甄亞彬

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

0 引言

隨著國家高速鐵路的飛速發(fā)展，城市地鐵、綜合管廊等地下基礎設施在建設過程中勢必在某個位置會鄰近已建的高鐵橋墩，為最大程度減小地下基礎設施施工對已建高鐵橋墩的影響，其施工工藝多采用對周邊環(huán)境影響甚微的頂管、盾構等非開挖工藝。

在管廊明挖施工時，不同的基坑支護型式會對周邊土體產生不同程度的擾動，土體的擾動可能會對已建高鐵墩柱帶來安全隱患。因此，為確保管廊基坑施工對鄰近高鐵墩柱的影響在規(guī)范允許范圍內，管廊基坑的支護結構的設計尤為重要。

本文以某鄰近已建高鐵橋墩的管廊基坑為研究對象，首先利用傳統(tǒng)計算軟件對其支護結構進行設計，隨后采用MIDAS-GTS 有限元軟件評估該支護結構的可行性，同時也為后續(xù)基坑及高鐵橋墩的實時監(jiān)測和預警提供了數(shù)值依據(jù)。

1 工程概況

本工程綜合管廊結構外輪廓尺寸為8.55×5.7 m，覆土厚度為2.6 m，管廊基坑開挖深度為8.4 m，結構斷面見圖1。

管廊在已建高鐵42 號和43 號橋墩之間通過，管廊結構邊線距42 號橋墩的距離為13.29 m，距橋墩承臺的距離為9.58～10.46 m，管廊基坑影響范圍內的41 號至44 號橋墩的基礎設計參數(shù)見表1。

圖1 綜合管廊斷面圖（單位：mm）

表1 橋墩基礎設計參數(shù)表

2 圍護結構設計

本段基坑在施工過程中需保護對象為高鐵橋墩，橋墩的基礎型式為樁基礎，樁基頂部承臺的平面尺寸為15.4 m×18.6 m，承臺底埋置深度為5.0 m。管廊基坑為溝槽型基坑，溝槽基底寬度10.55 m，開挖深度8.4 m。

根據(jù)溝槽型基坑的特點，挖土機械及土方運輸車輛可均在溝槽內進行，其它如吊車、泵車等工程機械也可僅安置在溝槽的單側，因此高鐵橋墩一側的地面超載可僅考慮巡檢荷載，根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012），高鐵橋墩側考慮2 kPa 的巡檢荷載。

根據(jù)高鐵橋墩的基礎形式及其對土體變形程度的要求，該區(qū)段高鐵墩柱側圍護結構設計為單排懸臂灌注樁型式，另一側則進行放坡開挖。

首先1∶1 放坡至-3.00 高程并預留3 m 寬平臺，坡面噴射C20 素混凝土100 mm 厚，內掛8@200×200 鋼筋網(wǎng)片，坡面上同時打設兩排48×3.5（mm）鋼管土釘并對橋墩承臺側土體進行注漿加固，土釘長度為3 m，縱向間距為1.5 m，梅花形布置。樁基規(guī)格為600@800 鉆孔灌注樁，樁長為11 m，插入坑底深度為5.6 m，樁頂設置800×800 鋼筋混凝土圍檁。該支護結構型式可滿足《建筑基坑支護技術規(guī)程》（JGJ 120—2012）相關要求，計算結果見表2 及圖2～圖4。

圖2 單排懸臂樁支護剖面

3 數(shù)值模擬分析

采用MIDAS-GTS 有限元軟件對支護結構、綜合管廊、高鐵橋墩進行整體建模計算，以評估支護結構的可行性，同時也為后續(xù)基坑及高鐵橋墩的實時監(jiān)測和預警提供數(shù)值依據(jù)。

圖3 內力位移包絡圖

圖4 地表沉降圖

3.1 技術標準

根據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規(guī)程》（TB 10182—2017）規(guī)定，受下穿影響的高速鐵路橋梁墩臺頂位移理論分析及現(xiàn)場實測值應滿足表3 要求。

表3 橋墩頂位移控制標準

3.2 力學參數(shù)

根據(jù)地勘報告可知，該區(qū)段土層自上而下以此為黃土、圓礫和玄武巖，各土層的力學參數(shù)及土層厚度見表4。

表4 土層力學指標

3.3 模型的建立

順鐵路橋方向定義為X 軸，順管廊方向定義為Y 軸，數(shù)值方向定義為Z 軸。為消除邊界條件對計算結果的影響，模型X 方向取200 m，Y 方向取100 m，土層總深度取80 m。

土體模型的邊界條件均為設置為位移邊界，除模型的上表面邊界為自由外，其余各面僅約束相應方向的位移。

土體、橋墩、承臺采用六節(jié)點四面體單元，管廊結構采用面板單元，支護樁采用梁單元，支護樁與土的接觸面采用軟件自帶的界面單元。

高鐵橋墩側的地面超載取為2 kPa，橋墩對側地面超載取為20 kPa，橋墩頂部荷載按橋梁設計荷載查取并換算成均布荷載施加于橋墩頂部。有限元總體模型見圖5、圖6。

圖5 有限元總體模型圖一

圖6 有限元總體模型圖二

3.4 施工步驟定義

根據(jù)構筑物建設的先后順序來定義施工步驟如下。

第一步：施加土層自重并計算初始地應力；

第二步：激活橋墩、承臺、樁基及墩頂荷載；

第三步：將上一步計算位移結果清零并激活支護樁和地面超載；

第四步：管廊基坑開挖至基底；

第五步：管廊墊層施工；

第六步：管廊主體結構施工；

第七步：基坑回填。

3.5 結果輸出

在單排懸臂灌注樁圍護體系下，伴隨著基坑開挖，支護結構的變形逐漸增大，當基坑開挖至基底時，支護結構變形值達到最大并趨于穩(wěn)定，由此可知基坑開挖至基底階段是整個施工過程中對高鐵橋墩影響最大的階段，因此本文僅輸出基坑開挖至基底階段的各項計算結果。

由計算結果可知，受土方開挖卸載的影響，管廊基坑周邊土體出現(xiàn)了不同程度的隆起，鄰近的42 號墩柱正好處于土體隆起范圍的邊緣，基坑底部最大隆起量的最大值為6.45 mm，42 號墩柱附近土體的最大隆起量為1.5 mm，見圖7。

圖7 開挖至坑底階段土體豎向變形云圖

由計算結果可知，圍護樁區(qū)段內土體的最大位移為1 mm，圍護樁兩側自然放坡區(qū)段的最大位移為1.57 mm，見圖8。

圖8 開挖至坑底階段土體沿橋梁方向變形云圖

由計算結果可知，由于土方開挖卸載引起的土體隆起，導致鄰近管廊基坑的橋墩樁基出現(xiàn)了上浮的跡象，42 號橋墩樁基最大上浮位移為0.864 mm，墩頂?shù)淖畲笊细∥灰茷?.565 mm，滿足TB 10182—2017 中相關要求，見圖9、圖10 及表5。

圖9 開挖至坑底階段橋墩豎向變形云圖

圖10 開挖至坑底階段各橋墩豎向位移曲線

表5 開挖至坑底階段橋墩墩頂豎向位移

由計算結果可知，受42 號墩柱鄰近管廊基坑樁基上浮的影響，42 號橋墩墩頂?shù)淖畲笪灰茷?1.906 mm，滿足TB 10182—2017 中相關要求，見圖11、圖2 及表6。

由計算結果可知，42 號橋墩墩頂沿管廊方向的最大位移為0.052 mm，滿足TB 10182—2017 中相關要求，見圖13、圖14 及表7。

圖11 開挖至坑底階段橋墩沿橋梁方向變形云圖

圖12 開挖至坑底階段各橋墩沿橋梁方向位移曲線

表6 開挖至坑底階段橋墩墩頂沿橋梁方向位移

4 結 語

（1）在現(xiàn)有條件下，鄰近高鐵橋墩采用單排懸臂灌注樁進行基坑支護是可行的，基坑支護方案能保證高速鐵路的運行安全。

（2）施工時，應嚴格控制高鐵橋墩側的坑邊荷載不大于2 kPa，避免超載引起的過大變形或基坑失穩(wěn)影響高速鐵路的運行安全。

圖13 開挖至坑底階段橋墩沿管廊方向變形云圖

圖14 開挖至坑底階段各橋墩沿管廊方向位移曲線

表7 開挖至坑底階段橋墩墩頂沿橋梁方向位移

（3）施工時，應委托具有鐵路監(jiān)測資質的第三方機構對高鐵橋墩及基坑的變形進行監(jiān)測，當橋墩及基坑變形超過報警值時應采取必要的應急措施。

（4）建議本區(qū)段管廊施工時，先行施工42 號橋墩區(qū)段的管廊，待該區(qū)段管廊施工完畢后在分別向兩側對稱施工，以充分利用空間效應，最大程度的減小對橋墩的不利影響。