魏 盼

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

0 引言

基坑開(kāi)挖會(huì)對(duì)其周圍建筑物產(chǎn)生一定的影響，對(duì)臨近基坑建筑物變形的控制是基坑工程施工中的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。高速鐵路列車運(yùn)行對(duì)變形要求很苛刻，為了確保高鐵安全運(yùn)營(yíng)，避免交叉工程施工帶來(lái)的不利影響，高速鐵路建設(shè)過(guò)程中會(huì)提前為其他工程預(yù)留施工措施[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)隧道、基坑施工對(duì)臨近高架橋的影響做了大量研究。一些學(xué)者結(jié)合實(shí)際工程案例對(duì)盾構(gòu)隧道下穿高架橋?qū)蚨兆冃渭皹驑妒芰ψ兓冗M(jìn)行了研究。另外一些學(xué)者對(duì)明挖基坑下穿高架橋進(jìn)行了相關(guān)研究，如陳福建等[3]介紹了無(wú)錫地鐵1號(hào)線金城路站基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)方案，分析了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出了下穿高架橋段基坑開(kāi)挖過(guò)程中樁體的變形、基坑周邊地表沉降、支撐軸力、臨時(shí)立柱及高架橋墩豎向位移的變化規(guī)律；趙雨軍[4]以南京某地鐵深基坑鄰近既有高架橋?yàn)楣こ瘫尘?通過(guò)建立深基坑與高架橋的三維空間模型,探究不同的支護(hù)參數(shù)和基坑開(kāi)挖順序?qū)︵徑呒軜蚨枕數(shù)奈灰谱兓?guī)律；Finno等[5]在考慮群樁效應(yīng)的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬方法對(duì)群樁在基坑開(kāi)挖時(shí)的響應(yīng)特性進(jìn)行了分析，并與現(xiàn)場(chǎng)采集的工程數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出土體變形有時(shí)會(huì)在基坑開(kāi)挖時(shí)超過(guò)預(yù)期值，而此時(shí)對(duì)群樁的承載力影響并不那么顯著；殷順浪等[6]以重慶地鐵環(huán)線渝魯車站至五里店車站區(qū)間臨近沖壓廠高架橋的明挖區(qū)間基坑工程為背景，利用有限元軟件建立三維有限元模型，通過(guò)模擬計(jì)算，得到了基坑開(kāi)挖對(duì)臨近高架橋墩臺(tái)的影響，并分析了基坑開(kāi)挖對(duì)橋墩和墩臺(tái)位移變化規(guī)律，根據(jù)分析結(jié)果提出了相應(yīng)的施工建議；張靜元等[7]依據(jù)某實(shí)際公路下穿高鐵高架橋工程，利用Midas-GTS有限元軟件模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程，分析在高鐵高架橋正常運(yùn)營(yíng)情況下，基坑開(kāi)挖不同深度對(duì)橋梁墩頂、樁基礎(chǔ)和周圍土體的影響，以確保鐵路橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。

但市政框構(gòu)橋下穿高鐵橋樁施工過(guò)程中，基坑工程施工對(duì)高鐵橋墩變形規(guī)律的研究幾乎沒(méi)有，本文以新機(jī)場(chǎng)高速公路地下綜合管廊下穿京滬高鐵框構(gòu)橋?yàn)橐劳泄こ蹋ㄟ^(guò)數(shù)值模擬方法分析基坑工程施工對(duì)高鐵橋墩變形及橋樁內(nèi)力的影響規(guī)律[8-15]。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)及水文條件

管廊框構(gòu)結(jié)構(gòu)主要位于②3層粉質(zhì)黏土、②0層粉細(xì)砂、②2層黏土及③0層粉土?？辈炱陂g地下20 m范圍內(nèi)未揭露地下水，場(chǎng)地土對(duì)混凝土具有微腐蝕性；對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性；場(chǎng)地土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性。

1.2 工程位置關(guān)系

新機(jī)場(chǎng)高速公路地下綜合管廊在京滬高鐵處采用2+1艙分別下穿高鐵高架橋，交叉角度90°,其斷面凈空分別為2.6 m,3.9 m及2 m?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)距離521#橋墩為7.43 m，距離522#橋墩為7.37 m,7.43 m，距離523#橋墩為7.37 m。工程位置關(guān)系圖如圖1，圖2所示。

1.3 框構(gòu)橋施工

京滬高鐵框構(gòu)橋采用頂進(jìn)方式在既有京滬高鐵橋墩之間穿過(guò)，長(zhǎng)40 m；兩框構(gòu)橋之間為機(jī)場(chǎng)管廊現(xiàn)澆段，長(zhǎng)度為96.796 m?？驑?gòu)橋與現(xiàn)澆段之間設(shè)置30 mm變形縫?；訃o(hù)樁分別采用φ800 mm@1 200 mm及φ1 250 mm@1 500 mm灌注樁，樁頂設(shè)置800 mm×800 mm冠梁；基坑內(nèi)支撐采用一道600 mm×800 mm鋼筋混凝土支撐，水平間距6.0 m左右。

框構(gòu)橋施工分為以下3個(gè)階段：1)施作京滬高鐵頂進(jìn)段基坑灌注樁、京滬高鐵地基加固處理、施作現(xiàn)澆段基坑圍護(hù)樁并進(jìn)行頂進(jìn)橋施工；2)在頂進(jìn)基坑內(nèi)施作現(xiàn)澆管廊、開(kāi)挖現(xiàn)澆段基坑并施作現(xiàn)澆段管廊；3)回填覆土、管廊工程收尾。

2 監(jiān)測(cè)方案及數(shù)據(jù)

2.1 測(cè)點(diǎn)布置及監(jiān)測(cè)

對(duì)北京新機(jī)場(chǎng)高速綜合管廊GLSO3標(biāo)段521#，522#，523#橋墩測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)工作，每個(gè)橋墩布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，共6個(gè)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

框構(gòu)橋施工前，安裝測(cè)點(diǎn)，并取得初始值；施工過(guò)程中，全天監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生較大變化時(shí)，增加監(jiān)測(cè)頻率；穿越施工結(jié)束后，繼續(xù)監(jiān)測(cè)，直到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定后停止監(jiān)測(cè)。

2.2 施工位移監(jiān)測(cè)及分析

橋墩變形監(jiān)測(cè)按照監(jiān)測(cè)方案執(zhí)行，對(duì)框構(gòu)橋穿越高鐵高架橋整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示。

由以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出：框構(gòu)橋施工過(guò)程中，橋墩豎向位移整體趨勢(shì)是先沉降，后隆起，最后趨于穩(wěn)定；橋墩水平位移變化值較豎向位移較小?？驑?gòu)橋下穿施工過(guò)程中，橋墩的最大豎向位移統(tǒng)計(jì)如表1所示。橋墩最大水平位移統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表1 橋墩豎向監(jiān)測(cè)位移最大值統(tǒng)計(jì)表 mm

表2 橋墩水平監(jiān)測(cè)位移最大值統(tǒng)計(jì)表 mm

3 數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算假定

本文采取Midas/GTS有限元軟件對(duì)框構(gòu)橋穿越高鐵高架橋施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。計(jì)算時(shí)假定土體為連續(xù)介質(zhì)，土體結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元模擬；在模型底部施加豎向固定位移約束，模型四周約束為各面的法向位移約束，地表為自由面；土體采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，其余結(jié)構(gòu)考慮在彈性范圍內(nèi)工作，采用線彈性本構(gòu)關(guān)系[15]。

3.2 計(jì)算模型及參數(shù)設(shè)置

建立新機(jī)場(chǎng)高速公路地下綜合管廊下穿京滬高鐵高架橋三維計(jì)算模型，模型以沿京滬高鐵方向?yàn)閄軸，與高鐵垂直方向?yàn)閅軸，豎直方向?yàn)閆軸，三維模型網(wǎng)格劃分效果圖如圖5所示。數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)如表3所示。

表3 土層物理參數(shù)

3.3 模擬工況

數(shù)值模擬工況的選取，主要模擬分析框構(gòu)橋施工對(duì)高架橋橋墩變形的影響，并與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。再分析框構(gòu)橋基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)與高速鐵路橋墩承臺(tái)的不同距離對(duì)橋墩變形的影響。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，支護(hù)結(jié)構(gòu)距離橋墩承臺(tái)的距離為7.37 m～7.43 m。根據(jù)TB 10182—2017公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程規(guī)定，下穿工程基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)與高速鐵路橋墩承臺(tái)距離不宜小于3 m,所以模擬方案以2.5 m為一個(gè)遞減單位，按照7.43 m，4.93 m，2.43 m 3種距離來(lái)設(shè)置模擬方案，即：

方案一：支護(hù)結(jié)構(gòu)與高速鐵路橋墩承臺(tái)距離7.43 m。

方案二：支護(hù)結(jié)構(gòu)與高速鐵路橋墩承臺(tái)距離4.93 m。

方案三：支護(hù)結(jié)構(gòu)與高速鐵路橋墩承臺(tái)距離2.43 m。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

分別針對(duì)以上3種模擬方案按照以下工序進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。工序1～工序9：初始狀態(tài)、圍護(hù)樁施工、地基加固處理、開(kāi)挖頂橋基坑、頂進(jìn)框構(gòu)橋施工、頂進(jìn)基坑內(nèi)施作現(xiàn)澆管廊、開(kāi)挖現(xiàn)澆段基坑、施作現(xiàn)澆段管廊、回填覆土?？驑?gòu)橋施工過(guò)程中橋墩豎向及水平變形如圖6，圖7所示。

由圖6可以看出：支護(hù)結(jié)構(gòu)距離高速鐵路橋墩承臺(tái)距離越小，橋墩豎向變形越大。方案一中最大豎向位移為-0.91 mm，方案二中最大位移為1.42 mm，方案三中橋墩豎向最大位移為-2.52 mm。綜上所述，當(dāng)距離小于3 m時(shí)，橋墩豎向變形大于規(guī)范TB 10182—2017公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程規(guī)定限值2 mm。

由圖7可以看出：支護(hù)結(jié)構(gòu)距離高速鐵路橋墩承臺(tái)距離越小，橋墩水平變形越大。方案三中最大水平位移為-0.88 mm，方案二中最大水平位移-1.67 mm，方案三中最大水平位移為-2.83 mm。綜上所述，當(dāng)距離小于3 m時(shí)，橋墩水平變形大于規(guī)范TB 10182—2017公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程規(guī)定限值2 mm。

橋墩豎向及水平最大位移統(tǒng)計(jì)如表4，表5所示，并與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

表4 橋墩最大豎向位移統(tǒng)計(jì)表 mm

表5 橋墩最大水平位移統(tǒng)計(jì)表 mm

對(duì)比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和方案一計(jì)算結(jié)果可以看出數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定誤差，尤其是基坑圍護(hù)樁施工時(shí)誤差較大。造成這種誤差的主要原因有：1)數(shù)值模擬計(jì)算工序無(wú)法完全與實(shí)際施工工序相吻合；2)數(shù)值模擬計(jì)算簡(jiǎn)化了施工過(guò)程中的某些施工工法。

在框構(gòu)橋施工期間，地層位移變形影響范圍內(nèi)的橋樁距離基坑越近，變形越大，如圖8所示為不同施工方案時(shí)521#橋樁水平位移?？梢钥闯?，距離基坑最近的樁基段，主要產(chǎn)生向基坑一側(cè)的水平正向位移。橋樁在埋深4.2 m～6.0 m范圍內(nèi)變形最大(注：該處基坑開(kāi)挖深度為5.7 m，樁頂埋深為4.2 m)，埋深6.0 m～15 m范圍內(nèi)，橋樁水平變形較為明顯，埋深大于15 m時(shí)，橋樁水平變形基本不受施工影響。

4 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)框構(gòu)橋穿越高鐵橋樁工程案例進(jìn)行有限元建模計(jì)算，并與施工期間取得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，本文得到如下結(jié)論：

1)分別對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)距離高速鐵路橋墩承臺(tái)距離7.43 m，4.93 m，2.43 m三種施工方案進(jìn)行數(shù)值模擬，分析鄰近基坑橋墩變形情況，結(jié)果表明，基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)與高速鐵路橋墩承臺(tái)距離不宜小于3 m。

2)分析框構(gòu)橋施工對(duì)橋樁水平變形的影響，得出施工對(duì)橋樁水平變形影響范圍為15 m，樁身埋深大于15 m時(shí)，其水平變形幾乎不受施工影響。

3)框構(gòu)橋穿越施工會(huì)造成高鐵橋樁產(chǎn)生豎向及水平位移。在采用合理的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和施工步序的條件下，施工引起的高鐵橋樁縱向及水平位移均可滿足變形控制指標(biāo)要求。

4)將框構(gòu)橋從一個(gè)大斷面化為兩個(gè)小斷面，從高鐵橋梁兩跨下穿越，可有效減小框構(gòu)橋穿越對(duì)高鐵橋樁產(chǎn)生的影響。

5)經(jīng)過(guò)有限元分析計(jì)算，并與施工期間取得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較，可以發(fā)現(xiàn)，框構(gòu)橋這樣相對(duì)較大斷面的結(jié)構(gòu)穿越高鐵橋樁產(chǎn)生的影響都可以滿足高鐵對(duì)橋樁位移的變形控制指標(biāo)要求，電力、燃?xì)?、供水等管線穿越高鐵橋樁工程，在保證與高鐵橋樁距離的條件下，不應(yīng)對(duì)高鐵橋樁的受力及位移產(chǎn)生較大的影響。

目前上述管線被要求采用定向鉆施工的形式穿越高鐵橋樁，是完全不必要的。這些工程將產(chǎn)生巨大的人力、物力浪費(fèi)，建議取消此類要求。