季凡凡，李亞明

（中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津市 300202）

0 引言

敷設(shè)排水管道是解決城市建成區(qū)道路積水的重要措施，形成排水管道系統(tǒng)，能極大地增強(qiáng)城市排水能力。然而，城市建成區(qū)中既有運(yùn)營的軌道交通結(jié)構(gòu)較多，城市人口越來越密集，為緩解交通壓力，要在現(xiàn)有軌道交通基礎(chǔ)上修建新的軌道交通結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致排水管道不得不在軌道交通結(jié)構(gòu)附近實(shí)施切改及復(fù)位。

目前國內(nèi)大量的研究工作側(cè)重于深大基坑開挖對鄰近周邊環(huán)境的影響，一般距離范圍都在軌道交通特別保護(hù)區(qū)之外[1-6]，而關(guān)于超近距離（軌道交通特別保護(hù)區(qū)以內(nèi)，以下簡稱為“超近距離”）地鐵的基坑施工對鄰近地鐵影響的研究較少[7]。李琳等人[1]重點(diǎn)研究了多支撐基坑開挖對鄰近樁基位移、剪力和彎矩的影響。李龍劍等人[2]采用彈塑性有限元方法模擬無支撐基坑開挖對鄰近高架基礎(chǔ)的影響，并分析了不同加固方案對控制橋梁樁基變形的作用；苗笛[3]應(yīng)用數(shù)值模擬軟件A B A Q U S 計(jì)算得到了因基坑開挖導(dǎo)致的橋梁承臺樁基礎(chǔ)的水平位移和豎向位移；王升[4]以北京市區(qū)高鐵橋梁附近的調(diào)蓄池基坑施工為研究背景，探討了深基坑施工對鐵路運(yùn)營造成的影響；曹依雯[5]等人以上海某工程為例，通過對工程的數(shù)值模擬分析，研究大口徑排水管道溝槽基坑開挖對既有軌道交通隧道結(jié)構(gòu)影響；馬寧[6]通過三維有限元模擬和二維有限元模擬進(jìn)行對比，對類似工程的數(shù)值模擬進(jìn)行計(jì)算方法的指導(dǎo)；張子新[7]等人依托上海某基坑工程，采用精細(xì)化的三維數(shù)值分析、室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)測等方法，對近距離開挖卸荷引起的高架橋墩響應(yīng)進(jìn)行研究。本文研究超近距離地鐵的基坑施工對既有地鐵高架橋基礎(chǔ)變形的影響，一方面可以補(bǔ)充超近距離地鐵基坑對鄰近高架的影響研究的成果，另一方面可以為以后相似工程提供指導(dǎo)和參考。

結(jié)合天津市地鐵1 號線某高架橋特別保護(hù)區(qū)內(nèi)的管道溝槽基坑工程實(shí)測，利用Plaxis3D 有限元分析軟件建立橋樁基礎(chǔ)及管道溝槽基坑的三維數(shù)值模型，分析基坑開挖對高架橋基礎(chǔ)的影響，并對高架橋特別保護(hù)區(qū)內(nèi)的管道溝槽基坑施工提出建議。

1 工程案例

1.1 工程概況

天津市某市政管道基坑工程北側(cè)為已建地鐵車站，南側(cè)為運(yùn)營地鐵高架橋梁，如圖1 所示，溝槽基坑北側(cè)距離現(xiàn)狀已建10 號線地鐵站體最近約2.3 m，距離南側(cè)1 號線運(yùn)營高架結(jié)構(gòu)最近1 m?；娱_挖深度約為3.8～4.3 m，頂部放坡1 m，一側(cè)采用Q 295bz-400 mm×170 mm 拉森鋼板樁支護(hù)，樁長6 m，另一側(cè)利用已建地鐵的地連墻，坑底采用攪拌樁加固2.5 m，基坑呈長條形，寬度為2.5～3.7 m，長度為180 m。

圖1 溝槽基坑平面布置示意圖

1.2 場地工程地質(zhì)條件

工程場地較為平整，土層分布相對穩(wěn)定，基于巖土工程勘察結(jié)果，得到該基坑工程范圍內(nèi)的土層分布及巖性特征，沿深度方向自上而下典型土層的主要物理力學(xué)參數(shù)見表1?；由疃确秶鷥?nèi)主要為雜填土、粉質(zhì)黏土等，各土層按正常固結(jié)土處理，不考慮超固結(jié)性。

表1 典型土層物理力學(xué)參數(shù)

1.3 基坑與運(yùn)營高架橋之間的位置關(guān)系

基坑支護(hù)樁與高架橋樁基之間的最小距離約2.1 m，距離承臺最小距離約1.3 m，位于地鐵特保護(hù)區(qū)內(nèi)，圖2 所示為10 號承臺處基坑與高架橋梁之間的位置關(guān)系。既有地鐵運(yùn)營高架區(qū)間樁基采用直徑為1 m的鉆孔灌注樁，承臺埋深約2.8 m，承臺高1.8 m，樁基長度約50 m。

圖2 溝槽基坑與1 號線運(yùn)營區(qū)間的相對位置關(guān)系圖（單位：mm）

1.4 工程實(shí)測結(jié)果

JG S13 為距離基坑支護(hù)樁最近處的10 號橋墩監(jiān)測點(diǎn)，JG S11 為8 號橋墩監(jiān)測點(diǎn)，ZQ S16 為10 號橋墩附近的樁頂位移監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3 和圖4所示。該段基坑開挖從4 月1 日開始，至4 月9 日施工結(jié)束。4 月1 日監(jiān)測數(shù)據(jù)為在建地鐵車站對橋墩變形影響的實(shí)測值，作為基坑工程初始變形數(shù)據(jù)。從圖3可以看出，橋墩在整個(gè)溝槽基坑的施工過程中，變形不超過0.6 mm，整體變形較小。

圖3 不同時(shí)間8、10 號橋墩的水平位移累計(jì)變化值（單位：mm）

圖4 不同日期10 號橋墩附近樁頂水平位移累計(jì)變化值（單位：mm）

2 三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 有限元數(shù)值模型尺寸及邊界條件

根據(jù)基坑工程實(shí)際，選取10 號橋墩附近的基坑工況進(jìn)行模擬，采用Plaxis3D 有限元軟件建立如圖5所示的有限元模型，X 方向取310 m，Y 方向取200 m，Z 方向（厚度方向）取50 m，以確保分析結(jié)果不受邊界約束的影響，基坑深4.3 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)后方土體長30 m。整體三維模型采用混合單元組成，即同時(shí)具有四面體單元和六面體單元，可以很好的保障單元質(zhì)量，以確保模型計(jì)算的收斂。模型底部的約束條件為水平、豎直方向都固定；模型兩側(cè)約束條件為水平方向固定，豎直方向自由；地表面自由。

圖5 有限元數(shù)值模型圖

2.2 模型計(jì)算參數(shù)

土體材料模型選擇以莫爾–庫侖屈服準(zhǔn)則為破壞標(biāo)準(zhǔn)的小應(yīng)變土體硬化模型（HSS），排水類型為不排水（A），模型范圍內(nèi)共9 層土?；又ёo(hù)樁用板單元模擬，樁土接觸采用interface 單元；運(yùn)營橋梁樁基采用em bedded 樁，承臺及橋墩采用實(shí)體單元模擬；車站結(jié)構(gòu)地連墻、頂板、中板、底板均采用板單元模擬，結(jié)構(gòu)柱采用梁單元模擬。土體材料參數(shù)詳見表2。

表2 土體基本參數(shù)表

2.3 施工過程模擬

首先對土體模型進(jìn)行初始平衡計(jì)算，由于初始土體表面平整，在PLAXIS 軟件中，采用K0計(jì)算過程進(jìn)行平衡即可。初始應(yīng)力平衡結(jié)束后，激活位移邊界條件、樁基承臺橋墩及地連墻、車站板及工程樁作為初始條件，然后激活溝槽基坑支護(hù)樁及支撐，進(jìn)行最后分步開挖基坑計(jì)算。

具體計(jì)算步驟如下：

第一步，K0過程平衡計(jì)算；

第二步，激活位移邊界條件、樁基、承臺、橋墩及橋墩上荷載；

第三步，激活地連墻、車站板及工程樁、柱；

第四步，激活坑底攪拌樁加固、第一次放坡開挖，同時(shí)降水至坡底；

第五步，激活基坑鋼板樁及樁土界面單元；

第六步，開挖第一層土并激活鋼支撐；

第七步，降水至地面以下4.3 m處，第二次開挖至坑底。

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

3.1 有限元計(jì)算結(jié)果

位于溝槽開挖右側(cè)1 m距離處的軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)是該次數(shù)值模擬分析中的重點(diǎn)、難點(diǎn)。根據(jù)數(shù)值模擬得到：基坑開挖至4.3 m后，基坑支護(hù)鋼板樁的變形及1 號線既有運(yùn)營地鐵橋梁的橋墩變形云圖分別如圖6、7 所示，據(jù)圖6 可以分析得到，鋼板樁頂最大水平位移為7.43 mm，向坑內(nèi)發(fā)生變形，根據(jù)圖7可以得到，8 號橋墩最大水平位移為0.72 mm，向坑內(nèi)發(fā)生變形。

圖6 基坑支護(hù)樁開挖變形云圖

圖7 橋墩變形云圖

3.2 數(shù)值模擬與工程實(shí)測對比

樁頂最大水平位移為7.43 mm，與監(jiān)測結(jié)果7.15 mm 接近，誤差在5% 以內(nèi)；同時(shí)，8 號橋墩最大水平位移為0.72 mm，與監(jiān)測結(jié)果0.7 mm 較接近，誤差在5% 以內(nèi)，驗(yàn)證結(jié)果良好，說明對該工程的假定和選取的數(shù)值模擬計(jì)算條件、計(jì)算方法可靠。

4 結(jié)語

本文中以天津市某超近既有地鐵高架橋的市政管道基坑工程為例，通過有限元軟件Plaxis 3D 建立基坑開挖的三維有限元模型，分析研究了基坑開挖對既有地鐵橋梁區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響。綜合上述研究內(nèi)容，所得初步結(jié)論有以下幾個(gè)方面：

（1）數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值吻合較好，驗(yàn)證了有限元軟件Plaxis 3D 可有效模擬基坑開挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)施作的施工過程，內(nèi)置的小應(yīng)變土體硬化模型（HSS）能夠較好地反應(yīng)基坑開挖過程對周邊既有橋梁結(jié)構(gòu)的影響；

（2）該市政管道基坑距離地鐵高架橋最近處約1 m，同時(shí)，該工程地質(zhì)情況較差，通過水泥土攪拌樁加固的措施，有效控制了基坑開挖引起的變形，監(jiān)測表明，橋墩向坑內(nèi)方向變形最大在0.7 mm 左右，變形較小，滿足安全控制要求，既有橋梁可以保證正常運(yùn)營。