地鐵深基坑下穿高速鐵路橋墩位移控制技術

肖旺

[摘? 要]：針對深圳某地鐵車站深基坑下穿穗莞深城際鐵路的影響分析為背景，文章采用彈塑性有限差分方法，建立三維有限元模型，模擬基坑開挖對鄰近30#、31#高架橋墩的影響，基于該數(shù)值模型，研究深基坑開挖對鄰近橋樁的作用機制，通過增設隔離樁、對基坑支撐施加預應力等影響因素模擬基坑開挖引起的高架橋承臺樁的變形進行計算分析。結(jié)果表明，隔離樁、支撐預應力的施加有利于控制高架樁體的側(cè)移，與實際監(jiān)測結(jié)果一致。

[關鍵詞]：基坑開挖; 鐵路橋墩; 下穿高速公路; 荷載工況; 數(shù)值分析

TU94+2A

隨著我國城市軌道交通建設事業(yè)的蓬勃發(fā)展，新建地鐵線路與既有市政道路、橋梁及既有鐵路立體交叉時有發(fā)生。隨著城市生活節(jié)奏的加快，人們對出行換乘的要求也越來越高，地鐵與高速（城際）鐵路車站的無縫換乘應運而生。當?shù)罔F車站下穿既有高速鐵路橋梁時，必定會產(chǎn)生深、寬基坑工程[1-2]。受既有高速鐵路橋梁孔跨布置的限制，地鐵車站基坑工程距既有鐵路橋墩一般較近，深基坑的開挖、卸載及降水破壞原有土體應力平衡，引起周邊土體應力場與位移場發(fā)生變化，將對既有高速鐵路橋梁產(chǎn)生附加應力及附加變形。尤其地層為軟土地基時，高速鐵路橋梁對周邊環(huán)境的變化尤為敏感，若沉降或水平位移超過限值將會影響高速鐵路的安全[1-3]。

當?shù)罔F車站下穿高速鐵路大跨度連續(xù)梁時，因基坑開挖其體量大且橋梁結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，樁基礎托換、加固及對高架橋進行預支頂技術就不再適用。此外，高速鐵路變形允許值比城市橋梁的變形允許值更嚴格，尤其是超靜定結(jié)構(gòu)，因此，對于地鐵車站下穿高速鐵路，如何確保鐵路橋梁的安全尤為重要。

在減小基坑及周圍土體位移方面，傳統(tǒng)常用的方式主要有增加基坑內(nèi)支撐的剛度、提高圍護結(jié)構(gòu)剛度和增強土體強度[3]。但增加內(nèi)支撐剛度會導致支撐尺寸過大或者間距過密，一方面不利于基坑開挖土體施工，另一方面也使工程造價顯著提高。增強土體強度常采用高壓旋噴樁注漿方式，但是單純的高壓旋噴樁注漿壓力不利于控制，容易冒漿甚至鐵路承臺樁基產(chǎn)生變形位移。

因此本文結(jié)合深圳某地鐵車站深基坑下穿穗莞深城際鐵路的案例，運用彈塑性有限差分方法，研究深基坑開挖對鄰近橋樁的作用機制，通過增設隔離樁、對基坑支撐施加預應力等方法模擬基坑開挖引起的高架橋承臺樁的變形進行計算分析[1-5]，以期得到一些有益的結(jié)論，可為日后類似工程的設計、施工及研究提供借鑒與參考。

1 工程概況

深圳某地鐵車站基坑長230.5 m，標準段寬度為21.1 m，底板埋深16.8～18.7 m，頂板覆土約3 m。沿橋和路下方呈東西向敷設，途經(jīng)密集建筑，與正在施工的穗莞深城際鐵路和平站換乘。地鐵為東西走向，與穗莞深城際鐵路方向相互垂直。此處穗莞深城際鐵路上部結(jié)構(gòu)為2聯(lián)（40+60+35） m連續(xù)梁，墩號為29#～32#墩。地鐵站在穗莞深和平站特大橋30#～31#墩之間明挖下穿通過。其平面相對位置如圖1所示。

穗莞深城際鐵路和平站特大橋（40+60+35） m連續(xù)梁為4線橋，下部結(jié)構(gòu)橋墩均為拱型門架墩，墩高均為14 m，承臺尺寸為10.5 m×18.5 m×3 m，加臺尺寸為5 m×15.6 m×1 m，30#墩樁基為14～1.5 m的摩擦樁，梅花式布置，樁長為60 m，31#墩樁基為14～1.5 m的嵌巖樁，梅花式布置，樁長為40.5 m。

地鐵車站主體結(jié)構(gòu)距離30#及31#墩承臺最近距離分別為7.75 m和19.6 m。

和平站地鐵站主體結(jié)構(gòu)基坑底標高為-13.38 m，頂面標高為3.5 m，開挖深度16.88 m，其主體結(jié)構(gòu)寬為21.1 m，車站為地下2層島式站臺，地下1層為站廳層，地下2層為站臺層，車站頂板覆土厚度約3.05 m。穗莞深城際鐵路和平站特大橋30#（31#）墩承臺底標高均為-2.041 m，30#墩樁底標高為-62.041 m，31#墩樁底標高為-42.541 m。和平地鐵站與穗莞深城際鐵路相對位置立面如圖2所示。

2.1 地層巖性及土層物理力學參數(shù)

各土層彈性模量的取值如表1所示。基坑施工過程中，由于產(chǎn)生的附加應力可能超過巖土材料的比例極限（線彈性）而達到塑性狀態(tài)，所以對于巖土材料本報告采用MIDAS/GTS NX提供的Mohr-Coulomb修正彈塑性本構(gòu)模型[6～8]。

2.2 基坑支護設計及支護結(jié)構(gòu)本構(gòu)及其參數(shù)取值

車站采用明挖法施工，基坑深度17.7～19.2 m，下穿穗莞深段圍護結(jié)構(gòu)采用1 200 mm地下連續(xù)墻，設置5道支撐和一道換撐，圍護結(jié)構(gòu)與高架橋墩之間設置隔離樁，隔離樁樁徑800 mm，樁間距1 000 mm。支護結(jié)構(gòu)參數(shù)及本構(gòu)關系如表2所示。

3 有限元數(shù)值建模

有限元軟件Midas/GTS是將通用的有限元分析內(nèi)核與巖土結(jié)構(gòu)的專業(yè)性要求有機地結(jié)合而開發(fā)的巖土與隧道結(jié)構(gòu)有限元分析軟件[6]。計算分析主要采用Midas/GTS中的應力分析模塊，主要分析基坑開挖對高架承臺樁受力和變形的影響。計算模型按實際施工工況分析基坑開挖過程中對輕軌高架承臺樁的影響，分析過程中考慮了樁土接觸摩擦，采用接觸摩擦單元進行模擬[2]，選取合適的計算參數(shù)。

3.1 模型建立

本模型主要分析基坑開挖對高架橋樁基承臺的影響。總體模型計算區(qū)域的選取應充分考慮基坑開挖引起的邊界效應。計算長度X方向（沿線路車站方向）為90 m，計算寬度Y方向（垂直線路車站方向）為120 m，考慮到鐵路高架承臺樁的邊界效應，30#高架承臺樁樁長為60 m，考慮到樁基的影響范圍，模型在Z方向（計算深度）取100 m，計算結(jié)果能滿足精度要求。

（1）豎向自重荷載。豎直方向上本項目考慮自重荷載的影響。

（2）橋梁荷載。依據(jù)穗莞深城際鐵路的相關設計資料，將 30#和 31#上橋墩橋梁主力分別為 138 371 kN 和 134 521 kN。將橋梁荷載換算成均布荷載，作用于橋梁橋墩承臺承臺上，因橋梁承臺與橋墩接觸面長為0.4 m，寬為 0.3 m，30#橋梁承臺和 31#橋梁承臺荷載強度為 138.37 kPa 和 134.52 kPa。

本地層從上至下分別為：填土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉質(zhì)黏土、花崗巖全風化、花崗巖強風化、花崗巖中風化。計算模型如圖3～圖7所示。

預加力按第一道撐0 kN，第二道撐2 000 kN，第三道撐2 000 kN，第四道撐3 000 kN，換撐2 000 kN，第五道撐2 000 kN。

3.2 分析工況

分析工況按2種計算模型分別如表3所示。

4 計算結(jié)果

在地鐵基坑開挖及隔離樁施工前，對模型場地進行地應力平衡和初始位移清零[1-2]，僅考慮高架承臺樁已建成情況下應力、不考慮其應變。以分析地鐵基坑開挖施工對高速公路橋梁墩臺及樁基的影響[6-8]。

土層參數(shù)采用勘察報告提供的土層參數(shù)進行計算。該計算模型的施工工況中，經(jīng)過計算分析，較不利工況為第六次開挖開挖至坑底及回填覆土這2個工況，因此只列出這2個工況的計算結(jié)果。

在計算模型中考慮基坑邊附加超載，附加荷載為20 kPa均布荷載，以模擬坑邊臨時荷載及車輛、行人荷載，高架承臺樁范圍計算結(jié)果如圖8～圖10所示。

開挖至坑底工況30#高架橋墩承臺中心水平位移0.90 mm，豎向位移0.30 mm;31#高架橋墩承臺中心平位移0.74 mm，豎向位移0.11 mm。圍護結(jié)構(gòu)地連墻水平側(cè)向最大位移45.5 mm（圖11～圖13）。

開挖至坑底工況30#高架橋墩承臺中心水平位移0.58 mm，豎向位移0.32 mm;31#高架橋墩承臺中心平位移0.43 mm，豎向位移0.11 mm。圍護結(jié)構(gòu)地連墻水平側(cè)向最大位移38.1 mm（表4）。

將承臺頂位移作為荷載，通過建立橋梁結(jié)構(gòu)MIDAS三維模型進行模擬，計算墩頂位移值（圖14）。

通過計算，可得主體結(jié)構(gòu)基坑開挖影響下的墩頂位移值，如下表所示。

5 結(jié)束語

隨著相互交叉的工程建設日益增多，本文深圳某地鐵車站深基坑下穿穗莞深城際鐵路為背景，結(jié)合地質(zhì)資料及基坑支護方案，基于有限元軟件Midas/GTS建立分析模型，研討了隔離樁及支撐預應力等因素對鄰近高速公路承臺樁的變形影響進行了分析計算，得到結(jié)論與建議：

（1）按最不利工況地鐵和平站主體結(jié)構(gòu)基坑開挖至基坑底時，基坑圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移為4.5 mm，滿足一級基坑的要求。

（2）地鐵車站主體結(jié)構(gòu)基坑開挖至基坑底工況下，30#高架橋墩承臺中心水平位移（Y方向）0.9 mm，31#高架橋墩承臺中心水平位移（Y方向）0.74 mm。

（3）受深圳某地鐵車站基坑開挖的影響，鐵路橋30#墩墩頂順橋向水平位移（Y方向）為1.946 mm，豎向位移（Z方向）為0.32 mm，31#墩墩頂順橋向水平位移（Y方向）為-1.293 mm，豎向位移（Z方向）0.11 mm，墩頂?shù)奈灰凭鶟M足TB 10182-2017《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規(guī)程》[3]第3.0.3條不大于2 mm的規(guī)定。

（4）加強監(jiān)測，實現(xiàn)信息化施工?；娱_挖過程中應加強城際鐵路高架承臺樁及軌道監(jiān)測，對靠近城際鐵路側(cè)基坑支護結(jié)構(gòu)、地面的水平位移、沉降、地下水位進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)險情，及時處理。

參考文獻

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