畢成雙，王欣杰

（1. 上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092； 2. 上海軌道交通十四號線發(fā)展有限公司，上海 200030）

1 研究背景

軌道交通在城市的飛速發(fā)展與城市建筑對地下空間的極大需求，導(dǎo)致鄰近高架橋的深基坑工程不斷出現(xiàn)[1-2]。深基坑開挖會對周圍土體產(chǎn)生擾動，造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生水平位移，鄰近高架橋也產(chǎn)生變形，影響高架橋的穩(wěn)定性，對行車產(chǎn)生安全隱患[3]?，F(xiàn)利用數(shù)值模擬軟件MIDAS GTSNX 320，建立模擬基坑開挖全過程的三維模型，根據(jù)模擬結(jié)果分析深基坑開挖對鄰近橋樁的影響，提出控制基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和鄰近橋樁變形的有效工程措施，再結(jié)合深基坑現(xiàn)場的信息化監(jiān)測數(shù)據(jù)，指導(dǎo)工程施工，為類似工程提供參考。

2 工程概況

歇浦路站為地下3層雙柱三跨島式車站，車站采用明挖順作法施工，主體基坑長208.5 m，寬25.7 m，開挖深度為22.43 m，基坑底位于⑤1灰色粘土層，圍護(hù)墻底位于⑦2粉砂層。車站主體橫穿楊浦大橋引橋，橋下凈空約34 m，引橋上部結(jié)構(gòu)為立柱、預(yù)應(yīng)力簡支T梁，跨徑45 m，下部結(jié)構(gòu)橋墩采用雙柱式蓋梁的結(jié)構(gòu)形式，基礎(chǔ)采用8根鉆孔灌注樁(D=1.0 m)承臺基礎(chǔ)，樁長約43 m。主體基坑距引橋北側(cè)承臺最近約為4.7 m，距南側(cè)承臺最近約3.9 m，歇浦路站與楊浦大橋平面位置關(guān)系見圖1。

圖1 歇浦路站與楊浦大橋平面位置關(guān)系 Figure 1 Layout of station and viaduct base slab

3 數(shù)值模擬

3.1 模型尺寸選取

考慮模型的邊界效應(yīng)，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊線到模型邊界的距離宜為3～5倍的基坑開挖深度，基坑的影響深度宜為基坑開挖深度的2倍，以滿足基坑開挖所引起影響范圍的要求[4]。因此，結(jié)合基坑開挖深度和周邊建(構(gòu))筑物布置，計(jì)算模型尺寸選取為330 m(平行線路方向)×200 m(垂直車站方向)×80 m(深度方向)，計(jì)算模型見圖2。

圖2 三維數(shù)值計(jì)算模型 Figure 2 Three-dimensional analysis model

3.2 數(shù)值模型建立

土體選用實(shí)體單元模擬，采用修正摩爾—庫倫模型，修正摩爾—庫倫模型由非線彈性模型與彈塑性模型組合而成，可以同時(shí)考慮剪切硬化和壓縮硬化[5]，通過割線剛度(E50)、初始剛度(Eoed)和卸載模量(Eur) 3個(gè)主要參數(shù)來表示土體在不同階段的剛度，能夠較好地模擬加卸載過程中土體的剛度差異，使模擬開挖過程更加符合實(shí)際施工情況，其中E50=Eoed≈1.5Es，Eur= 5E50[6]，主要參數(shù)見表1。其他參數(shù)根據(jù)《MIDAS GTSNX軟件手冊》和上海地標(biāo)《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(DG/TJ08-61-2018)來取值。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo) Table 1 Mechanical parameters of soils

高架橋、圍護(hù)結(jié)構(gòu)相對周圍土體的強(qiáng)度和剛度均很大，一般不出現(xiàn)塑性變形，因此模擬時(shí)采用彈性本構(gòu)模型[8]，主要參數(shù)見表2。

表2 主要結(jié)構(gòu)參數(shù) Table 2 Main structural parameters

模型土體上表面為自由邊界，底部采用垂直約束，各側(cè)邊采用水平向約束。地下連續(xù)墻采用板單元，橋樁采用樁單元模擬，砼支撐采用梁單元，帶有伺服系統(tǒng)的鋼支撐，由于考慮伺服軸力的穩(wěn)定，采用施加集中力的方式來模擬[9]，各道支撐的設(shè)計(jì)軸力及預(yù)加軸力見表3?？拥准庸掏镣ㄟ^修改土體單元參數(shù)來模擬，加固土的水泥摻量為20%，水灰比為1.2，通過現(xiàn)場試驗(yàn)測得加固土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu≈1.0 MPa。

表3 支撐軸力 Table 3 Support axial force

3.3 模擬基坑的開挖工序

車站主體基坑長208.5 m，根據(jù)交通疏解和工期的需求，基坑可一次開挖或分次開挖，因此對兩種開挖方案進(jìn)行比選。主體基坑分次開挖方案見圖3，開挖順序?yàn)橄仁┕ぼ囌緰|、西兩部分基坑，再施工車站中部基坑，數(shù)值計(jì)算結(jié)果見圖4～6。

圖3 基坑分次開挖平面 Figure 3 Plan for parting and dividing the excavation

圖4 地連墻水平位移云圖 Figure 4 Horizontal displacement nephogram of the enclosure wal

圖5 承臺豎向位移云圖 Figure 5 Vertical deformation of the base slab

計(jì)算結(jié)果表明：一次開挖地連墻的最大水平位移為23 mm，承臺的豎向位移為5.3 mm，承臺的水平位移為4.2 mm；分次開挖地連墻的最大水平位移約18.7 mm，承臺的累計(jì)豎向位移為4.6 mm，承臺的累計(jì)水平位移為3.9 mm?；臃执伍_挖地連墻和承臺的變形小于一次開挖，說明分次開挖可利用時(shí)空效應(yīng)減少基坑和承臺的變形。

3.4 模擬基坑的支撐布置

支撐豎向間距和剛度的調(diào)整對控制基坑變形的效果較為明顯，筆者對中坑豎向設(shè)置6道支撐和7道支撐兩種方案進(jìn)行比選。6道支撐方案：第1、4道為砼支撐，其余為鋼支撐；7道支撐方案：第1、3、5道為砼支撐，其余為鋼支撐。6道支撐方案的計(jì)算結(jié)果見圖7，7道支撐方案的計(jì)算結(jié)果見圖6(b)。

圖6 承臺水平位移云圖 Figure 6 Horizontal deformation of the base slab

圖7 承臺水平位移云圖 Figure 7 Horizontal deformation of the base slab

計(jì)算結(jié)果表明：6道支撐方案的承臺水平位移為4.8 mm，7道支撐方案的承臺水平位移3.9 mm。減小支撐豎向間距和增加支撐剛度可有效控制基坑變形，減小對高架橋的變形影響。

3.5 模擬基坑的土體加固

基坑常用的土體加固方法有水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁和注漿加固。中坑采用三軸水泥土攪拌樁對坑底土體進(jìn)行加固，加固形式為裙邊寬8 m+抽條寬5 m、間距5 m，加固范圍從第三道砼支撐底至坑底以下3 m?？拥撞患庸谭桨傅挠?jì)算結(jié)果見圖8，坑底加固方案的計(jì)算結(jié)果見圖6(b)。

圖8 承臺水平位移云圖 Figure 8 Horizontal deformation of the base slab

計(jì)算結(jié)果表明：坑底土體不加固的承臺水平位移為4.5 mm，坑底土體進(jìn)行三軸攪拌樁加固后的承臺水平位移為3.9 mm。對坑底土體進(jìn)行加固，改善了被動區(qū)土體的強(qiáng)度和變形特性，增大了被動區(qū)抗力來抑制基坑變形，達(dá)到減少高架橋變形的效果。

4 變形控制措施

4.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)措施

根據(jù)上述不同保護(hù)措施的分析結(jié)果，基于在保障鄰近高架橋安全的前提下，確定了中坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，見圖9。中坑采用1 m厚銑接頭地連墻，墻長55 m，基坑豎向設(shè)7道支撐，其中第1、3、5道為砼支撐，其余為帶有伺服系統(tǒng)的鋼支撐，第3道砼支撐底至坑底以下3 m采用三軸攪拌樁裙邊+抽條加固。

圖9 中坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面圖 Figure 9 Cross section of the middle excavation

4.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)措施

本工程因承壓水含水層⑦層與⑨層連通，圍護(hù)結(jié)構(gòu)無法隔斷承壓水，基坑內(nèi)進(jìn)行減壓降水勢必引起周邊地面和楊浦大橋承臺的沉降變形。為減少對楊浦大橋的變形影響，對中坑地連墻墻底以上4 m土體進(jìn)行封底加固，相當(dāng)于人工加設(shè)4 m厚的隔水層，切斷了⑦層承壓水與外界的水力聯(lián)系，如圖9所示。

考慮封底加固深度在地面以下51～55 m，且成樁質(zhì)量和止水效果要求都很高，因而選用一種新型大直徑超高壓噴射攪拌成樁(N-Jet工法)技術(shù)。中坑的封底加固選用樁徑2.4 m，按1.4 m×1.4 m梅花型布置，共設(shè)置702根，見圖10。

圖10 中坑N-Jet樁位平面布置 Figure 10 Plan for N-Jet pile in middle excavation

5 變形控制標(biāo)準(zhǔn)及效果

5.1 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)基坑外土體位移的傳遞規(guī)律和土體破裂面對數(shù)螺旋形位移模式[10]，結(jié)合基坑施工對周圍土體擾動和周邊環(huán)境影響的程度，將基坑工程的影響區(qū)劃分為主要影響區(qū)和次要影響區(qū)，如圖11所示。

圖11 基坑工程影響分區(qū) Figure 11 Influence of partition of excavation

從圖11中可知：高架橋位于基坑的主要影響區(qū)，根據(jù)《城市軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》(DG/TJ08-109-2017)、《城市橋梁、隧道安全保護(hù)區(qū)域技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(2010)和楊浦大橋管理部門的要求，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和高架橋承臺的變形控制標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 變形控制標(biāo)準(zhǔn) Table 4 Deformation control criteria

5.2 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

為及時(shí)掌握基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)、高架橋的變形情況，對地連墻深層水平位移和高架橋承臺豎向位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，其中承臺的四個(gè)角部均設(shè)有1個(gè)測點(diǎn)。主體基坑開挖完成后圍護(hù)結(jié)構(gòu)和高架橋的變形監(jiān)測曲線如圖12～14。

圖12 地連墻水平位移監(jiān)測曲線 Figure 12 Curves of horizontal displacement for the enclosure wall

圖13 承臺豎向位移監(jiān)測曲線 Figure 13 Curves of vertical displacement for the base slab wall

由現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)得出：1) 主體中坑開挖期間，圍護(hù)墻體的深層水平位移值隨深度的增加而增大，最大水平位移為23.47 mm(深度20.5 m處)；2) 中坑開挖期間，楊浦大橋引橋承臺的豎向和水平位移有明顯的增大趨勢，最大豎向位移為5.69 mm、最大水平位移為4.30 mm。以上實(shí)測結(jié)果表明：數(shù)值模擬中的地連墻及高架橋承臺的變形情況與實(shí)測值基本吻合，地連墻及高架橋承臺的變形量均小于變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖14 承臺水平位移監(jiān)測曲線 Figure 14 Curves of horizontal displacement for the base slab

5.3 封底加固效果

中坑封底加固完成后，抽取8根N-Jet高壓旋噴樁進(jìn)行鉆孔取芯檢測，單樁抗壓強(qiáng)度的檢測結(jié)果為1.51～1.54 MPa，N-Jet工法成樁質(zhì)量好。中坑開挖期間坑外2口⑦層承壓水水位觀測井的最大水位降深0.11～0.18 m，表明坑內(nèi)降水對坑外承壓水影響很小，封底加固效果較好，有效隔斷了坑底以下承壓水的水平向補(bǔ)給。

6 結(jié)語

本文以上海地鐵14號線歇浦路站工程為依托，采用有限元軟件MIDAS GTSNX 320模擬分析了基坑的施工過程，研究了不同變形控制措施下基坑開挖對鄰近高架橋的影響，得出以下結(jié)論：

1) 把數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測值進(jìn)行對比表明：隨著基坑開挖深度的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)和高架橋承臺的變形都逐漸增大，在開挖至基坑底時(shí)變形均達(dá)到最大值，且計(jì)算值與現(xiàn)場監(jiān)測值變化規(guī)律基本一致，數(shù)值模擬可作為分析基坑開挖對高架橋的變形影響的重要手段。

2) 鄰近高架橋樁基的深基坑變形控制指標(biāo)主要為水平位移，根據(jù)基坑的影響分區(qū)、規(guī)范以及楊浦大橋管理部門的要求，綜合判定本基坑工程地連墻的水平變形控制指標(biāo)為31.3 mm，高架橋樁基的水平變形控制指標(biāo)為5 mm。

3) 通過對數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的分析，可知基坑分次開挖、減小支撐的豎向間距、坑內(nèi)土體加固3種變形控制措施對降低基坑開挖對高架橋樁基變形影響的效果良好。車站主體基坑施工完成后，地連墻和高架橋樁基的變形均小于變形控制指標(biāo)，本基坑工程的變形控制措施合理可行，類似工程可以參考。

4) 在圍護(hù)結(jié)構(gòu)無法隔斷承壓水、楊浦大橋保護(hù)等級高的情況下，采用N-Jet工法對基坑進(jìn)行封底加固，可有效地切斷坑內(nèi)承壓水與外界的水力聯(lián)系，減小降承壓水對高架橋的變形影響，保證楊浦大橋的安全運(yùn)行。