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        下穿既有高鐵橋梁基坑群開挖順序優(yōu)化研究

        2023-03-16 08:32:58王文杰鞠嘯童朱利明邵毅安
        黑龍江交通科技 2023年2期
        關(guān)鍵詞:墩頂橋墩高鐵

        王文杰,鞠嘯童,朱利明,邵毅安

        (1.江蘇雷威建設(shè)工程有限公司,江蘇 南京 210003;2.南京工業(yè)大學(xué),江蘇 南京 210009)

        隨著城市地下空間的高速發(fā)展,越來越多的基坑工程臨近既有橋梁,這既加大了基坑開挖的難度,也對(duì)臨近橋梁產(chǎn)生了一定影響。如何在基坑施工期間減小對(duì)臨近既有橋梁的擾動(dòng)是待解決的問題。

        目前為止,相關(guān)學(xué)者對(duì)基坑群開挖對(duì)臨近橋梁的影響進(jìn)行了大量研究,周湘[1]利用數(shù)值模擬分析,模擬了基坑群4種不同開挖順序的工況,按照影響程度對(duì)橋墩差異沉降、橋墩豎向位移、水平位移、樁側(cè)土壓力、地表最大沉降等賦予不同權(quán)重,最終得出最優(yōu)開挖方案。衛(wèi)軍[2]基于基坑群運(yùn)用有限元軟件設(shè)計(jì)了4種開挖方案,分析了下穿盾構(gòu)隧道的豎向位移和周圍地層的豎向位移,研究表明對(duì)稱間隔式開挖為最優(yōu)施工方案。陳書申[3]采用能進(jìn)行全空間分析、自動(dòng)協(xié)調(diào)變形的理正軟件分析了基坑的不同開挖順序,得出了最有利的順序是自基坑中部向四邊擴(kuò)展,但實(shí)際運(yùn)用中存在困難,最終采取了自近二角部位先挖而后漸次后退的順序。麻鳳海[4]、周凱強(qiáng)[5]、沈健[6]和袁順德[7]等人基于實(shí)際工程,利用有限元數(shù)值分析模型,總結(jié)了各種開挖情況,給出了各個(gè)基坑開挖順序?qū)こ逃绊懶〉淖顑?yōu)解。

        綜上所述,基坑群的出現(xiàn),導(dǎo)致土層應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)不只是單個(gè)基坑簡(jiǎn)單的線性疊加,尤其是在臨近高鐵橋梁的情況下,基坑群的不同施工順序?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)的影響會(huì)產(chǎn)生許多新問題。通過數(shù)值模擬及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析開挖基坑群時(shí)對(duì)既有高鐵橋墩的影響,為具有基坑群的工程提供參考。

        1 工程概況

        1.1 基坑工程概況

        依托項(xiàng)目為杭州市市政道路頂進(jìn)箱涵工程,該工程沿線依次下穿滬昆鐵路和滬昆高鐵(杭深鐵路)橋。下穿滬昆鐵路采用頂進(jìn)法施工,共四組6孔框架頂進(jìn)下穿鐵路上、下行線兩股道路。滬昆高鐵(杭深鐵路)橋在滬昆鐵路東側(cè)。

        頂進(jìn)箱涵工程中基坑群由滬昆鐵路西側(cè)基坑和滬昆鐵路東側(cè)U型槽基坑組成,滬昆鐵路西側(cè)頂進(jìn)工作坑由北至南,分別為1、2、3、4號(hào)基坑;U型槽基坑由NU1~NU5、ZU1~ZU5、ZU8~ZU9、YU1~YU5和YU8~YU9基坑組成。

        將滬昆鐵路西側(cè)基坑由北向南劃分為1#基坑、2#基坑和3#基坑、四號(hào)基坑,滬昆鐵路東側(cè)基坑由北向南劃分為5#基坑、6#基坑和7#基坑。1#基坑坑深2.19~3.08 m;2#基坑坑深3.36~6.1 m;3#基坑坑深3.18~6.3 m;四號(hào)基坑坑深0.977 m;5#基坑坑深2.47~4.06 m;6#基坑坑深1.86~3.26 m;7#基坑坑深1.84~3.24 m。

        1.2 滬昆高鐵橋概況

        項(xiàng)目下穿滬昆高鐵(杭深鐵路)處鐵路橋梁為32 m簡(jiǎn)支梁,梁底標(biāo)高6.24 m,橋臺(tái)頂標(biāo)高5.90 m。

        滬昆高鐵為混凝土連續(xù)梁橋,基坑影響范圍錢江新橋由北向南依次是141#~145#墩范圍。在NU4-NU5 U型槽處高鐵橋墩距U型槽最近距離4.65 m,高鐵橋梁底距地面7.99~8.87 m。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁,基礎(chǔ)均為樁基礎(chǔ),樁徑為1 m。

        2 數(shù)值分析

        建立計(jì)算建模時(shí),采用MIDAS GTS NX大型巖土有限元分析軟件,為保證計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果相近,通過修正土層計(jì)算參數(shù)調(diào)整模型,參數(shù)選取如表1所示,采用修正摩爾庫倫本構(gòu)模型,該模型是一種彈塑性本構(gòu),相對(duì)于M-C更接近于塑性理論,是一種將非線彈性和塑性聯(lián)合起來的組合模型。可以模擬包括軟土和硬土在內(nèi)的不同類型的土體行為的彈塑模型,考慮了土體的剪脹性,并引入屈服蓋帽(Cap),土體剛度與應(yīng)力相關(guān)。其他材料根據(jù)實(shí)際情況采用彈性本構(gòu)模擬。

        有限元模型中土體、高鐵橋承臺(tái)、高鐵橋墩、普鐵路基和軌道采用3D單元模擬,橋樁、基坑支撐、基坑冠梁采用1D梁?jiǎn)卧M,基坑圍護(hù)樁(鉆孔灌注樁和拉森鋼板樁)通過等效剛度轉(zhuǎn)換為地連墻2D板單元模擬,等效剛度轉(zhuǎn)換如下

        表1 土層計(jì)算參數(shù)選取

        (1)

        式中:d為計(jì)算所得地連墻厚度;h為樁徑;D為樁間距。

        為在計(jì)算模型中考慮樁土耦合作用,土體與橋梁樁基的接觸面添加了界面單元。模型四周施加位移約束,橋梁樁基施加扭轉(zhuǎn)約束,共計(jì)259 143個(gè)單元。

        初始計(jì)算工況與實(shí)際施工工況對(duì)應(yīng)。模型計(jì)算時(shí),基坑開挖對(duì)應(yīng)模型中鈍化土體單元,單個(gè)基坑均分兩層開挖至坑底。具體工況依次為:①初始地應(yīng)力分析;②施作橋梁、鐵路和既有U型槽;③基坑群圍護(hù)結(jié)構(gòu)依次施工;④開挖1#基坑,施作冠梁;⑤開挖3#基坑,施作冠梁和支撐;⑥開挖2#基坑,施作冠梁和支撐;⑦開挖5#基坑,施作冠梁和支撐;⑧開挖7#基坑,施作冠梁;⑨開挖6#基坑,施作冠梁;⑩開挖四號(hào)基坑,施作冠梁。

        經(jīng)計(jì)算,將圍護(hù)樁在CX-4監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析,圍護(hù)樁的水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線對(duì)比如圖1所示。通過比較分析,模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較吻合,可以依據(jù)此數(shù)值模型進(jìn)行后續(xù)分析。

        3 基坑群開挖順序?qū)蛄旱挠绊?/h2>

        3.1 模擬基坑群開挖順序

        基坑工程是一個(gè)三維空間結(jié)構(gòu),基坑工程受分步和分階段開挖作用的綜合影響, 呈現(xiàn)典型的空間效應(yīng),基坑變形的空間效應(yīng)不僅體現(xiàn)在基坑的幾何形狀及支護(hù)結(jié)構(gòu)上,還體現(xiàn)在基坑開挖不同先后開挖順序所形成的坑內(nèi)土體空間效應(yīng)。

        圖1 圍護(hù)樁水平位移監(jiān)測(cè)與模擬對(duì)比

        按照基坑群類型劃分,該工程基坑群可以劃分為雙側(cè)多坑[8],因四號(hào)基坑開挖深度只有0.977 m且距離高鐵橋梁較遠(yuǎn),故分析基坑群開挖順序時(shí)不考慮四號(hào)基坑。

        從減小對(duì)高鐵橋梁擾動(dòng)的角度出發(fā),在對(duì)稱、高效的開挖原則下,優(yōu)化基坑群開挖順序,對(duì)比分析了對(duì)稱施工和分側(cè)施工中依次開挖和同時(shí)開挖4種方案[8]來模擬基坑過程中不同開挖順序,模擬施工順序如圖2所示。

        圖2 模擬施工順序

        方案一:該方案對(duì)稱施工依次開挖,基坑開挖先后順序?yàn)椋?#基坑→5#基坑→2#基坑→6#基坑→3#基坑→7#基坑。

        方案二:該方案對(duì)稱施工同時(shí)開挖,基坑開挖先后順序?yàn)椋?#基坑、5#基坑→2#基坑、6#基坑→3#基坑、7#基坑。

        方案三:該方案同時(shí)施工依次開挖,基坑開挖先后順序?yàn)椋?#基坑→2#基坑→3#基坑→5#基坑→6#基坑→7#基坑。

        方案四:該方案分側(cè)施工依次開挖,基坑開挖先后順序?yàn)椋?#基坑、2#基坑、3#基坑→5#基坑、6#基坑、7#基坑。

        3.2 計(jì)算結(jié)果分析

        考慮到模型中模擬結(jié)果的相似性,結(jié)果標(biāo)記點(diǎn)均選取在橋墩上方靠近普速鐵路一側(cè)上。4種不同基坑群開挖方案完成時(shí)141#~145#橋梁墩頂最大沉降及水平位移值見表2和表3。

        由表2、表3可知:開挖基坑群時(shí),橋墩141#和橋墩142#受基坑群開挖影響最大,這是由于現(xiàn)場(chǎng)保留的U型槽及擋土墻對(duì)橋墩143#形成了有效的保護(hù),而且144#和145#距離基坑群較遠(yuǎn)。在4種不同方案下的141#和142#墩頂累計(jì)沉降及水平位移曲線如圖3所示。

        表2 橋墩沉降累計(jì)最大位移

        表3 橋墩水平累計(jì)最大位移

        圖3 不同方案141#~142#墩頂沉降和水平位移對(duì)比圖

        由表2、表3和圖3可知。

        (1)方案四基坑群分側(cè)施工同時(shí)開挖時(shí),引起橋梁墩頂最大沉降值為-3.407 mm;方案一基坑群對(duì)稱施工依次開挖時(shí),引起橋梁墩頂最小沉降值為-3.144 mm,均出現(xiàn)在142#墩頂,方案一比方案四中少了0.263 mm。

        (2)在依次開挖和同時(shí)開挖的方案中對(duì)比橋梁墩頂沉降,其結(jié)果顯示為非線性疊加,同時(shí)開挖時(shí)的橋梁墩頂最終沉降不是單個(gè)基坑依次開挖導(dǎo)致墩頂沉降的線性疊加,約為線性疊加值的1.05~1.07倍,這與多個(gè)基坑同時(shí)開挖引起的土層應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)的變化有關(guān)。同時(shí)開挖多個(gè)基坑,基坑暴露面積較大,更容易導(dǎo)致周圍土體的松動(dòng),造成土體位移場(chǎng)發(fā)生變化,再開挖后續(xù)基坑時(shí),引起的橋墩變形必然加大。

        (3)從橋梁墩頂橫向水平位移看,由于基坑群分布在橋墩東西兩側(cè),雙側(cè)基坑對(duì)稱同步開挖對(duì)橋梁墩柱具有很好的保護(hù)效果。從橋梁墩頂縱向水平位移看,因?yàn)榛尤壕植荚跇蛄憾罩?41#的南側(cè),不同施工方案對(duì)橋墩141#變形影響差異不明顯;但是對(duì)于橋墩142#,基坑群分布在其南北兩側(cè),方案四分側(cè)施工同時(shí)開挖可以較好地控制施工過程中的橋墩142#的縱向水平位移。

        4 開挖最終地表沉降對(duì)比

        4種基坑群開挖順序開挖后土體整體豎向位移表現(xiàn)為坑內(nèi)土體隆起,基坑周邊出現(xiàn)沉降槽,4種方案開挖完成后地面最大沉降分別為-20.783 mm、-22.096 mm、-21.545 mm、-23.947 mm。4種方案地表最終沉降分布圖見圖4至圖7。

        圖4 方案一最終地表沉降云圖

        圖5 方案二最終地表沉降云圖

        圖6 方案三最終地表沉降云圖

        圖7 方案四最終地表沉降云圖

        由圖4至圖7可知:

        (1)地表沉降最大均發(fā)生在2#基坑ZU1和3#基坑YU1之間,這是由于開挖過程對(duì)基坑中間土體影響較大,2#基坑和3#基坑開挖深度最大,同時(shí)沉降槽影響范圍在0.5倍開挖深度內(nèi)[13],2#基坑和3#基坑最小間距為4 m,而地表沉降最大處就是2#基坑和3#基坑的公共沉降槽。

        (2)最大地表沉降發(fā)生在方案四分側(cè)施工同時(shí)開挖,這是由于同時(shí)開挖基坑深度及面積最大的2#基坑和3#基坑,基坑暴露面積大,基坑周圍土體應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化,導(dǎo)致沉降增大。

        5 綜合分析最優(yōu)開挖順序

        從以上對(duì)4種方案開挖順序引起的墩頂沉降、墩頂橫向水平位移、墩頂縱向水平位移和周邊地表沉降項(xiàng)對(duì)比分析可以看出,并無一種絕對(duì)在各項(xiàng)都占優(yōu)的開挖順序。故從減小高鐵橋梁擾動(dòng)的角度出發(fā),采用最優(yōu)分析法[1]尋求最小擾動(dòng)方法,各對(duì)比項(xiàng)分配權(quán)重如下:橋墩墩頂沉降、橫向水平位移和縱向水平位移權(quán)重各0.3,周邊地表沉降0.1。任一項(xiàng)較優(yōu)者記90分,其次者記85分,再次者記80分,最差者記75分。

        (1)經(jīng)計(jì)算,以橋墩141#為研究對(duì)象,各方案得分見表4。

        表4 橋墩141#得分表

        最終,方案一得分87分,方案二得分為81.5分,方案三得分為80.5分,方案四得分81分。

        (2)經(jīng)計(jì)算,以橋墩142#為研究對(duì)象,各方案得分見表5。

        表5 橋墩142#得分表

        最終,方案一得分84分,方案二得分為83分,方案三得分為83.5分。方案四得分79.5分。方案一得分均為最高分,故方案一對(duì)稱施工依次開挖為最優(yōu)方案。

        6 結(jié) 論

        (1)整體來講,高鐵橋梁下基坑群的4種不同開挖方案對(duì)周邊地表和高架橋墩的影響不同,通過最優(yōu)分析法分析得出方案一對(duì)稱施工依次開挖為最優(yōu)開挖方案,對(duì)周邊土體和高鐵橋墩擾動(dòng)相對(duì)較小。

        (2)方案二在高鐵橋墩兩側(cè)對(duì)稱施工同時(shí)開挖可以有效的控制橋墩的橫向水平位移。對(duì)于基坑群分布在其南側(cè)橋梁墩柱141#,不同施工方案對(duì)其縱向水平位移影響差異不明顯;但是對(duì)于基坑群分布在其南北兩側(cè)的橋墩142#,方案四分側(cè)施工同時(shí)開挖可以較好地控制施工過程中的橋墩142#的縱向水平位移。

        (3)在依次開挖和同時(shí)開挖的方案中對(duì)比橋梁墩頂沉降,其結(jié)果顯示為非線性疊加,墩頂沉降在基坑群同時(shí)開挖中約為依次開挖中的線性疊加值的1.05~1.07倍。

        (4)采取的方案中,高鐵橋梁墩柱產(chǎn)生較大的變形,實(shí)際施工時(shí)可采用地基加固等方式減小橋梁變形,同時(shí)需加強(qiáng)對(duì)高鐵橋梁的監(jiān)測(cè)。

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