麻鳳海,韓曉菲,閆 盼

(大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 遼寧 大連 116622)

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，道路網(wǎng)的不斷完善及設(shè)計(jì)線路的限制，地面與地下建構(gòu)筑物往往在同一位置出現(xiàn)交叉、并行和重疊。作為城市交通不可或缺的一部分，地鐵車(chē)站時(shí)常會(huì)出現(xiàn)與高架橋相交互卻不能影響其正常運(yùn)營(yíng)的情況，故研究深基坑開(kāi)挖過(guò)程對(duì)緊鄰橋樁的影響有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近橋樁的不利影響主要體現(xiàn)兩個(gè)方面: 一方面大量的土體卸荷引起基坑周?chē)馏w發(fā)生豎向位移，對(duì)臨近樁基產(chǎn)生負(fù)摩阻力，引起樁的不均勻下沉；另一方面，土體的水平位移導(dǎo)致樁身產(chǎn)生附加彎矩、應(yīng)力和位移，導(dǎo)致橋樁彎矩增大，進(jìn)而增加了樁抗彎失效的潛在可能性，輕則發(fā)生細(xì)微的傾斜或裂縫，重則引起臨近樁基過(guò)量變形甚至破壞，造成建構(gòu)筑物倒塌[1-3]。

為了分析基坑開(kāi)挖對(duì)臨近樁基影響，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在理論研究和數(shù)值計(jì)算方面開(kāi)展了較多研究。如LEUNG等[4]從兩個(gè)方面開(kāi)展基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近單樁的影響，通過(guò)一系列離心機(jī)試驗(yàn)得到樁墻間距對(duì)單樁內(nèi)力分布的影響，利用離心機(jī)試驗(yàn)數(shù)值方法模擬單樁的變形過(guò)程；姜諳男等[5]采用數(shù)值模擬的方法研究地鐵開(kāi)挖施工對(duì)近接高架橋的影響，并采用正交設(shè)計(jì)法分析地表沉降、橋墩沉降、樁體傾斜、支撐軸力及橋墩傾斜的各影響因素，從而獲得敏感性排序；王洪德等[6]通過(guò)實(shí)際工程地質(zhì)條件構(gòu)建“樁基-土層-隧道”三維動(dòng)力有限元模型來(lái)研究樁基施工過(guò)程產(chǎn)生的沖擊載樁基施工過(guò)程產(chǎn)生的沖擊載荷對(duì)鄰近隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)變形、應(yīng)力破壞等不利影響對(duì)鄰近隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)變形、應(yīng)力破壞等不利影響；楊敏等[7-8]為了研究堆載和臨近樁基相互作用問(wèn)題，利用彈塑有限元法探討了主動(dòng)加固和被動(dòng)加固方法的加固機(jī)理和最優(yōu)加固范圍；朱虹牧等[9]利用數(shù)值模擬軟件和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合方法分析基坑開(kāi)挖對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，得出圍護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑開(kāi)挖過(guò)程中起到的阻止開(kāi)挖過(guò)程中土體變形的作用及窄基坑開(kāi)挖對(duì)地下連續(xù)墻水平位移有較大影響。然而由于各地的地質(zhì)條件不同、深基坑施工工況的復(fù)雜多變性及鄰近橋樁的各異性使得基坑變形規(guī)律很難得到解析解，導(dǎo)致研究成果無(wú)法形成統(tǒng)一的規(guī)律[10]。因此本文以大連市地鐵5號(hào)線的車(chē)站深基坑工程為依托，利用數(shù)值模擬和與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析的方法，對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中所造成的坑外橋樁產(chǎn)生附加位移進(jìn)行研究。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程地質(zhì)條件

在已有地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，采用鉆孔波速測(cè)試和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》判定，擬分析場(chǎng)地土的類(lèi)型為軟弱土-巖石，場(chǎng)地類(lèi)別為II類(lèi)，地段鉆探揭露地層可分3個(gè)工程地質(zhì)層，各地層分布詳細(xì)見(jiàn)物理見(jiàn)表1。

表1 巖土物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical indexes of rock and soil

1.2 工程概況

擬分析的地鐵車(chē)站為地下層島式車(chē)站，站臺(tái)寬度11.0 m，主體結(jié)構(gòu)采用雙柱三跨框架結(jié)構(gòu)，施工工法為明挖法，車(chē)站結(jié)構(gòu)外包全長(zhǎng)276.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.9 m，深25.8 m。主體基坑支護(hù)體系采用全套管咬合樁和內(nèi)支撐的支護(hù)體系，全套管咬合樁的規(guī)格為Φ1200@900，樁基混凝土取C35。

內(nèi)支撐采用五道支撐的形式，其中第一道支撐為混凝土支撐(局部第三道為混凝土支撐)，混凝土支撐截面尺寸均為1000 mm×1800 mm，混凝土標(biāo)號(hào)均為C30，其余為直徑609 mm、壁厚16 mm的鋼管撐；采用300 mm厚的混凝土板作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)每處轉(zhuǎn)角的角撐，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部采用截面尺寸1000 mm×1000 mm的混凝土梁作為冠梁。支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖見(jiàn)圖1。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖Fig. 1 Sectional view of supporting structure

緊鄰的輕軌橋樁位于基坑?xùn)|側(cè)，結(jié)構(gòu)為嵌巖樁，橋樁樁底標(biāo)高-17.4 m,樁徑為3.0 m，橋墩尺寸1.8 m×3.0 m。橋樁與主體結(jié)構(gòu)的距離為4.1 m，屬非常接近重要設(shè)施，相關(guān)專(zhuān)家定位為Ⅰ級(jí)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源，地鐵車(chē)站與輕軌橋樁的位置關(guān)系如圖2所示。為保障基坑施工時(shí)橋樁的穩(wěn)定性，在基坑緊鄰的橋樁周?chē)捎萌毓芨邏盒龂姌哆M(jìn)行加固，樁徑800.0 mm，間距600.0 mm，彈性模量為30.0 MPa，加固范圍自地面以下21.8 m處，加固范圍的平面圖見(jiàn)圖3。

圖2 地鐵車(chē)站與輕軌橋樁的位置關(guān)系Fig. 2 Position relationship between subway station and light rail bridge pile

圖3 輕軌橋樁旋噴的加固范圍Fig. 3 Reinforcement range of light rail bridge piles by jet grouting

2 實(shí)際工程數(shù)值模型分析

2.1 數(shù)值模型建立

1) 基本假定

為便于簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)模型進(jìn)行如下基本假定：a)基坑為窄長(zhǎng)型，將按二維平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行有限元模擬計(jì)算;b)同種材料各向同性且均質(zhì)；c)巖土體為理想彈塑性材料；d)本基坑開(kāi)挖前己進(jìn)行降水，故不考慮排水固結(jié)對(duì)基坑變形的影響。

2) 模型建立

根據(jù)地質(zhì)資料，按照實(shí)際工程場(chǎng)地的土層分布、周?chē)h(huán)境及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸，應(yīng)用有限元軟件Midas-GTS建立三維計(jì)算模型，模擬采用彈塑性變形理論和Mohr-Coulomb準(zhǔn)則?；炷林巍⒒炷料盗?、鋼支撐、鋼系梁、格構(gòu)柱和快軌橋樁等采用梁?jiǎn)卧M,巖土體及加固措施采用實(shí)體單元模擬，圍護(hù)樁等效采用板單元模擬。此計(jì)算模型X向長(zhǎng)度為450 m、Y向長(zhǎng)度為200 m、Z向長(zhǎng)度為80 m，范圍涵蓋主體基坑、輕軌橋樁地層應(yīng)力變化的主要范圍。根據(jù)模型大小，綜合考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精確度，共分單元數(shù)231 710個(gè)，節(jié)點(diǎn)151 981個(gè)。高架橋橋墩及上部結(jié)構(gòu)對(duì)樁基的作用以荷載形式等效，地面車(chē)輛等對(duì)地面的作用以地面超載等效，橋梁對(duì)樁基作用按集中力考慮，對(duì)于單根樁支座處集中力大小為18 000 kN。結(jié)構(gòu)部分的材料參數(shù)見(jiàn)表2，車(chē)站基坑三維模型見(jiàn)圖4(圖4分為車(chē)站基坑整體模型和基坑內(nèi)土體模型)，車(chē)站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖5。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)Tab. 2 Mechanical parameters of enclosure structure

a 車(chē)站基坑整體模型 a Overall model of station foundation pit

b 車(chē)站基坑內(nèi)土體模型 b Soil model in station foundation pit圖4 車(chē)站基坑三維模型Fig. 4 Three-dimensional model of station foundation pit

圖5 基坑內(nèi)部支護(hù)結(jié)構(gòu)Fig. 5 Finite element model of supporting structure

2.2 開(kāi)挖過(guò)程模擬

根據(jù)實(shí)際開(kāi)挖順序，模擬施工采用分步開(kāi)挖的方法進(jìn)行，基坑開(kāi)挖深度以支撐位置為分界，共分8步開(kāi)挖，詳情見(jiàn)表3。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

基坑開(kāi)挖過(guò)程中，坑內(nèi)土體卸載且坑外土體由于主動(dòng)土壓力的作用會(huì)產(chǎn)生向坑內(nèi)移動(dòng)的趨勢(shì)，引起基坑周?chē)馏w發(fā)生不規(guī)則位移。隨著工況的進(jìn)行，土體位移量逐漸加大，產(chǎn)生對(duì)臨近樁基的負(fù)摩阻力，使橋樁出現(xiàn)不均勻沉降甚至傾斜，橋樁樁身出現(xiàn)側(cè)移，且隨著工況的進(jìn)行側(cè)移量逐漸累積增加。尤其是在對(duì)于地鐵車(chē)站施工的深基坑工程中，對(duì)緊鄰的橋樁產(chǎn)生的影響較大，在此實(shí)際工程施工中為保護(hù)橋樁采取了三重管高壓旋噴的加固措施，在一定程度上減小了樁身的傾斜程度。此處選取橋樁出現(xiàn)水平位移及豎向位移最大的計(jì)算云圖進(jìn)行說(shuō)明，見(jiàn)表4。

表3 施工模擬步驟Tab. 3 Construction simulation steps

表4 位移云圖組合表Tab. 4 Displacement cloud chart combination table

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，輕軌橋樁的樁頂最大水平位移Tx=-3.80 mm，最大水平位移Ty=-3.80 mm，最大豎向位移Tz=-3.80 mm，由此可知：橋樁樁身的附加側(cè)移最大值約為4.66 mm。

2.4 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較

為了確保緊鄰輕軌橋樁的穩(wěn)定和正常運(yùn)營(yíng)，對(duì)地鐵車(chē)站基坑開(kāi)挖中對(duì)坑外的橋樁進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，充分掌握每個(gè)施工階段橋樁的附加位移變化，監(jiān)測(cè)頻率1 d/次。樁體水平位移設(shè)置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在數(shù)值分析的后處理結(jié)果文件中提取主要監(jiān)測(cè)(C03，C09,C12)的位移模擬值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì),結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 橋墩實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比分析圖Fig. 6 Comparison and analysis diagram of measured and simulated data of bridge pier

從圖6可以看出，對(duì)比分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及模擬結(jié)果，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值小于數(shù)值模擬值，考慮除部分對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，在計(jì)算中采用相對(duì)保守的計(jì)算方式造成的影響。其次，數(shù)值模擬并沒(méi)有考慮地下水滲流的強(qiáng)開(kāi)，而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中常有降雨天氣，一定程度加重基坑開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生對(duì)橋樁的附加應(yīng)力和位移。另一方面，有限元數(shù)值模型數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的大致走向基本相近，從而驗(yàn)證本次有限元軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)的可靠性。

3 不同影響因素下有限元模型分析

為進(jìn)一步了解深基坑開(kāi)挖對(duì)緊鄰橋梁樁基的影響，以上述分析的有限元模型為原始模型作為基礎(chǔ)，從數(shù)值分析的角度進(jìn)一步研究基坑和橋樁的距離、圍護(hù)墻剛度及加固措施等因素對(duì)橋樁產(chǎn)生的影響。

3.1 不同基坑和橋樁的距離影響分析

在基坑開(kāi)挖時(shí)，基坑和橋樁之間的土質(zhì)起到了開(kāi)挖產(chǎn)生土體卸載的能量轉(zhuǎn)移折損的作用。在土質(zhì)相同時(shí)，基坑和橋樁的間距大小對(duì)橋樁附加應(yīng)力的產(chǎn)生有一定的影響，選取間距為2.00 m、4.10 m、6.00 m、10.00 m和15.00 m的不同情況進(jìn)行計(jì)算分析，其中原始計(jì)算模型中的距橋樁距離為4.10 m，所得結(jié)果如圖7所示，樁身附加側(cè)移指的是臨近基坑開(kāi)挖的橋樁指向基坑一側(cè)的位移。

圖7 不同基坑和橋樁間距時(shí)樁身位移變化圖Fig. 7 Pile body displacement changes with different foundation pits and bridge pile spacing

由圖7可知，隨著基坑和橋樁的間距越大，樁身的附加位移顯著減小。當(dāng)間距為2.00 m時(shí)，樁身的附加水平位移最大，相較于間距為6.00 m時(shí)的位移量增加了3倍；當(dāng)間距取值10.00 m以上時(shí)，樁身的附加位移很小，對(duì)橋樁的影響可忽略不予考慮。由此說(shuō)明，基坑和橋樁的間距對(duì)橋樁的附加位移有顯著影響，應(yīng)盡量避免在距橋樁較近的地方避免進(jìn)行基坑開(kāi)挖。

3.2 不同圍護(hù)墻剛度影響分析

圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為抵抗基坑變形的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)自身的變形來(lái)消耗土體移動(dòng)等產(chǎn)生的能量，圍護(hù)墻剛度不同使得基坑開(kāi)挖引起的臨近土體的變形場(chǎng)和臨近構(gòu)筑物的附加應(yīng)力不同，圍護(hù)墻剛度越大，抵抗土體的變形量越大，對(duì)緊鄰的輕軌橋樁產(chǎn)生的位移越小，圖8為當(dāng)圍護(hù)墻彈性模量為0.25 Ew、1 Ew、2 Ew和4 Ew時(shí)緊鄰橋樁的樁身附加位移變化圖，其中Ew為原始模型的圍護(hù)墻彈性模量。

圖8 不同圍護(hù)墻剛度時(shí)樁身位移變化圖Fig. 8 Pile displacement change diagram with different retaining wall stiffness

由圖8可知，當(dāng)圍護(hù)墻剛度不同時(shí)，基坑開(kāi)挖對(duì)臨近樁身的影響各不相同，剛度越大引起的樁身水平位移越小。當(dāng)圍護(hù)墻彈性模量取值0.25 Ew時(shí)，樁身的位移達(dá)到最大；當(dāng)圍護(hù)墻彈性模量取值2 Ew以上時(shí)，橋樁的附加位移無(wú)明顯變化，幾乎可以不計(jì)。在實(shí)際工程中應(yīng)在保障基坑及橋樁穩(wěn)定的前提下，結(jié)合工程造價(jià)綜合考慮施工圍護(hù)墻剛度。

3.3 加固措施影響分析

在原模型基礎(chǔ)上，保持其余設(shè)計(jì)部分不變僅取消三重管高壓旋噴的加固措施，建立分析模型進(jìn)行樁身位移附加分析(見(jiàn)圖9)。

圖9 不同圍護(hù)墻剛度時(shí)樁身位移變化圖Fig. 9 Pile displacement change diagram with different retaining wall stiffness

由圖9可知，不采取加固措施樁身的最大位移為9.50 mm，采取加固措施時(shí)(原始模型)樁身的水平最大位移為4.66 mm，得出在加固措施下樁身的最大位移減小49.05%。根據(jù)《鐵路線路修理規(guī)則》和本市相關(guān)工程近接城市鐵路橋梁控制經(jīng)驗(yàn)可知，橋梁樁身位移應(yīng)控制在6 mm以內(nèi)，故采用三重管高壓旋噴樁加固措施，橋梁樁身位移變形數(shù)值下降并滿足相關(guān)規(guī)范對(duì)橋梁變形控制的要求。因此三重管高壓旋噴樁的加固措施明顯減弱了基坑開(kāi)挖時(shí)造成的坑外土體卸載能量轉(zhuǎn)移，有效減小橋樁的位移變化。

4 結(jié)論

針對(duì)既有的輕軌橋樁緊鄰地鐵車(chē)站深基坑施工項(xiàng)目，利用有限元數(shù)值模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較分析，研究在不同基坑和橋樁距離、不同圍護(hù)墻剛度和采取加固措施等情況下臨近樁基附加位移的變化規(guī)律，使得橋墩的水平位移控制在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，保證輕軌橋樁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，得出主要結(jié)論與建議如下：

(1)基坑與橋樁的間距對(duì)緊鄰的橋樁樁基產(chǎn)生的附加位移有很大的影響；間距越大，對(duì)橋樁的影響越大，樁基產(chǎn)生的附加位移越大。當(dāng)基坑與橋樁的間距取值接近于基坑開(kāi)挖深度時(shí)，樁基所受影響可以忽略不計(jì)。

(2)圍護(hù)墻剛度不同，使得基坑開(kāi)挖引起的臨近橋樁變形程度不一樣，剛度越大，抵抗土體的變形量越大，對(duì)緊鄰的輕軌橋樁產(chǎn)生的位移越小，反之亦然。

(3)在緊鄰橋樁進(jìn)行基坑開(kāi)挖時(shí)，采取合適的加固措施可以較大程度地保護(hù)橋樁穩(wěn)定性，尤其是深基坑工程中橋樁與基坑距離較近時(shí)。采取三重管高壓旋噴樁加固措施時(shí)樁身最大位移為4.66 mm，不進(jìn)行加固時(shí)數(shù)值計(jì)算的樁身最大位移為9.47 mm，兩者相比較減小49.05%，且將最大側(cè)移量控制在城市鐵路橋梁規(guī)范要求以內(nèi)，可見(jiàn)三重管高壓旋噴樁的加固措施對(duì)控制橋梁樁基變形起到重要作用。

(4)以實(shí)際工程為研究背景，利用有限元數(shù)值模型計(jì)算分析，整理后期實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)，將兩者數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證模型結(jié)構(gòu)的有效性，以期為類(lèi)似工程提供參考。