩侧土压力、地表最大沉降等赋予不同权重，最终得出最优开挖方案。卫军[2]基于基坑群运用有限元软件设计了4种开挖方案，分析了下穿盾构隧道的竖向位移和周围地层的竖向位移，研究表明对称间隔式开挖为最优施工方案。陈书申[3]采用能进行全空间分析、自动协调变形的理正软件分析了基坑的不同开挖顺序，得出了最有利的顺序是自基坑中部向四边扩展，但实际运用中存在困难，最终采取了自近二角部位先挖而后渐次后退的顺序。麻凤海[4]、周凯强[5]、沈健[6]和袁顺德[7]等人基于实际工程，利用有限元数值分析模型，总结了各种开挖情况，给出了各个基坑开挖顺序对工程影响小的最优解。

综上所述，基坑群的出现，导致土层应力场及位移场不只是单个基坑简单的线性叠加，尤其是在临近高铁桥梁的情况下，基坑群的不同施工顺序对桥梁结构的影响会产生许多新问题。通过数值模拟及实测数据分析开挖基坑群时对既有高铁桥墩的影响，为具有基坑群的工程提供参考。

1 工程概况

1.1 基坑工程概况

依托项目为杭州市市政道路顶进箱涵工程，该工程沿线依次下穿沪昆铁路和沪昆高铁(杭深铁路)桥。下穿沪昆铁路采用顶进法施工，共四组6孔框架顶进下穿铁路上、下行线两股道路。沪昆高铁(杭深铁路)桥在沪昆铁路东侧。

顶进箱涵工程中基坑群由沪昆铁路西侧基坑和沪昆铁路东侧U型槽基坑组成，沪昆铁路西侧顶进工作坑由北至南，分别为1、2、3、4号基坑；U型槽基坑由NU1～NU5、ZU1～ZU5、ZU8～ZU9、YU1～YU5和YU8～YU9基坑组成。

将沪昆铁路西侧基坑由北向南划分为1#基坑、2#基坑和3#基坑、四号基坑，沪昆铁路东侧基坑由北向南划分为5#基坑、6#基坑和7#基坑。1#基坑坑深2.19～3.08 m；2#基坑坑深3.36～6.1 m；3#基坑坑深3.18～6.3 m；四号基坑坑深0.977 m；5#基坑坑深2.47～4.06 m；6#基坑坑深1.86～3.26 m；7#基坑坑深1.84～3.24 m。

1.2 沪昆高铁桥概况

项目下穿沪昆高铁(杭深铁路)处铁路桥梁为32 m简支梁，梁底标高6.24 m，桥台顶标高5.90 m。

沪昆高铁为混凝土连续梁桥，基坑影响范围钱江新桥由北向南依次是141#～145#墩范围。在NU4-NU5 U型槽处高铁桥墩距U型槽最近距离4.65 m，高铁桥梁底距地面7.99～8.87 m。桥梁下部结构采用钻孔灌注桩，基础均为桩基础，桩径为1 m。

2 数值分析

建立计算建模时，采用MIDAS GTS NX大型岩土有限元分析软件，为保证计算结果与实际监测结果相近，通过修正土层计算参数调整模型，参数选取如表1所示，采用修正摩尔库伦本构模型，该模型是一种弹塑性本构，相对于M-C更接近于塑性理论，是一种将非线弹性和塑性联合起来的组合模型。可以模拟包括软土和硬土在内的不同类型的土体行为的弹塑模型，考虑了土体的剪胀性，并引入屈服盖帽(Cap)，土体刚度与应力相关。其他材料根据实际情况采用弹性本构模拟。

有限元模型中土体、高铁桥承台、高铁桥墩、普铁路基和轨道采用3D单元模拟，桥桩、基坑支撑、基坑冠梁采用1D梁单元模拟，基坑围护桩(钻孔灌注桩和拉森钢板桩)通过等效刚度转换为地连墙2D板单元模拟，等效刚度转换如下

表1 土层计算参数选取

(1)

式中：d为计算所得地连墙厚度；h为桩径；D为桩间距。

为在计算模型中考虑桩土耦合作用，土体与桥梁桩基的接触面添加了界面单元。模型四周施加位移约束，桥梁桩基施加扭转约束，共计259 143个单元。

初始计算工况与实际施工工况对应。模型计算时，基坑开挖对应模型中钝化土体单元，单个基坑均分两层开挖至坑底。具体工况依次为：①初始地应力分析；②施作桥梁、铁路和既有U型槽；③基坑群围护结构依次施工；④开挖1#基坑，施作冠梁；⑤开挖3#基坑，施作冠梁和支撑；⑥开挖2#基坑，施作冠梁和支撑；⑦开挖5#基坑，施作冠梁和支撑；⑧开挖7#基坑，施作冠梁；⑨开挖6#基坑，施作冠梁；⑩开挖四号基坑，施作冠梁。

经计算，将围护桩在CX-4监测点的监测数据和模拟结果进行比较分析，围护桩的水平位移监测数据与模拟结果的监测数据曲线对比如图1所示。通过比较分析，模拟结果与实际监测数据较吻合，可以依据此数值模型进行后续分析。

3 基坑群开挖顺序对桥梁的影响

3.1 模拟基坑群开挖顺序

基坑工程是一个三维空间结构，基坑工程受分步和分阶段开挖作用的综合影响， 呈现典型的空间效应，基坑变形的空间效应不仅体现在基坑的几何形状及支护结构上，还体现在基坑开挖不同先后开挖顺序所形成的坑内土体空间效应。

图1 围护桩水平位移监测与模拟对比

按照基坑群类型划分，该工程基坑群可以划分为双侧多坑[8]，因四号基坑开挖深度只有0.977 m且距离高铁桥梁较远，故分析基坑群开挖顺序时不考虑四号基坑。

从减小对高铁桥梁扰动的角度出发，在对称、高效的开挖原则下，优化基坑群开挖顺序，对比分析了对称施工和分侧施工中依次开挖和同时开挖4种方案[8]来模拟基坑过程中不同开挖顺序，模拟施工顺序如图2所示。

图2 模拟施工顺序

方案一：该方案对称施工依次开挖，基坑开挖先后顺序为：1#基坑→5#基坑→2#基坑→6#基坑→3#基坑→7#基坑。

方案二：该方案对称施工同时开挖，基坑开挖先后顺序为：1#基坑、5#基坑→2#基坑、6#基坑→3#基坑、7#基坑。

方案三：该方案同时施工依次开挖，基坑开挖先后顺序为：1#基坑→2#基坑→3#基坑→5#基坑→6#基坑→7#基坑。

方案四：该方案分侧施工依次开挖，基坑开挖先后顺序为：1#基坑、2#基坑、3#基坑→5#基坑、6#基坑、7#基坑。

3.2 计算结果分析

考虑到模型中模拟结果的相似性，结果标记点均选取在桥墩上方靠近普速铁路一侧上。4种不同基坑群开挖方案完成时141#～145#桥梁墩顶最大沉降及水平位移值见表2和表3。

由表2、表3可知：开挖基坑群时，桥墩141#和桥墩142#受基坑群开挖影响最大，这是由于现场保留的U型槽及挡土墙对桥墩143#形成了有效的保护，而且144#和145#距离基坑群较远。在4种不同方案下的141#和142#墩顶累计沉降及水平位移曲线如图3所示。

表2 桥墩沉降累计最大位移

表3 桥墩水平累计最大位移

图3 不同方案141#～142#墩顶沉降和水平位移对比图

由表2、表3和图3可知。

(1)方案四基坑群分侧施工同时开挖时，引起桥梁墩顶最大沉降值为-3.407 mm；方案一基坑群对称施工依次开挖时，引起桥梁墩顶最小沉降值为-3.144 mm，均出现在142#墩顶，方案一比方案四中少了0.263 mm。

(2)在依次开挖和同时开挖的方案中对比桥梁墩顶沉降，其结果显示为非线性叠加，同时开挖时的桥梁墩顶最终沉降不是单个基坑依次开挖导致墩顶沉降的线性叠加，约为线性叠加值的1.05～1.07倍，这与多个基坑同时开挖引起的土层应力场、位移场的变化有关。同时开挖多个基坑，基坑暴露面积较大，更容易导致周围土体的松动，造成土体位移场发生变化，再开挖后续基坑时，引起的桥墩变形必然加大。

(3)从桥梁墩顶横向水平位移看，由于基坑群分布在桥墩东西两侧，双侧基坑对称同步开挖对桥梁墩柱具有很好的保护效果。从桥梁墩顶纵向水平位移看，因为基坑群均分布在桥梁墩柱141#的南侧，不同施工方案对桥墩141#变形影响差异不明显；但是对于桥墩142#，基坑群分布在其南北两侧，方案四分侧施工同时开挖可以较好地控制施工过程中的桥墩142#的纵向水平位移。

4 开挖最终地表沉降对比

4种基坑群开挖顺序开挖后土体整体竖向位移表现为坑内土体隆起，基坑周边出现沉降槽，4种方案开挖完成后地面最大沉降分别为-20.783 mm、-22.096 mm、-21.545 mm、-23.947 mm。4种方案地表最终沉降分布图见图4至图7。

图4 方案一最终地表沉降云图

图5 方案二最终地表沉降云图

图6 方案三最终地表沉降云图

图7 方案四最终地表沉降云图

由图4至图7可知：

(1)地表沉降最大均发生在2#基坑ZU1和3#基坑YU1之间，这是由于开挖过程对基坑中间土体影响较大，2#基坑和3#基坑开挖深度最大，同时沉降槽影响范围在0.5倍开挖深度内[13]，2#基坑和3#基坑最小间距为4 m，而地表沉降最大处就是2#基坑和3#基坑的公共沉降槽。

(2)最大地表沉降发生在方案四分侧施工同时开挖，这是由于同时开挖基坑深度及面积最大的2#基坑和3#基坑，基坑暴露面积大，基坑周围土体应力场发生变化，导致沉降增大。

5 综合分析最优开挖顺序

从以上对4种方案开挖顺序引起的墩顶沉降、墩顶横向水平位移、墩顶纵向水平位移和周边地表沉降项对比分析可以看出，并无一种绝对在各项都占优的开挖顺序。故从减小高铁桥梁扰动的角度出发，采用最优分析法[1]寻求最小扰动方法，各对比项分配权重如下：桥墩墩顶沉降、横向水平位移和纵向水平位移权重各0.3，周边地表沉降0.1。任一项较优者记90分，其次者记85分，再次者记80分，最差者记75分。

(1)经计算，以桥墩141#为研究对象，各方案得分见表4。

表4 桥墩141#得分表

最终，方案一得分87分，方案二得分为81.5分，方案三得分为80.5分，方案四得分81分。

(2)经计算，以桥墩142#为研究对象，各方案得分见表5。

表5 桥墩142#得分表

最终，方案一得分84分，方案二得分为83分，方案三得分为83.5分。方案四得分79.5分。方案一得分均为最高分，故方案一对称施工依次开挖为最优方案。

6 结 论

(1)整体来讲，高铁桥梁下基坑群的4种不同开挖方案对周边地表和高架桥墩的影响不同，通过最优分析法分析得出方案一对称施工依次开挖为最优开挖方案，对周边土体和高铁桥墩扰动相对较小。

(2)方案二在高铁桥墩两侧对称施工同时开挖可以有效的控制桥墩的横向水平位移。对于基坑群分布在其南侧桥梁墩柱141#，不同施工方案对其纵向水平位移影响差异不明显；但是对于基坑群分布在其南北两侧的桥墩142#，方案四分侧施工同时开挖可以较好地控制施工过程中的桥墩142#的纵向水平位移。

(3)在依次开挖和同时开挖的方案中对比桥梁墩顶沉降，其结果显示为非线性叠加，墩顶沉降在基坑群同时开挖中约为依次开挖中的线性叠加值的1.05～1.07倍。

(4)采取的方案中，高铁桥梁墩柱产生较大的变形，实际施工时可采用地基加固等方式减小桥梁变形，同时需加强对高铁桥梁的监测。