高架桥桥基与地下车站深基坑近距离施工相互影响分析

2023-06-21丁春林李桂颖朱海星

华东交通大学学报 2023年3期

周超，丁春林，李桂颖，朱海星

（1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804; 2.中铁四局集团第四工程有限公司，安徽合肥 230012）

国内外许多学者开展了基坑下穿高架桥施工的研究。木林隆[1]提出了基坑开挖对邻近桩基竖向和水平向影响的两阶段分析方法。Zhang[2]基于HS-Small 本构模型建立了地铁基坑紧邻既有桥桩开挖的有限元模型，结合现场实测数据证明了数值模拟结果的准确性。胡军[3]以深基坑邻近高速铁路桥基开挖为背景，发现深基坑开挖导致基坑底部隆起,围护结构向坑内发生移动，且桩基上部变形较大,下部变形较小。现有研究主要围绕既有桥基修建下穿基坑，通过对桥基周围土体加固来控制基坑和桥基之间的相互影响。本文重点关注高架桥需要和深基坑同步施工，基于高铁高架桥桥基穿越在建台州某车站地铁深基坑施工技术，利用Midas GTS NX 软件，对高铁桥基和地铁深基坑全生命周期施工过程进行数值模拟，通过有限元分析得出两者受力变形变化规律，为工程安全顺利进行提供理论依据。

1 工程概况

1.1 场地土条件与车站结构

台州某地下车站为市域铁路S1 线与S2 线的换乘站。根据地质勘察报告，该工程场地属冲海积平原区，地形平坦开阔，深厚层软土为该工程的主要特殊岩土，深度可达70 m。软土地基的强度低、稳定性差和不均匀沉降及变形大等，是主要工程地质问题。勘探深度范围内的土层自上而下分为8 个主要土层，特殊岩土主要包括淤泥、淤泥质黏土和黏土。地层主要物理力学参数如表1 所示。

表1 地层物理力学参数表Tab.1 Physical mechanical parameters of soil layer

该车站为东西向布置的地下3 层车站。主体长约232 m，深度约31.41 m。基坑围护结构采用地下连续墙和内支撑。地下连续墙厚度为1 150～1 250 mm，深度为67～71 m。基坑内部从上至下依次设有4 道混凝土支撑，2 道钢支撑。混凝土支撑为900 mm×1 200 mm 的矩形截面，支撑采用C30 混凝土；钢支撑采用直径为800 mm 的钢管，钢管壁厚为16 mm。基坑底部为C20 混凝土垫层，厚度为20 cm。

高架桥桥基第22～23 跨穿越了S2 线在建深基坑，桥梁承台距离基坑边缘仅0.6 m。高架桥桩基为泥浆护壁法施工的钻孔灌注桩，桩长77 m，直径1.25 m，桩间距为3.6 m，距离承台边缘1 m，采用梅花形布置；承台厚2.2 m，宽5.6 m，长7.7～30.8 m，为现浇施工。桥墩高11 m，桥梁待基坑和桥基施工完成后架设。高架桥桥基与S2 线基坑断面如图1所示。

图1 高铁桥基与基坑断面示意图（单位：m）Fig.1 Cross section of foundation pit and overpass bridge foundation（Unit：m）

1.2 施工过程介绍

工程地质为深厚软土，为了保障开挖过程中基坑与高铁桥基的稳定性，在开挖过程中严格依照“时空效应”理论[4-6]。主要施工步骤分为以下3个阶段。

阶段1：基坑在纵向分为6 层，每次开挖前都应该在对应位置及时设置支撑，待支撑达到设计强度85%以后，方可开挖基坑。基坑开挖过程中遵守“随挖随撑，严禁超挖”的原则，从上至下依次开挖。基坑开挖至基底后，应减少基底暴露时间，在清除完基底弃土后，尽早施作基坑底板，以保证基坑稳定性。

阶段2：待基坑开挖完成并施作底板后，进行高铁桥基施工。

阶段3：待高铁桥基施工完成后，进行基坑回筑与支撑的拆除工作。

2 施工数值模拟

2.1 计算理论

本文在施工模拟计算中，对深厚软土层采用了修正Mohr-Coulomb 模型（MMC），该模型常用于淤泥软土或砂土的数值分析[7]。MMC 模型中，土体的硬化可以分为两个部分：剪切硬化和压缩硬化。剪切硬化用于模拟主偏量加载产生的塑性应变，压缩硬化用于模拟各向同性加载中主压缩产生的塑性应变。

2.1.1 剪切硬化

MMC 模型为双曲线模型，其屈服条件由剪切硬化和压缩硬化组成，其相应的剪切硬化屈服函数f 表达式如

式中：E50为三轴压缩试验中的割线刚度；Eur为卸载弹性模量；γp为塑性切应变函数，和式（2）相同，也由E50和Eur决定；q 为偏应力，qa为MMC 双曲线模型渐近线对应偏应力。

2.1.2 压缩硬化

上述剪切硬化不能解释土体在等向压缩过程中产生塑性体积应变这一现象，因此在剪切屈服面基础上引入压缩硬化椭圆屈服面来包围靠近水平轴向的弹性区域。压缩屈服函数（椭圆形）如

式中：α 为相关的辅助参数，由正常固结下K0决定；为偏应力的一种特殊应力测量，和土体的φ 角有关；P 为平均应力；Pp为先期固结压力，由切线刚度Eoed决定等。

E50、Eur、Eoed由决定。其中应力相关幂指数m，软件中有推荐取值；本次计算中c、φ、ES按场地土勘察地质资料取值，其他各模量按经验[8]取值如

2.2 计算模型

本计算模型如图2 示。模型结合了工程场地实际地质情况，土层采用修正摩尔库伦本构模型，土层参数按照地质勘测报告数据选取。用三维实体单元模拟土层，用板单元模拟地下连续墙，用结构单元模拟基坑桩基与支撑。

图2 计算模型图Fig.2 Calculation model

高架桥桥基施工模拟计算时，通过先后激活设置的桩基单元、承台单元和桥墩单元，根据其自重应力场变化来模拟高架桥整体桥基施工。

结合实际情况，边界条件的设置为：模型四周设置法向水平位移约束，底部设置X，Y，Z 方向的位移约束，顶部边界为自由表面。

模型基坑宽为23.7 m，深度为30.8 m，土体选用实体单元进行模拟，计算模型沿S2 基坑长度方向为160 m，模型高度为100 m，沿基坑宽度方向为109.3 m。

2.3 计算工况模拟

数值模拟过程分为三个阶段，11 个工况。阶段1 进行基坑开挖，共7 个工况（S1～S7）；阶段2 进行高铁桥基，共1 个工况（S8）；阶段3 进行基坑支撑拆除，共3 个工况（S9～S11）。

工况1（S1）：施作第1 道支撑，并开挖第1 层土；

工况2（S2）：施作第2 道支撑，并开挖第2 层土；

工况3（S3）：施作第3 道支撑，并开挖第3 层土；

工况4（S4）：施作第4 道支撑，并开挖第4 层土；

工况5（S5）：施作第5 道支撑，并开挖第5 层土；

工况6（S6）：施作第6 道支撑，并开挖第6 层土；

工况7（S7）：施作基坑底板；

工况8（S8）：高铁桥基施工；

工况9（S9）：撤除第5、第6 两道内支撑，施做基坑中二板和第3 层的内衬墙；

工况10（S10）：撤除第4、第3 两道内支撑，并施做第2 层内衬墙以及中一板；

工况11（S11）：撤除第2、第1 两道内支撑，并施做第一层内衬墙以及基坑顶板。

3 计算结果分析

3.1 基坑开挖结果分析

3.1.1 基坑地表沉降变形

当基坑开挖完成后取垂直基坑纵向跨中截面处数值模拟结果，将采样点从工况1 开挖至工况7地表沉降变化绘制成图3 所示。

图3 基坑跨中截面地表沉降图Fig.3 Settlement of foundation-pit mid-span section

分析可知，基坑地表最大沉降出现在距离基坑大约10 m 的位置。基坑开挖至坑底时，最大沉降为37.65 mm。工况2 沉降增幅为50%，工况3 增幅为58%，工况4 增幅为43%，工况5 增幅为16%，工况6 增幅为3%，工况7 增幅为5%。当基坑开挖至工况2～工况4 区间时，地表沉降增加幅度较大，这是因为工况4 之前土层主要为强度很低的淤泥，且土层性质变化较大，在施工时应注意监测。

3.1.2 地下连续墙侧向变形

取地连墙跨中断面为采样截面，按采样点结果将地下连续墙侧向变形绘制成图4 所示。

图4 不同工况下地下连续墙侧向变形图Fig.4 Graph of lateral deformation of diaphragm wall under different working conditions

分析可知，随着基坑开挖，地下连续墙的位移逐渐增大，且最大位移位置随基坑开挖深度增加而下移，最终最大位移大致出现深度为25 m 处，距离基坑底部约5.8 m，位移量为38.5 mm。说明超深基坑地下连续墙位移发生在基底以上一定距离处，与普通基坑地连墙最大位移发生在基底以下不同。这是因为上部土层性质要比基底以下土层性质差，已产生较大变形[9]。当基坑开挖至工况2～工况4 区间时，地连墙侧向位移发展明显，在施工时应对相应位置做好加固措施，并定期监测。

3.2 高铁桥基施工影响分析

3.2.1 基坑地表沉降变形

基坑开挖完成并封底后，需要进行高铁桥基施工。高铁桥基施工前后基坑地表采样点位置处沉降数值模拟对比结果如图5 所示。

图5 桥基施工前后基坑地表沉降图Fig.5 Surface settlement of foundation pit before and after bridge foundation construction

可以发现，基坑地表最大沉降为41.26 mm，距离基坑约10 m。相比高铁桥基施工之前，沉降增大3.61 mm，说明基坑围护结构效果较好。

3.2.2 地下连续墙侧向变形

桥基施工完成后，按采样点结果绘制地下连续墙位移如图6 所示，发现桥基施工并未对地连墙侧移产生明显影响，峰值仅增大0.2 mm。

图6 桥基施工前后地连墙侧移图Fig.6 Lateral deformation of diaphragm wall before and after bridge foundation construction

3.2.3 高铁桥墩变形

高铁桥基施工后，由图7 所示的变形云图可知，承台外侧沉降比内侧大，这是因为深基坑开挖导致了周围土体的变形，使得距离基坑边缘10 m内，基坑地表沉降呈现出逐渐增大的趋势，10 m 以外沉降开始减小。由于高铁桥基承台距离基坑边缘仅0.6 m，因此承台外侧距离基坑边缘距离较远，其沉降比承台内侧沉降大。在施工高铁桥基时，需注意周围土体变形，以减小承台的沉降差，同时需要注意土体沉降引起负摩擦力，从而加大桩身应力[10]。可以对桩基一定范围内土层，采用高压旋喷桩等措施进行加固，以减小桩基沉降[11]。

图7 高铁桥基竖向变形云图Fig.7 Contour diagram of vertical deformation of highspeed railway bridge foundation

3.3 基坑支撑拆除变形分析

3.3.1 基坑变形

桥基施工完成后，基坑后期撤除内支撑，施做内衬墙和中隔板对基坑和高铁桥基变形也会产生影响。拆撑过程中的跨中截面基坑地表变形随施工推进变化趋势如图8 所示。

图8 基坑拆撑回筑后基坑地表沉降Fig.8 Surface settlement of the foundation pit after braces demolition of foundation pit

由于地连墙的围护作用和边拆边回筑的车站中隔板的支撑作用，且数值模拟忽略了混凝土拆撑过程机械破除对结构的扰动，该阶段并未引起明显基坑变形。但现场混凝土支撑常需要绳锯切除和机械破除，有的支撑甚至需要爆破拆除，因此需要在支撑两端围檩靠近地下连续墙处设置好能量隔离孔，以减小爆破对地下连续墙的损害。

3.3.2 高铁桥墩变形

支撑拆除后高铁桥基变形云图如图9 所示。承台外侧最大沉降为4.1 mm。与拆撑之前相比，沉降有所增长。由拆撑完成后基坑地表变形和桥基承台沉降可知，拆撑和车站回筑会导致基坑和桥基沉降增加，但由于车站结构也具有一定支撑作用，变形增长主要是由于施工扰动引起，结构物整体变形量不明显，稳定性和安全性可以得到保证。

图9 基坑拆撑回筑后高铁桥基沉降Fig.9 Settlement of high-speed railway bridge foundation after braces demolition of foundation pit

4 现场实测结果分析

根据设计要求，现场测试断面在相应的位置用钻机钻孔，先开孔做钢管保护井（孔径150 mm，深度50 mm），再钻孔130 mm，深950 mm 的测孔，且必须破开结构性表层，然后打入标准螺纹钢标志点，最后在测孔周边填满细砂石防止监测点左右摆动，并按照距离基坑1，6，11，16，21 m 布置测点。

根据现场实测结果，整理得到基坑地表沉降现场实测与数值模拟结果对比如图10 所示。

图10 地表沉降与现场实测对比图Fig.10 Comparison graph of surface settlement between on-site measurement and numerical calculation results

现场实测基坑地表最大沉降为55.64 mm，相应数值模拟计算结果为42.83 mm, 数值模拟结果比实测结果地表沉降小23%左右，并且两者反映出相同的规律，即随着距基坑距离增大，地表沉降先增大后减小。实测结果略大是因为实际施工可能出现基坑超挖、基坑有一定暴露时间、支撑架设和开挖不是完全同步以及机具扰动等[12]。地表沉降最大处均发生在10～15 m 内，说明了数值模拟的准确性。

地连墙的现场实测与数值模拟的对比结果如图11 所示。在基坑开挖完成后，地连墙最大侧移位于25 m 深度左右。其中现场实测最大侧移48.75 mm，数值模拟最大侧移为39.4 mm，仅相差19.1%。现场实测沉降比数值模拟结果更大，是实际施工过程中存在各种施工机具扰动导致。两者变化趋势与拐点深度接近，可见数值模型结果具有较强的真实性和准确性。