王余鵬，韓 偉

(福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程系，福建 南平 353000)

1 工程概況

廈門地鐵蔡塘站位于呂嶺路與云頂中路路口，沿呂嶺路跨云頂中路敷設(shè)，總長204.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度21.7 m，基坑深度16.91～18.90 m.車站位于BRT高架橋1#、2#橋墩正下方，垂直高架橋方向設(shè)置.本段BRT線路以高架橋的形式跨越所經(jīng)地鐵線路[2]，車站設(shè)置于BRT高架橋兩橋墩中間，若基坑開挖導(dǎo)致BRT高架橋變形將嚴(yán)重影響B(tài)RT快速公交的運(yùn)營，產(chǎn)生無法估量的損失.BRT高架橋?yàn)榭玳L55 m的連續(xù)梁，環(huán)境設(shè)施分類為鄰近重要設(shè)施，屬Ⅱ級(jí)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn).

2 模型建立及計(jì)算分析

2.1 基坑施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

本文建立了針對(duì)蔡塘站明挖施工對(duì)BRT高架橋影響的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程，如圖1所示.

2.2 影響橋梁變形的因素

1) 地鐵車站施工深度.在地鐵車站開挖前，基坑與防護(hù)結(jié)構(gòu)的受力基本相同，但在開挖施工過程中，地鐵車站內(nèi)外壓力平衡被打破.同時(shí)，這種不平衡壓差隨深度的增加而增大，隨著基坑開挖的不平衡壓力移動(dòng)，導(dǎo)致周圍土體形成大量塑性區(qū)，進(jìn)而使橋梁沉降變形.

圖1 蔡塘站對(duì)BRT評(píng)估控制流程

2) 車站與橋梁間距.在土質(zhì)均質(zhì)相似情況下，車站與橋梁間距越遠(yuǎn)，開挖施工的能量折減效應(yīng)越多；車站與橋梁間隔越近，對(duì)樁的極限承載力和強(qiáng)度影響增大.

3) 橋梁整體剛度.所謂橋梁剛度，主要為橋梁在受到地層塑性變形產(chǎn)生的力后抵擋變形的能力.當(dāng)?shù)罔F基坑施工引起周圍土體位移后，抵抗變形主要取決于橋梁的自身剛度，橋梁剛度越大就越難變形.

2.3 模型建立方法

蔡塘站的基坑為矩形基坑，站為地下2層島式車站，雙柱3跨閉合框架結(jié)構(gòu).圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用D1 000 mm@1 200 mm的鉆孔灌注樁(嵌固深度7 m)，樁間設(shè)三重管旋噴止水帷幕.地鐵車站的施工加固結(jié)構(gòu)為裝配3道橫向支撐，最頂部支撐為間隔9 m的鋼混結(jié)構(gòu)，第2與第3道支撐體系為間隔3 m的?600鋼管，并在中間設(shè)置臨時(shí)立柱(如圖2所示).綜合考慮地鐵開挖對(duì)周邊影響范圍，基坑建模的寬度及其開挖深度取標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度的2～3倍，為此模型總長度為100 m，寬度為60 m，深度為50 m[3].

圖2 BRT橋墩與地鐵車站位置(單位：mm)

根據(jù)場地土層的地質(zhì)勘察報(bào)告，基坑的標(biāo)準(zhǔn)斷面施工深度16.4 m，地下水位于2.3～2.7 m處，地鐵車站的框架結(jié)構(gòu)底板主要位于(11-2)殘積砂質(zhì)性土、(17-1)全風(fēng)化花崗巖地層，直接涉及到的土層主要有(1-2)素填土、(10-1)粉質(zhì)黏土、(11-1)殘積砂質(zhì)黏性土、(17-1)全風(fēng)化花崗巖、(17-2)散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖.通過對(duì)地質(zhì)勘察報(bào)告中的土層進(jìn)行簡化與合并，最終模型設(shè)置5個(gè)土層，具體物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示.

中美貿(mào)易戰(zhàn)持續(xù)升級(jí)，6月特朗普先是宣布對(duì)500億美元中國進(jìn)口商品加征高額關(guān)稅，中國采取了對(duì)等的關(guān)稅舉措予以回應(yīng)。7月美國再次發(fā)表聲明，擬對(duì)價(jià)值2 000億美元中國商品加征10%關(guān)稅，8月特朗普又準(zhǔn)備將2 000億美元商品加征關(guān)稅稅率從10%上調(diào)至25%，使得中美貿(mào)易爭端加劇。這次清單涉及范圍較廣，美國政府會(huì)加征部分木坐具如沙發(fā)、床墊、臥室及廚房用的木制家具、辦公室木質(zhì)及金屬家具等家具產(chǎn)品的關(guān)稅。

表1 巖土物理力學(xué)指標(biāo)

在Midas-GTS模型中，采用實(shí)體單元對(duì)土體、橋梁進(jìn)行建模，其中基坑支護(hù)采用Beam單元，便于施加支撐預(yù)加軸力、調(diào)整支撐位置[4].對(duì)蔡塘站模型的開挖深度、BRT橋梁樁基的特征進(jìn)行了分析.三維Midas-GTS模型假設(shè)條件如下：

1) 蔡塘站的橫向鋼管加固載體材料是各向同性材料；

2) 在基坑開挖階段周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)為線彈性單元，并不考慮基坑地下水影響；

3) 三維模型中的地質(zhì)參數(shù)為設(shè)計(jì)勘察報(bào)告的物理特性，同時(shí)基坑施工圍護(hù)墻體與各土體不會(huì)相對(duì)滑移；

4) 基坑開挖階段的施工步不考慮時(shí)間效應(yīng).

2.4 連續(xù)介質(zhì)計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果

針對(duì)蔡塘站明挖施工卸荷引起B(yǎng)RT橋樁的影響，用巖土分析軟件按實(shí)際的施工工序進(jìn)行分析.土體采用摩爾-庫倫模型，采用板單元模擬車站各結(jié)構(gòu)構(gòu)件，板單元尺寸的確定原則是抗彎剛度和抗壓剛度等效換算.Midas-GTS是利用變分原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)和土體的協(xié)同作用模擬，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰近建筑物的位移、內(nèi)力等數(shù)值分析.

本文采用以胡-鷺(Hu-Washizu)變分原理的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系虛功原理來模擬場地土體的特性[5]，根據(jù)《地質(zhì)勘查報(bào)告》及廈門地區(qū)相關(guān)地層參數(shù)經(jīng)驗(yàn)確定模型計(jì)算參數(shù)，模型及計(jì)算結(jié)果如圖3～6所示.

圖3 連續(xù)介質(zhì)模型

圖4 蔡塘站施工至坑底塑性變形云圖(單位：m)

圖5 開挖至坑底時(shí)的BRT橋樁水平位移云圖(單位：m)

圖6 開挖至坑底時(shí)的BRT橋樁豎向位移云圖(單位：m)

根據(jù)三維模型計(jì)算結(jié)果[6]，蔡塘站施工基坑的“鉆孔灌注樁+樁間設(shè)三重管旋噴止水帷幕”圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大彎矩為572 kN·m，最大剪力為330 kN，水平方向最大位移為8.8 mm，豎直方向最大沉降為14.5 mm.基坑開挖引起的BRT橋墩豎向位移為7.91 mm，在安全的范圍之內(nèi).

3 監(jiān)控量測

3.1 監(jiān)測方案

在施工過程中，由于地鐵深基坑開挖對(duì)周圍產(chǎn)生塑性變形，使得周圍地層應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，蔡塘站施工加固結(jié)構(gòu)體系也隨之產(chǎn)生橫向變形，鄰近周邊環(huán)境也會(huì)有潛在的影響.如果變形超出了控制范圍，會(huì)使得結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)破壞，影響施工的安全和周圍建筑的安全使用[7].為了保證蔡塘站施工過程基坑的安全和高架橋的正常使用，在蔡塘車站施工場地周圍布設(shè)的監(jiān)測點(diǎn)尤為必要.地鐵車站在高架橋底穿過，經(jīng)過測量可知基坑最外緣與橋梁樁基最近的距離不到10 m.為避免因?yàn)榛訃o(hù)結(jié)構(gòu)變形較大，導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)較大傾斜甚至出現(xiàn)倒塌等工程事故[8],所以需要在基坑開挖過程中對(duì)橋梁樁基、橋墩等高架橋重要承重構(gòu)件進(jìn)行全過程的變形監(jiān)測，其主要包含樁基水平方向的變形、周邊環(huán)境地表發(fā)生的沉降、地下水位出現(xiàn)的下降或者升高、混凝土支撐及鋼支撐出現(xiàn)軸力的變化.

監(jiān)測項(xiàng)目按《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》并考慮設(shè)計(jì)圖紙必測項(xiàng)目控制表執(zhí)行，控制在80%為報(bào)警值，如表2所示.

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

蔡塘站基坑地表監(jiān)控對(duì)比曲線如圖7所示.通過結(jié)果對(duì)比得到如下結(jié)論[9]：

表2 監(jiān)測項(xiàng)目控制值

1) 在地鐵基坑施工中，地表塑性變形的實(shí)測結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果有一定差異，但總體趨勢(shì)基本一致，基坑周邊土體塑性變形總體呈現(xiàn)“兩邊塑性變形小，中心塑性變形大”的凹形分布.

2) 實(shí)測值比三維模擬的數(shù)值大一些，主要是因?yàn)椋喝S模擬數(shù)值是相對(duì)理想化的受力分析成果，但施工現(xiàn)場的現(xiàn)實(shí)監(jiān)控?cái)?shù)值是受自然氣候條件、構(gòu)造物環(huán)境及機(jī)械、人為等外圍因素的影響，進(jìn)而造成數(shù)值存在一定偏差.

3) 地表塑性變形的最大值位置并不是在蔡塘站開挖邊緣位置，而是距離邊緣圍護(hù)結(jié)構(gòu)13～15 m左右，地表沉降最大值約為15.8 mm，小于16 mm的報(bào)警值，處于安全范圍內(nèi).

圖7 蔡塘站基坑地表監(jiān)控對(duì)比曲線

由于蔡塘站明挖土層的沉降，從而影響高架橋的穩(wěn)定性.分別提取橋梁沉降監(jiān)測最大數(shù)據(jù)與模擬最大沉降值進(jìn)行對(duì)比，如表3所示.橋梁監(jiān)測點(diǎn)布置如圖8所示.

由表3和圖8可知：隨著蔡塘站施工深度的加大，BRT高架橋橋墩的沉降變形也隨之增進(jìn)，同時(shí)模擬數(shù)值比實(shí)測值要大一些，因?yàn)閷?shí)測點(diǎn)設(shè)在橋梁外漏地表位置的承臺(tái)或者橋墩，而模擬數(shù)值取自埋入地下的樁基礎(chǔ)位置.Midas-GTS的模擬計(jì)算最大值為7.42～11.21 mm(其中，距離蔡塘站地鐵基坑最近的橋1-2監(jiān)測點(diǎn)沉降值為11.21 mm，距離蔡塘站地鐵基坑最遠(yuǎn)的橋2-2監(jiān)測點(diǎn)沉降量為7.42 mm)，實(shí)際監(jiān)測結(jié)果最大值為7.91 mm.兩者皆小于橋梁的報(bào)警值16 mm，說明橋墩處于安全范圍內(nèi).

表3 BRT橋梁沉降實(shí)測值和模擬值對(duì)比

圖8 橋梁監(jiān)測點(diǎn)布置

4 結(jié)論

1) 應(yīng)用Midas-GTS巖土軟件對(duì)廈門市地鐵2號(hào)線蔡塘站明挖施工全過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并且與實(shí)際的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，兩者變形規(guī)律總體分布情況基本保持一致，并得出基坑周圍土體沉降總體呈現(xiàn)出“兩邊沉降小，中間沉降大”的凹形分布趨勢(shì).同時(shí)模擬值較監(jiān)測值小，是因?yàn)樵谀M基坑開挖過程對(duì)很多難以模擬的情況進(jìn)行相應(yīng)理想化造成的不完全吻合.

2) 隨著地鐵車站施工深度的增加，引起的周圍環(huán)境的塑性變形影響范圍也逐漸疊加，從數(shù)值模擬結(jié)果得出，BRT高架橋樁身內(nèi)力變化是受車站基坑施工深度及鄰近基坑距離等因素影響，最大地表沉降的位置大體位于2～3倍的施工深度處.

3) 模擬數(shù)據(jù)表明BRT高架橋樁身內(nèi)力變化是結(jié)合著樁體水平位移共同變化的，主要表現(xiàn)為開挖面位置的側(cè)橋樁表面受壓位置，隨著車站施工深度的増加，高架橋的樁基彎矩最大值也逐漸下移.

4) 對(duì)比橋墩沉降的監(jiān)測值與模擬值，基坑施工對(duì)樁基的變形和應(yīng)力產(chǎn)生很大影響，但橋梁的沉降值小于報(bào)警值16 mm，說明采用“鉆孔灌注樁+旋噴止水帷幕+橫向支撐”的圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能夠有效控制BRT高架橋變形.