地鐵基坑下穿鐵路橋的橋墩保護設(shè)計方案合理性研究*

李恒一 王志杰 何晟亞 王如磊 徐海巖

(1.廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司， 510010， 廣州； 2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室， 610031， 成都；3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院， 611830， 都江堰; 4.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)村鎮(zhèn)建設(shè)防災(zāi)減災(zāi)四川省高等學(xué)校工程研究中心， 611830， 都江堰∥第一作者， 高級工程師)

地鐵建設(shè)項目因周邊環(huán)境等各種因素不得不下穿高速鐵路橋梁時，在施工過程中可能會對鄰近橋墩產(chǎn)生影響[1-3]，所以在施工前應(yīng)采取措施對橋墩加以保護。目前針對地鐵基坑下穿高架橋施工對橋墩保護措施的研究較少。本文以深圳地鐵12號線和平站基坑下穿穗莞深城際鐵路為依托，采用數(shù)值模擬方法，探究施工過程中橋墩保護方案的合理性，以期為國內(nèi)同類工程提供借鑒。

1 工程概況

深圳地鐵12號線和平站位于松福大道與橋和路交叉路口，呈東西向敷設(shè)，在穗莞深城際鐵路特大橋的30#橋墩和31#橋墩之間下穿通過。該站的基坑橫斷面如圖1所示。

和平站為地下二層島式站臺，標準段寬度為21 m，總長為230 m，開挖深度為17 m。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：基坑下穿高速鐵路時，高速鐵路橋梁墩臺頂橫、縱向水平和豎向位移均應(yīng)小于2 mm。為滿足該規(guī)定，該站的下穿段采用了“地下連續(xù)墻+5道內(nèi)支撐”的施工方案(如圖1所示)，在橋墩承臺四周設(shè)置了直徑為800 mm、間距為950 mm的隔離樁，隔離樁與基坑之間設(shè)置旋噴樁以加固土體。

注:除標高以m計外,其余尺寸以mm計。

2 數(shù)值模擬

2.1 建立仿真模型

采用有限元軟件Midas GTS進行三維建模，對下穿段進行計算。考慮基坑尺寸、開挖深度及周邊環(huán)境，模型的長度、寬度、高度分別設(shè)為120 m、90 m、100 m。

模型四周邊界施加法向位移約束，底部邊界施加豎向位移約束。地層采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，地層從上至下分別為填塊石、淤泥、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖。地下連續(xù)墻和隔離樁采用二維單元模擬，支撐、立柱、冠梁、橋樁采用一維單元模擬，圍護結(jié)構(gòu)均采用彈性本構(gòu)。根據(jù)相關(guān)資料，將橋梁上部荷載換算成均布荷載并作用于橋墩上，30#橋墩、31#橋墩頂部的均布荷載分別為138 kPa、134 kPa。

為方便建模，將隔離樁按剛度等效原則等效為一定厚度的地下連續(xù)墻，其計算式[4]為：

(1)

式中：

D0——等效地下連續(xù)墻厚度，m；

L——2根隔離樁之間的距離，m；

D——隔離樁的直徑，m。

為保證數(shù)值模擬的可實現(xiàn)性及計算結(jié)果的準確性，在建模分析過程中遵守如下假設(shè)[4]：① 假定整個深基坑土層呈均質(zhì)、水平層狀分布，不考慮土體蠕變等因素對土體造成的影響；② 計算中不考慮圍護結(jié)構(gòu)和土體的脫離現(xiàn)象，維護結(jié)構(gòu)和土體滿足變形協(xié)調(diào)條件。

2.2 設(shè)置計算參數(shù)

計算模型所需的各地層參數(shù)及圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 案例基坑各地層參數(shù)及圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Ground and enclosure structure parameters of case foundation pit

3 計算結(jié)果及分析

3.1 橋墩加固方案的合理性分析

根據(jù)下穿段橋墩保護方案，本文設(shè)了4種工況進行分析：① 工況一，無加固措施；② 工況二，僅設(shè)隔離樁；③ 工況三，僅進行土體加固；④ 工況四，實施隔離樁和土體加固。

3.1.1 橋墩水平位移分析

基坑開挖至坑底時，4個工況下30#橋墩和31#橋墩的最大水平位移如圖2所示。

圖2 各工況下30#橋墩和31#橋墩的最大水平位移Fig.2 Maximum horizontal displacement of pier 30# and pier 31# under various working conditions

由圖2可知：

1) 工況一和工況三下31#橋墩的最大水平位移均大于30#橋墩的最大水平位移，而工況二和工況四下的情況恰好相反。

2) 對比工況一和工況二。工況二采用了隔離樁加固，30#橋墩、31#橋墩的最大水平位移較工況一均有所減小，其中：30#橋墩最大水平位移的減小幅度為2.76%，31#橋墩最大水平位移的減小幅度為40.74%，這說明了設(shè)置隔離樁對控制橋墩的水平位移有一定效果。

3) 對比工況一和工況四。與工況一相比，工況四下30#橋墩、31#橋墩的最大水平位移都有所減小，最大水平位移值均小于2 mm。

3.1.2 橋墩豎向位移分析

基坑開挖至坑底時，4個工況下30#橋墩、31#橋墩的最大豎向位移如圖3所示。由圖3可知：

圖3 各工況下30#橋墩和31#橋墩的最大豎向位移Fig.3 Maximum vertical displacements of pier 30# and pier 31# under various working conditions

1) 與橋墩的水平變形相同，工況一和工況三下 31#橋墩的最大豎向位移均大于30#橋墩的的最大豎向位移，而工況二和工況四下的情況恰好相反。

2) 對比工況一和工況二。工況二采用了隔離樁加固，30#橋墩、31#橋墩的最大豎向位移較工況一均有明顯減小，其中：30#橋墩的最大豎向位移減小了53.00%，31#橋墩的最大豎向位移減小了65.74%，這說明采用隔離樁對減小橋墩的豎向位移具有明顯的效果。

3) 與其他3個工況相比，工況四下30#橋墩、31#橋墩的最大豎向位移量最小。相比工況一，工況四下30#橋墩、31#橋墩的最大豎向位移分別減小了54.18%、68.41%。相比工況二，工況四下30#橋墩、31#橋墩的最大豎向位移也均有小幅下降。這說明工況四控制橋墩豎向位移的效果最好。

3.2 圍護結(jié)構(gòu)加強方案的合理性分析

該下穿段為1.2 m厚的地下連續(xù)墻，其嵌固深度為8.5 m。本文采用數(shù)值模擬方法，分析墻厚和嵌固深度的改變對基坑和橋梁穩(wěn)定性的影響。設(shè)地下連續(xù)墻的厚度分別為0.8 m、1.0 m、1.2 m及1.4 m，嵌固深度分別為6.0 m、6.5 m、7.0 m、7.5 m、8.0 m、8.5 m、9.0 m及9.5 m。

3.2.1 地下連續(xù)墻厚度對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

在地下連續(xù)墻不同的墻厚下，30#橋墩、31#橋墩的最大水平位移變化情況如圖4所示：隨著墻厚的增大，2個橋墩的最大水平位移均有所減小，且呈逐漸平緩減少趨勢。這說明隨著墻厚的增加，橋墩水平位移的減小幅度變小。當墻厚從0.8 m增大到1.4 m時，30#橋墩、31#橋墩的最大水平位移分別減小了0.197 mm、0.218 mm，減小幅度均不大。當墻厚從1.2 m增大到1.4 m時，30#橋墩、31#橋墩的最大豎向位移分別減小了0.050 mm、0.061 mm。這也說明了改變地下連續(xù)墻的厚度對橋墩位移影響并不大，通過增大墻厚的方法來控制橋墩位移是不經(jīng)濟的。

a) 最大水平位移

3.2.2 地下連續(xù)墻嵌固深度對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

不同的地下連續(xù)墻嵌固深度下，30#橋墩、31#橋墩的最大水平位移和最大豎向位移變化情況如圖5所示：隨著地下連續(xù)墻嵌固深度的增大，2個橋墩的最大水平位移依次減小，但變化幅度較小。當?shù)叵逻B續(xù)墻嵌固深度從6.0 m增大到9.5 m后，30#橋墩的最大水平位移從1.977 mm減小到1.934 mm，31#橋墩的最大水平位移從1.516 mm減至1.480 mm變化都很小。

橋墩最大豎向位移曲線降幅也比較平緩，當嵌固深度超過8.5 m后，隨著嵌固深度的繼續(xù)增加，橋墩最大豎向位移幾乎沒有變化。這說明在嵌固深度能保證基坑穩(wěn)定的情況下，不宜通過增大地下連續(xù)墻的嵌固深度來提高橋墩的穩(wěn)定性。

a) 最大水平位移

3.3 基坑施工工序的合理性分析

按照基坑施工工序?qū)λ胼干畛请H鐵路的影響，將模型基坑分為3個區(qū)：A、R和C區(qū)(如圖6所示)，各分區(qū)之間設(shè)分隔墻。B為中間基坑的分區(qū)寬度。

圖6 基坑分區(qū)示意圖Fig.6 Diagram of foundation pit zoning

L為兩水平相鄰混凝土撐間距。本文模擬了兩種開挖工況，分別為工況P(開挖工序為先兩邊后中間)、工況Q(開挖工序為先中間后兩邊)。分別令B等于3L、5L、7L，以30#橋墩為例，對工況P和工況Q下取不同B值時的施工情況進行仿真。

兩種開挖工況下，30#橋墩的最大水平位移和最大豎向位移隨B的變化情況為：橋墩的最大水平位移和最大豎向位移的變化趨勢基本相同。在相同的B值下，工況Q引起的橋墩位移均比工況P小。隨著B的減小，兩種開挖工況下的位移差值越來越大，當B=3L時，兩者的位移差值達到最大，此時工況Q下橋墩最大水平位移比工況P小43.6%，橋墩最大豎向位移比工況P小21.2%。

對于工況P，當B=5L時，開挖引起的橋墩最大水平位移和最大豎向位移最小。而對于工況Q，當B=3L時，開挖引起的橋墩最大水平位移和最大豎向位移最小。

4 現(xiàn)場監(jiān)測情況

基坑施工過程中，對橋墩的水平位移和豎向位移進行了監(jiān)測，本文選取一部分監(jiān)測點進行分析。30#橋墩和31#橋墩選取的監(jiān)測點如圖7所示，各監(jiān)測點的標高均為1.45 m。

a) 30#橋墩

4.1 橋墩水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

30#橋墩選取了2個監(jiān)測點(JGS3、JGS6)，31#橋墩也選取了2個監(jiān)測點(JGS9、JGS10)。根據(jù)現(xiàn)場的施工進度，本文選取2019-06-11至2019-08-20的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，各監(jiān)測點的水平位移變化曲線如圖8所示。

由圖8可知，在2019-06-11至2019-08-20的基坑開挖過程中，30#橋墩、31#橋墩各測點的水平變化規(guī)律大致相同。隨著基坑的開挖，測點的水平位移逐漸增大，其變化過程可分為三個階段，2個橋墩的水平位移變化在第一階段均較快，第二階段有所減緩，第三階段基本平穩(wěn)。其原因主要為：2019-06-11至2019-07-02，下穿段基坑的開挖深度由6 m開挖至13 m，所以這段時間橋墩的水平位移變化較快；2019-07-30，基坑已開挖至底部，后續(xù)監(jiān)測日期內(nèi)橋墩的水平位移變化減小，趨于平緩。

a) 30#橋墩的測點JGS3、JGS6

因基坑開挖引起的橋墩測點最大水平位移結(jié)果為：30#橋墩測點JGS3、JGS6的累計水平位移分別為0.918 mm和0.830 mm；31#橋墩測點JGS9、JGS10的累計水平位移分別為0.862 mm和0.789 mm。在對應(yīng)的開挖深度內(nèi)，數(shù)值模擬得到30#橋墩、31#橋墩的最大水平位移分別為1.116 mm和 0.896 mm。經(jīng)對比，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果有一定差異，數(shù)值模擬結(jié)果值稍大，但兩者整體吻合情況較好。

4.2 橋墩豎向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

30#橋墩選取2個監(jiān)測點(JGC14-5、JGC14-6)，31#橋墩也選取2個監(jiān)測點(JGC14-9、JGC14-10)。根據(jù)現(xiàn)場施工進度，選取了2019-05-27至2019-08-20的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，各測點的豎向位移變化曲線如圖9所示。

由圖9可知，在2019-05-27至2019-08-20的基坑開挖過程中，30#橋墩、31#橋墩各測點的豎向位移變化規(guī)律大致相同。隨著基坑的開挖，橋墩的豎向位移逐漸增大，其變化過程大致可以分為4個階段：第一階段變化較慢，第二階段變化較快，第三階段變化有所減緩，第四階段變化基本較為平穩(wěn)。

a) 30#橋墩的測點JGC14-5、JGC14-6

因基坑開挖引起的橋墩測點最大豎向位移結(jié)果為：30#橋墩測點JGC14-5、JGC14-6的累計豎向位移分別為0.522 mm、0.451 mm，31#橋墩測點JGC14-9、JGC14-10的累計豎向位移分別為0.342 mm和0.317 mm。在對應(yīng)的開挖深度內(nèi)，數(shù)值模擬得到30#墩和31#橋墩的最大豎向位移分別為0.389 mm和0.272 mm。經(jīng)對比，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果存在一定差異，數(shù)值模擬結(jié)果值稍小，這是由于數(shù)值模擬過程中未考慮地下水的影響所致?？傮w而言，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果的變化規(guī)律基本一致。

5 結(jié)論

1) 針對橋墩水平位移，采用隔離樁和土體加固措施對2個橋墩產(chǎn)生的影響稍有差別。僅采用隔離樁(工況二)時，2個橋墩的水平位移均有所減小，但30#橋墩的水平位移減小幅度較小，產(chǎn)生的水平位移值在控制標準之外。僅采用土體加固措施(工況三)，30#橋墩的水平位移大幅減小，31#橋墩的水平位移減小效果不如30#橋墩明顯。當同時采用隔離樁和土體加固(工況四)時，2個橋墩水平位移的控制效果最佳，滿足控制標準要求。

2) 針對橋墩豎向位移，設(shè)置隔離樁對控制橋墩的豎向位移有明顯效果。僅采用隔離樁(工況二)時，2個橋墩的豎向位移均大幅度降低；采用土體加固措施(工況三)時，橋墩的豎向位移控制有一定效果，但效果沒有僅采用隔離樁時的效果好；當采用隔離樁和土體加固(工況四)時，能達到最好的豎向位移控制效果。

3) 地下連續(xù)墻的厚度和嵌固深度對橋墩的位移影響并不大。在保證基坑穩(wěn)定的前提下，繼續(xù)增大地下連續(xù)墻的厚度和嵌固深度是不經(jīng)濟的。

4) 采用分區(qū)開挖可以有效控制基坑變形及臨近橋梁區(qū)域土體的變形。應(yīng)采用先開挖中間后開挖兩邊的開挖順序進行施工，中間基坑的分區(qū)寬度設(shè)為3L較為合適。

5) 數(shù)值模擬結(jié)果和實測結(jié)果基本吻合，證明了本文仿真模擬的有效性，說明設(shè)計中采用的橋墩保護加固方案對橋梁的穩(wěn)定起到了有效作用，該設(shè)計方案可為今后類似工程提供參考。