李新章

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070）

1 工程概況

擬建項(xiàng)目位于某市道路交叉口，沿主干道呈南北方向布置于路中，分布于高架橋樁兩側(cè)，為分離島式車站。車站施工范圍內(nèi)共 8 組橋樁，車站結(jié)構(gòu)總平面圖如圖 1 所示。車站共分東西 2 個(gè)主體，主體結(jié)構(gòu)間設(shè)置 6 個(gè)聯(lián)絡(luò)通道。東西側(cè)主體結(jié)構(gòu)形式均為 2 層單跨鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度 15.3 m，西側(cè)主體寬度為 12.6 m，東側(cè)主體寬度為 11.95 m，東西側(cè)主體距離高架橋樁最小凈距為 5 m。既有橋樁下部結(jié)構(gòu)為柱式橋墩+四樁承臺+樁基，橋墩尺寸為 1.7 m×1.7 m，凈距3.1 m；承臺尺寸為 7.5 m×6.6 m×2.5 m，埋深約0.85 m；樁直徑為 1.5 m，長 36～39 m。

考慮高架橋樁對位移的敏感性，擬建車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+頂板逆作兼作第 1 道支撐 +2 道鋼支撐。鉆孔樁直徑 1.2 m，間距 1.4 m，樁底嵌入基坑底 5 m；頂板逆作兼第 2 道支撐，頂板厚 1 m，其中西側(cè)主體上方道路因參與交通調(diào)流，頂板覆土需進(jìn)行回填，荷載較大，基坑內(nèi)設(shè)置臨時(shí)φ800 mm 鋼管立柱，壁厚 20 mm；端頭井及中間通道處第 2、第 3 道支撐采用混凝土支撐，截面寬 0.9 m，高 1 m，其余部分支撐均采用φ609 mm 鋼支撐，支撐壁厚 16 mm（圖 2）。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 模型尺寸選取

為避免選取的模型尺寸對計(jì)算結(jié)果有較大的影響，根據(jù)基坑的開挖深度、周邊建筑物的布置，將基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)外邊線距離模型邊界取為基坑深度的 3～5 倍，基坑影響深度取為基坑深度的 2 倍，以達(dá)到消除邊界效應(yīng)影響的目的。按開挖深度 20 m 考慮，計(jì)算區(qū)域?yàn)?317 m×160 m×45.4 m（圖 3）。

圖1 車站與橋樁基、橋柱位置關(guān)系總平面

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與高架橋樁的相對位置（單位：mm）

圖3 模型尺寸圖（單位：m）

2.2 本構(gòu)模型及參數(shù)分析

MIDAS GTS 軟件中的修正摩爾-庫倫（修正 M-C）是在摩爾-庫倫（M-C）基礎(chǔ)上改進(jìn)的本構(gòu)模型，剪切屈服面與 M-C 本構(gòu)屈服面相同，壓縮屈服面為橢圓形的帽子本構(gòu)。同時(shí)，修正 M-C 本構(gòu)偏平面采用了圓角處理，消除 M-C 本構(gòu)六邊形偏平面在計(jì)算頂點(diǎn)的塑應(yīng)變方向過程中的不穩(wěn)定因素，改善計(jì)算的收斂性（圖 4）。

圖4 修正 M-C 本構(gòu)在p-q平面屈服準(zhǔn)則圖

修正 M-C 可用于模擬具有冪率關(guān)系的非線性彈性模型和彈塑性模型的組合模型，使用土層較 M-C 更廣，特別是砂土或混凝土等具有摩擦特性的材料。修正M-C 模型的屈服是剪切屈服和壓縮屈服之間互相沒有影響的雙重硬化模型，在偏平面中可以用三軸受壓強(qiáng)度差異R1（θ）和三軸受拉強(qiáng)度差異R2（θ）表示為 M-C 型方程：

式（1）～（6）中，f1為剪切屈服函數(shù)；f2為壓縮屈服函數(shù)；p為平均主應(yīng)力；q為廣義剪應(yīng)力；pc為先期固結(jié)壓力；σ1、σ2、σ3分別為第 1、第2、第 3 主應(yīng)力；α、β1、β2分別為修正系數(shù)；θ為洛德角；n為冪指數(shù)。

模型計(jì)算時(shí)，假定車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形與同位置土體變形相協(xié)調(diào)。車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)同土體相比剛度極大，實(shí)際情況下車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形應(yīng)小于土體結(jié)構(gòu)變形，在小變形的情況下可認(rèn)為兩者近似相等。

根據(jù)巖土勘察報(bào)告，車站范圍內(nèi)地層依次為雜填土、黃土、粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化泥灰?guī)r、強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r，巖石上部土層厚度約 16.5 m。

2.3 單元選取及構(gòu)件簡化

本文模型為三維有限元模型，為了方便模型的建立，圍護(hù)樁構(gòu)件需做一定簡化，將圓形圍護(hù)樁采用式（7）進(jìn)行抗彎剛度等效，采用二維板單元進(jìn)行模擬：

式（7）中，D為圍護(hù)樁直徑；s為圍護(hù)樁間距；b為等效板單元截面寬度；h為等效板單元截面厚度。

經(jīng)計(jì)算，取h= 0.75 m。高架橋樁采用內(nèi)嵌式樁單元，頂板及擋土墻等采用二維板單元，其他支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用一維單元，詳細(xì)參數(shù)見表 1，網(wǎng)格劃分如圖 5 所示。

2.4 施工步序及數(shù)值計(jì)算步驟

該車站分布于高架橋樁兩側(cè)且斷面較大，為了盡可能降低車站整體施工對環(huán)境的影響，決定采用蓋挖順作法。為了簡化計(jì)算，在數(shù)值模擬過程中主要模擬以下11種施工步序，各施工步序如表 2 所示。為了研究基坑開挖對橋樁的影響，高架橋放在初始應(yīng)力分析里面，然后位移清零。

表1 模型構(gòu)件簡化及參數(shù)

圖5 模型網(wǎng)格

表2 數(shù)值模擬步序

3 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù) GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，基坑變形控制等級為Ⅰ級，地面最大沉降量需≤0.15%H（H為基坑開挖深度），支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移≤0.20%H，且≤30 mm。擬建項(xiàng)目基坑最大開挖深度約 22 m，故沉降值≤33 mm，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移 30 mm。

根據(jù) GB 50911-2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》、GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范規(guī)定，并參考類似工程鄰近橋梁、建構(gòu)筑物的經(jīng)驗(yàn)，確定基坑鄰近高架橋樁的變形標(biāo)準(zhǔn)如表 3 所示。

表3 橋梁變形控制標(biāo)準(zhǔn) mm

4 模擬結(jié)果分析

由于整體開挖模型較大且工況較多，本文選取關(guān)鍵點(diǎn)及關(guān)鍵斷面處施工最后一步的值進(jìn)行以下幾個(gè)方面的分析，關(guān)鍵點(diǎn)布置如圖 6 所示。

圖6 關(guān)鍵點(diǎn)平面布置圖

4.1 地表沉降分析

圖7、圖 8 分別給出了地層沉降位移云圖和斷面1處基坑周邊地層沉降曲線。從圖 7、圖 8 中可以看出，開挖完成后圍護(hù)樁頂部土層最大沉降值為 9.29 mm，最大地面隆起值為 1.46 mm，小于建議值控制值 33 mm，滿足要求。對比圖 8a、圖 8b 與圖 8c 可知，基坑開挖引起的地面沉降在距離基坑 10 m 以內(nèi)時(shí)會產(chǎn)生較大沉降，距離 20 m 以上時(shí)影響較小，驗(yàn)證了文獻(xiàn)[1]的結(jié)論；同時(shí)，可發(fā)現(xiàn)中間橋樁處土層最大沉降為 8.5 mm 并呈現(xiàn)V 字形，遠(yuǎn)大于基坑兩側(cè)土層沉降。這是由于橋梁在自身沉降時(shí)給予了土層較大的附加荷載，且兩側(cè)圍護(hù)樁同時(shí)彎曲變形，而中間土層較窄沒有能力形成較為圓緩的沉降曲線，最終造成中間土層，尤其是橋樁處形成 V 字形下陷。

圖7 地層沉降位移云圖（單位：m）

圖8 斷面 1 處基坑周邊地層沉降曲線

4.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形分析

圖9 給出了支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移云圖。從圖 9 中可看出，車站支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為 8.27 mm，小于建議控制值 30 mm，滿足要求?？紤]車站對稱因素，選取圖 6 中關(guān)鍵點(diǎn) 1、2、C、D 進(jìn)行分析，圖 10 給出了 1、2、C、D 這 4 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的水平位移曲線。從圖 10 中可看出，位于車站中部的 C 點(diǎn)及D點(diǎn)位移明顯大于車站端部的 1 點(diǎn)及 2 點(diǎn)位移，分析其原因是由于東西兩側(cè)基坑尺寸較大引起。同時(shí)，可發(fā)現(xiàn)圍護(hù)樁頂部整體向內(nèi)部偏移，出現(xiàn)一定的偏壓現(xiàn)象，分析原因是由于內(nèi)部圍護(hù)樁剛度較小且中間核心土層較窄，不能提供有效的壓縮空間。由此可看出，車站在進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意內(nèi)外剛度的協(xié)調(diào)。

4.3 鄰近橋樁變形影響分析

圖11 給出了高架橋整體位移云圖。從圖 11b 整體位移云圖可以看出，橋樁整體偏向西側(cè)，分析原因是由于西側(cè)先期施工對西側(cè)土體有擾動(dòng)，造成了橋樁的初始位移；同時(shí)，可發(fā)現(xiàn)在車站兩端雙層聯(lián)絡(luò)通道處也發(fā)生較大位移，分析原因是由于車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生了偏壓，土體在向基坑方向運(yùn)動(dòng)時(shí)順帶橋樁樁基也發(fā)生了移動(dòng)。

圖9 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移云圖（單位：m）

表4 給出了高架橋 42 號～49 號橋墩墩頂位移最大值。從表 4 中可以看出，42 號～49 號橋墩墩頂位移橫橋向（Y方向）不滿足要求，且順橋向變形值也接近限值，這對處于正常運(yùn)行的高架橋是不利的。

為研究單個(gè)橋樁及橋墩在開挖各工況中的變化情況，本文選取中間 46 號橋墩進(jìn)行分析。圖 12 給出了 46號橋墩墩頂位移圖。從圖 12 中可發(fā)現(xiàn)，墩頂順橋方向（X方向）基本不發(fā)生變化，這是因?yàn)轫槝蚍较驘o大尺寸基坑且連續(xù)梁順橋方向剛度較大；橫橋向（Y方向）位移在開挖過程中呈現(xiàn)先線性增長后下降的趨勢，且曲線較為圓緩，這說明橫橋向位移在開挖過程中并無突變，但主要位移集中在前期工況；橋樁沉降（Z方向）在步序 2 處呈現(xiàn)一個(gè)突變后緩慢增長，這說明施工圍護(hù)樁會對周邊土體產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，故建議施工圍護(hù)樁前需對樁周土體一定范圍內(nèi)進(jìn)行有次序的土體加固，加固斷面見圖 13。

5 結(jié)論與建議

（1）基坑開挖引起的地面沉降在距離基坑 10 m 以內(nèi)時(shí)會產(chǎn)生較大沉降，距離 20 m 以上時(shí)影響較小。

圖10 支護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)水平位移曲線

圖11 高架橋整體位移云圖（單位：m）

（2）中間核心土層較窄，且橋梁上部結(jié)構(gòu)自重較大，當(dāng)施工引起樁周土層擾動(dòng)時(shí)，會造成橋樁摩阻力減小，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生 V 字形沉降，影響基坑穩(wěn)定性及交通安全。

表4 高架橋橋墩墩頂位移 mm

圖12 46 號橋墩墩頂位移曲線

圖13 橋樁加固圖

（3）內(nèi)外圍護(hù)樁剛度不協(xié)調(diào)，基坑出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象。建議設(shè)計(jì)階段適當(dāng)加大內(nèi)側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度或?qū)吨芡吝M(jìn)行加固，減小基坑偏壓可能性。

（4）現(xiàn)有方案下橋樁橫橋向位移不能滿足規(guī)范要求，設(shè)計(jì)施工時(shí)需進(jìn)行橋梁樁周土體加固。本文僅給出一種橋樁加固方案，具體加固方案還需進(jìn)一步優(yōu)化。

（5）從開挖步序?qū)拥挠绊懛治鰜砜?，沉降與橫橋向側(cè)移多發(fā)生在開挖步序 2，這是由于大規(guī)模施工大斷面圍護(hù)結(jié)構(gòu)對土體進(jìn)行了擾動(dòng)。建議施工圍護(hù)樁前對樁周土體進(jìn)行加固，以增大土體剛度。

（6）現(xiàn)車站未進(jìn)入施工圖階段，無法與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，模型中也未考慮基坑降水引起的滲流和固結(jié)對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和高架橋橋樁變形的影響，還有待進(jìn)一步的研究。