下穿橋梁緊鄰高鐵地鐵聯絡線基坑群施工力學特性數值模擬

芮勇勤,安 月,王振華,于曉莎

(東北大學資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110819)

隨著城市建設的飛速發展,城市土地資源緊張、建筑空間擁擠和交通問題日益突出,發展地鐵工程是城市集約發展的必然趨勢[1-3]。由于地質條件復雜,若設計與施工方案不合理,極易導致地鐵站基坑變形、圍護結構滲漏、周邊環境破壞等風險。一旦發生事故,可能造成嚴重的人身財產損失,地鐵工程建設安全應引起極大重視[4-6]。

研究地鐵基坑開挖穩定性的方法主要有經驗類比法、模型試驗法、數值模擬法、整體分析法四種[7]。引發事故的原因非常復雜,應用最為廣泛的是數值模擬法。采用數值模擬能夠預測施工過程引起的鄰近建/構筑物的變形[8-10]。李大鵬等[11]歸納總結國內外關于深基坑開挖引發周圍環境的平面變形情況并做了綜述研究。王恒等[12]采用數值模擬法分析基坑開挖對鄰近橋梁樁基的影響,研究得到采用二維簡化等效研究大間距的樁基是合理的。雷華陽等[13]采用數值模擬法研究不同間距條件下基坑開挖對自身圍護結構及鄰近橋樁的影響規律,根據規律對方案進行優化。劉靜等[14]采用理論分析及有限差分數值模擬法模擬淺埋暗挖不同工況對地表和鄰近樁基沉降的影響,確定了有效降低地表沉降和樁基變形的施工工法。影響基坑施工穩定的因素過多,基坑施工時很難對基坑自身變形及基坑對周圍環境的影響進行系統研究[15-16]。

目前,國內外專家學者對基坑施工力學特性的分析研究主要集中在單個基坑,而對周邊環境復雜的基坑群施工力學特性分析較少?；诖?筆者在模擬分析前,先根據風險分級標準識別與評價工程風險,再具體分析風險級別較高的風險源;對基坑群及下穿橋梁、緊鄰高鐵路基進行數值模擬;首先對基坑群施工過程中自身的穩定性進行研究,在確定地鐵站穩定情況下,對鄰近橋梁、高鐵路基的影響進行研究;通過數值模擬結果分析不僅能明確基坑群施工過程中存在的高風險,且驗證了風險等級劃分標準的合理性。

1 工程背景

1.1 聯絡線走向

后關村車輛段出入段線以填挖相間通過,場地屬低丘陵地貌,地勢起伏大,整體北高南低,地勢最大高差為27.4 m。出入段線明挖段基坑位于規劃綠地下方,哈大高鐵、沈大高速路西側,地鐵站聯絡線布置情況見圖1。

圖1 地鐵站聯絡線布置Fig.1 Layout of tie-line in metro station

1.2 工程水文地質條件

該工程地質主要包括素填土、強風化石灰巖(W3)、中風化石灰巖(W2)等,工程地質斷面情況見圖2。場地地形地貌、巖性較復雜,圍巖性質較好,未見地下水位。

圖2 工程地質斷面圖Fig.2 Vertical plan of the engineering geology

1.3 聯絡線基坑施工方法

聯絡線標準段明挖基坑采用放坡+巖層噴錨方式施工。上部采用放坡,噴射100 mm混凝土,內配Φ6.5@150鋼筋網,Φ16、土釘長度L=6 m、2.0×2.0土釘梅花形布置。下部采用Φ25、L=3 m、2.0 m×2.0 m砂漿錨桿梅花形布置?；由?.8～11.0 m。下穿橋樁段采用單排Φ219@750鋼管樁,架設2～3道錨桿,錨桿水平間距1.5 m。左線及出入線基坑巖面高,右線存在較厚黏土層,右線基坑在冠梁處架設一道Φ609,鋼管壁厚度t=14 mm鋼管內支撐,水平間距4 m。

1.4 周圍環境風險

經風險辨識,總結聯絡線基坑群的主要環境風險有下穿橋樁、測穿哈大高鐵路基,其斷面布置見圖3。開挖基坑不當易造成橋樁不均勻沉降、橋身與橋梁結構開裂。

圖3 斷面布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of section layout

2 聯絡線基坑群環境風險分析

綜合環境設施的重要性分類及周圍環境設施鄰近程度,建立地鐵站施工環境影響的風險分級標準[17-18]。既有城市軌道交通線路和鐵路屬重要設施、匝道橋屬一般設施。其中區域范圍<0.7H(H為新建基坑深度)屬非常接近,區域范圍在0.7H～1.0H屬接近,區域范圍在1.0H～2.0H屬較接近,區域>0.2H屬不接近。具體風險等級劃分標準見表1。

表1 施工環境影響的風險分級標準Table 1 Risk classification standard of construction environment

在風險辨識的基礎上,依據施工環境影響的風險分級標準對地鐵站基坑群施工致險因素進行評級。其中匝道橋是鄰近重要設施,并且基坑測穿匝道橋橋樁,結構距橋樁最小距離約2.88 m,區域范圍在“非常接近”,屬于Ⅱ級風險源。哈大高鐵路基為鄰近重要設施,基坑邊緣距高鐵路基最小距離約46.2 m,區域范圍在“較接近”,屬于Ⅲ級風險。具體致險因素及其危險等級見表2。

表2 聯絡線工程風險分級Table 2 Risk classification of tie line engineering

對鄰近基坑聯絡通道的施工與既有橋梁、高鐵路基結構之間的相互影響研究主要從兩個方面考慮:①聯絡線基坑群施工對鄰近既有橋樁結構、高鐵路基的影響;②鄰近橋樁、高鐵路基結構的施工力學特性。

3 有限元建模及施工過程

通過采用有限元軟件建立有限元模型,對地鐵站聯絡線穩定性進行數值模擬分析。在本次模擬中假設主要巖土層均為均質、各向同性的材料,考慮基坑施工降水引起的滲流影響,考慮基坑開挖與圍護結構、橋梁樁基、高鐵路基以及車輛荷載影響。參考相關研究文獻,結合該工程所在地地質條件,模擬過程中選取的物理力學參數見表3[19]。

表3 物理力學參數Table 3 Physical and mechanical parameters

3.1 有限元模型建立

模擬界面長142.0 m,深43.5 m,基于摩爾-庫倫本構模型,采用巖土材料+樁+錨桿+土釘+板+界面單元組成數值模擬有限元模型。采用板+界面單元模擬地下連續墻主體結構、側壁,采用錨桿單元模擬鋼管內支撐,其有限元模型網格剖分圖見圖4所示。

圖4 有限元模型網格剖分圖Fig.4 The meshing diagram of finite element model

模型四周施加沿法線方向的約束,底面固定,劃分有限單元為13 136,進行地下水滲流與力學、交通荷載耦合分析?？紤]橋面車輛荷載為10 kN/m2,高鐵車輛作用在道床上荷載為50 kN/m2?？紤]橋梁梁板簡支梁,樁徑1.5 m、長15 m。坐落于樁墩蓋梁上,路面為瀝青路面+橋面混凝土鋪裝層。

3.2 施工過程的模型模擬

根據地鐵站聯絡線基坑施工的順序,對地鐵站聯絡線基坑群的施工過程進行模擬,共設置八種施工工況,施工過程模擬見圖5所示。

工況1:匝道橋橋梁+墩柱樁基、雙線沈大高鐵路基的原始地貌,模型見圖5(a)。

工況2:基坑開挖邊壁墻,施工冠梁,模型見圖5(b)。

工況3:基坑邊壁擋土墻施工,墻體采用鉆孔灌注樁,模型見圖5(c)。

工況4:左線基坑施作第一排錨桿;右線箱通,一級放坡施作兩排錨桿,施作與冠梁鉸接橫撐,模型見圖5(d)。

工況5:左線基坑施作第二排錨桿開挖;中部基坑施作第一排錨桿開挖;右線二級放坡施作第一排土釘,模型見圖5(e)。

工況6:基坑分別開挖至底部。左線基坑施作第三排錨桿;中部基坑施作二排錨桿;右線基坑施作二、三排土釘,模型見圖5(f)。

工況7:基坑底部碎石墊層、素混凝土找平,待混凝土強度達到70%以上時,進行鋼筋混凝土結構箱通施工,模型見圖5(g)。

工況8:首先進行箱通防滲,部分回填砂土至箱通頂板,其次進行橫撐拆除,最后回填砂土至原始地貌,模型見圖5(h)。

圖5 施工過程模擬Fig.5 Construction process simulation

4 聯絡通道工程力學特性

將聯絡線車站土體回填完成后,聯絡線基坑開挖之前的位移清零,主要分析聯絡線工程的力學特性,并研究地鐵站聯絡線對鄰近橋梁、高鐵路基工程的穩定性影響。

4.1 地下水滲流

地下水水頭等值線分布云圖、地下水滲流矢量圖如圖6所示。

由圖6可知,橫撐拆卸、砂土回填后的地下水水頭最大值為53.5 m,滲流最大值為0.741 1 m/d,地下水對基坑開挖影響較小。

4.2 基坑位移變形

左線、中部、右線基坑邊壁墻在不同施工工況下的增量位移變化情況見圖7。

圖7 邊壁墻增量位移Fig.7 Incremental displacement of the side wall

由圖7可知,基坑群施工過程中左線基坑邊壁墻整體位移增量值大于中部基坑和右線基坑。這是由于基坑開挖深度越大,自身結構變形及對周圍土體產生的變形影響越大?；拥?步開挖時,基坑邊壁墻的增量位移減小,這是由于施作錨釘桿對基坑起到一定的加固作用?；拥?、4步開挖基坑邊壁墻的增量位移明顯加大,這兩階段的變化是由于基坑的進一步開挖導致變形突然加大,應注意加固支護方案的設計合理性,加強安全監測。鋼筋混凝土結構箱通和砂土回填階段增量位移減小,說明基坑群施工對周圍土體變形影響逐漸達到安全的穩定狀態。

根據數值模擬結果,統計基坑邊壁墻在各個施工階段的位移增量最大值見表4。

表4 邊壁墻位移增量Table 4 The incremental displacement of the wall

由表4可知,第4步開挖基坑,左線基坑邊壁墻位移增量值最大,達11.28 mm。施工結束邊壁墻橫向位移最大值為31.55 mm,小于變形限值40 mm,基坑自身變形相對穩定。

分析砂土回填至原始地面施工階段位移變形特征,變形總位移云圖如圖8所示。

由圖8可知,基坑周圍土體向中部方向擠壓并呈下沉趨勢,導致基坑周圍地表沉降及底部土體隆起。這是由于基坑開挖過程中產生臨空面,應力得到釋放,支護結構的周圍發生卸荷作用[20]?；舆叡趬ο蚩觾劝l生側向位移。這是由于墻外側土體的靜止土壓力逐漸轉化成主動土壓力,使支護結構向基坑內側發生水平位移。

圖8 總位移分布云圖Fig.8 Contour distribution cloud map of total displacement

4.3 有效應力相對剪應力

剪切應力主要集中在橋梁中部、鄰近基坑橋樁的樁頂和樁身、高鐵路基?；拥?、4步開挖,其相對剪應力云圖見圖9。

圖9 相對剪切應力等值線分布云圖Fig.9 The cloud map of relative shear stress contour distribution

由圖9可知,當基坑第3步開挖完成后進行基坑第4步開挖,相對剪切應力最小值由0.752 1×10-3變為1.851×10-3,因此施工中要加強這一階段基坑邊壁、橋梁樁、高鐵路基等結構安全監測。

4.4 匝道橋受力變形

車站側方樁距結構軸線的水平距離不超過B+4.0H,應考慮土體水平變形引起的附加內力和變形[2]。各施工階段橋樁橫向增量位移、縱向增量位移變形最大值見表5。

表5 橋樁增量位移最大值Table 5 Maximum displacement of bridge piles

由表5可知,橋樁橫向增量位移最大值為7.22 mm,縱向增量位移最大值為2.48 mm。根據模型,將匝道橋橋樁從左到右排序,序號參見圖4。分析7根橋樁在不同工況下最大橫向、縱向增量位移值變化。根據匝道橋橋樁變化趨勢分析其受力變形特征。

模擬7個橋樁在不同工況下縱向增量位移情況見圖10。由圖10可知,基坑群開挖支護過程中,橋樁變形呈“M”趨勢。隨著基坑開挖深度增加,橋樁的橫、豎向增量位移逐漸增大。這是由于開挖前期土體卸荷量較小,隨著基坑開挖深度的加大,土體卸荷量增加,橋樁位移變形隨之加大?；拥?步開挖時,橋樁的橫、縱向位移值均減小。但隨著基坑開挖深度的增加,基坑第4步開挖時橋樁的橫向、縱向位移值在所有施工段中達最大。鋼筋混凝土結構箱通施工時,基坑變形達穩定狀態,增量位移逐漸減小。

圖10 橋樁橫、縱向增量位移變化圖Fig.10 The incremental displacement of bridge piles in transverse and longitudinal directions

據《城市軌道交通工程監測技術規范》和《建筑樁基技術規范》規定,結合已有類似工程,參考研究文獻確定的橋樁變形各項目預警值見表6。

表6 橋樁變形監測項目及其預警值Table 6 Deformation detection of bridge piles and warning values

在所有樁中,橋樁2的橫向增量位移明顯大于其他橋樁,橋樁2、3、4縱向增量位移明顯大于其他橋樁,說明基坑群的開挖使周圍土體向坑內擠壓,具體分析最后一個計算工況的橋樁受力變形情況。砂土回填施工完成時橋樁變形特征見圖11。

圖11 橋樁橫向/縱向變形Fig.11 The lateral/longitudinal deformation of bridge pile

聯絡線基坑開挖面以上的土體為雜填土和黏土?；娱_挖過程中,坑內土體卸荷,橋樁變形呈“魚腹”狀。由圖11可知,左線基坑放坡坡度較小,基坑深度最大,其左側鄰近橋樁的橫向位移變形最大,最大值為11.37 mm,縱向最大沉降值為11.24 mm。并且鄰近基坑的橋樁出現豎向沉降,豎向沉降由基坑群中部向外逐漸減小。

橋樁的軸力、彎矩情況見圖12。由圖12可知,匝道橋橋樁所受基坑開挖影響的范圍主要集中于樁身;離基坑群較近的橋樁的所受壓力明顯大于離基坑群較遠的橋樁,這是由于土體開挖,使橋樁身受到的負摩阻力加大,導致樁的沉降加大、承載力降低。彎矩最大值為17 kN·m,彎矩較大部位集中在:①樁頂，這是由樁頂固定約束的變性協調作用效應造成。②開挖面處，這是由于土體卸荷變形造成的。③雜填土與風化石灰巖的分界面處，這是由于土層交界面處模量發生突變?；邮┕ろ氈攸c監測彎矩最大值集中處,并采取相應的預防措施[12]。

圖12 橋樁軸力和彎矩圖Fig.12 The axial force and bending moment of bridge pile

橋樁所受的軸力與彎矩分布比較對稱,并沿著樁身逐漸向兩端減小。說明基坑群開挖對土體以及結構的影響是可以預測的。

4.5 高鐵路基受力變形

通過分析不同工況下高鐵路基的增量位移分析高鐵路基受力變形情況,其增量位移變形圖見圖13。

圖13 高鐵路基增量位移變化Fig.13 Incremental displacement of high railway foundation

由圖13可知,高鐵路基增量位移在基坑第4步開挖時達到最大值0.754 mm,施工結束時豎向沉降最大值為3.2 mm。根據我國《鐵路線路維修規則》和《城際鐵路設計規范》規定,符合設計要求。路基變形限值情況如表7所示。

表7 路基變形限值Table 7 Deformation limits of the foundation mm

5 結 論

(1)基坑開挖過程中,其左線基坑為最深基坑,并且放坡坡度最小,變形最大。應注意加強安全監測和支護加固。

(2)基坑開挖過程中基坑邊壁墻橫向位移最大值為31.55 mm,橫向增量位移最大值出現在基坑第4步開挖,為11.28 mm。開挖后,應力得到釋放,沿支護結構水平方向產生卸荷作用,但基坑自身變形相對穩定。

(3)聯絡線工程施工過程中,橋樁增量位移橫向最大值為7.22 mm,縱向最大值為2.48 mm。施工結束時橋樁的橫向位移最大值為11.37 mm,豎向沉降最大值為11.24 mm,均已經達到預警值10 mm。高鐵路基豎向沉降最大值為3.2 mm,滿足設計及規范的要求。因此,在地鐵站聯絡線基坑施工前應對匝道橋橋樁做好加固防護措施。

(4)該聯絡線基坑群開挖施工模擬結果符合工程實際,能夠為類似工程提供參考價值。