萬(wàn) 利 郭 開(kāi) 魏 均 李 維

(1.湖北工程學(xué)院，湖北 孝感 432000； 2.武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430000； 3.中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430000)

在管線預(yù)埋、基坑施工過(guò)程中，周圍建筑物不可避免地受管道施工的影響[1]。基坑開(kāi)挖對(duì)周圍土體的應(yīng)力分布和變形可能造成較大的影響，進(jìn)而改變周圍結(jié)構(gòu)受力狀況或使其產(chǎn)生變形，最終影響結(jié)構(gòu)的正常使用甚至安全性能[2]。此時(shí)，基坑開(kāi)挖位置及加固措施顯得尤為重要。若其開(kāi)挖地點(diǎn)離臨近建筑物過(guò)于接近，可能影響基坑坍塌或附近結(jié)構(gòu)變形過(guò)大，影響其正常使用。然而考慮經(jīng)濟(jì)及地形地質(zhì)特征等因素，并非基坑離臨近建筑物越遠(yuǎn)越好。因此，合理地選擇開(kāi)挖地點(diǎn)十分重要。

本文結(jié)合某污水管道工程，采用數(shù)值模擬的方法研究管道基坑設(shè)計(jì)方案調(diào)整前后對(duì)臨近既有匝道橋梁的影響。

1 模型的建立

施工現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖1，采用有限元軟件MIDAS[3]模擬施工場(chǎng)地的環(huán)境及建筑物。巖土體和橋梁、樁、承臺(tái)均采用三維實(shí)體單元，鋼板樁采用殼單元，鋼支撐采用梁?jiǎn)卧?。模型x方向的寬度均為120 m，y方向的寬度均為120 m，z方向高約70 m。

原設(shè)計(jì)方案，基坑中線距離橋梁中線約12.0 m，深度為4.5 m，采用一道拉森鋼板樁和D426×9@3 500的鋼支撐進(jìn)行支護(hù)，共272 266個(gè)單元，298 426個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。在調(diào)整后的設(shè)計(jì)方案，基坑中線距離橋梁中線約22.0 m，采用兩道拉森鋼板樁和D426×9@3 500的鋼支撐進(jìn)行支護(hù)。x方向?yàn)樗矫嫔洗怪庇谙锏垒S線方向，y方向?yàn)橄锏垒S線方向，z方向?yàn)樯疃确较颉?/p>

2 模型的求解

計(jì)算采用的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1[4,5]。

表1 地層及結(jié)構(gòu)材料基本物理力學(xué)參數(shù)

1)移除支撐梁、拉森鋼板樁單元，進(jìn)行初始應(yīng)力平衡計(jì)算；

2)移除管道基坑內(nèi)開(kāi)挖土體單元，激活基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的單元，原體系的受力平衡被打破，使土體與結(jié)構(gòu)應(yīng)力重新分布。

方案調(diào)整后的模型除以上步驟外，最后對(duì)基坑進(jìn)行換撐，激活坑底部0.5 m厚的素混凝土單元，移除第二道撐，土體與結(jié)構(gòu)的應(yīng)力再次重新分布。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 基坑周圍土體變形情況分析

原設(shè)計(jì)方案模型土體位移見(jiàn)圖3。結(jié)合數(shù)據(jù)分析可知，基坑開(kāi)挖后，基坑底部土體向上隆起約36.2 mm，而基坑兩側(cè)的土體則略有下沉的趨勢(shì)，最大的下沉位移約為3.3 mm。水平方向最大位移出現(xiàn)在靠近基坑底部偏上的地方，最大位移約為 15.6 mm。在橋墩附近的土體由于橋墩的阻礙作用，水平方向與豎直方向的位移受到一定影響而變小。

設(shè)計(jì)方案調(diào)整后，模型的土體變形趨勢(shì)與原模型基本相同?；娱_(kāi)挖后，基坑底部土體向上隆起約35.5 mm，而基坑兩側(cè)的土體最大的下沉位移約為1.5 mm。由于該調(diào)整后的設(shè)計(jì)方案的水平鋼支撐有兩道，水平方向最大位移明顯變小，僅有 10.3 mm，而且最大值出現(xiàn)的地方更靠近基坑底部。由于該模型的基坑距離橋梁較遠(yuǎn)，橋墩附近的土體變形亦明顯減小。模型土體z向位移見(jiàn)圖4。然而換撐過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)基坑的兩側(cè)土體略有下沉，最大的下沉值約為1.6 mm。由于回填混凝土的重力作用，基坑底部略有下沉，原來(lái)第二道支撐處的土體向基坑中部變形，最大水平位移約為6.6 mm。在換撐完成之后，最大水平位移為10.7 mm，坑底隆起34.5 mm，其z方向的土體位移如圖5所示。

3.2 基坑施工對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況的影響

原方案支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移受到橋墩及其樁基的影響，對(duì)應(yīng)于橋墩處的鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形明顯小于其他位置。而修改后的方案由于增設(shè)兩道鋼支撐，在開(kāi)挖后，鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形小于原方案。修改設(shè)計(jì)方案前后基坑開(kāi)挖和換撐后的土體的總位移模擬結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖6中可以看出在換撐后原來(lái)第二道支撐處向基坑內(nèi)變形約6.3 mm，原來(lái)第二道撐所受到的軸力向第一道撐和底板混凝土轉(zhuǎn)移。

3.3 基坑施工對(duì)橋梁基礎(chǔ)穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

圖7a)與圖7b)分別為原設(shè)計(jì)方案與方案調(diào)整后的計(jì)算得到的在基坑開(kāi)挖后的橋梁及其樁基的位移，圖7c)為在換撐后橋梁及其樁基的位移。模型1承臺(tái)處的位移約為1.32 mm，而橋面的位移約為1.52 mm，其方向均指向基坑，在15 m深以下的樁的變形基本可以忽略。當(dāng)基坑距離橋梁較遠(yuǎn)且有兩道鋼支撐支護(hù)時(shí)，橋梁和樁基的最大位移僅僅0.43 mm，換撐后最大的位移也僅有0.5 mm。

原設(shè)計(jì)方案與調(diào)整方案的鋼板樁與橋梁的位移見(jiàn)表2。由模擬結(jié)果可知，采用這兩個(gè)方案進(jìn)行基坑施工后的橋梁及其基礎(chǔ)的變形均可以滿足相關(guān)規(guī)定，但是調(diào)整方案對(duì)橋梁的影響更小。

表2 鋼板樁與橋梁的變形

4 結(jié)論及展望

通過(guò)對(duì)三環(huán)線污水管道基坑開(kāi)挖時(shí)土體、橋梁、支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和受力進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析施工過(guò)程中橋梁的穩(wěn)定性，結(jié)果表明：采用這兩個(gè)方案進(jìn)行基坑施工后的橋梁及其基礎(chǔ)的變形均可以滿足相關(guān)規(guī)定，但是調(diào)整后的設(shè)計(jì)方案對(duì)橋梁的影響更小。目前該污水管道已建成，正在對(duì)其進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，后續(xù)將繼續(xù)跟進(jìn)研究現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果的吻合程度，用以證實(shí)模擬的有效性。