地下車站基坑開挖結(jié)構(gòu)回筑對鄰近國鐵橋梁影響的有限元分析

程濟凡

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430000）

某綜合交通樞紐工程，地下車站需從國鐵橋梁的兩個孔跨橋墩間橫穿通過。因地下車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)距離國鐵橋梁樁基礎(chǔ)極近，可能因基坑開挖導(dǎo)致土體位移而對國鐵橋梁樁基產(chǎn)生不利影響。土體的水平位移可能導(dǎo)致樁身產(chǎn)生附加彎矩、應(yīng)力和位移，嚴(yán)重時將引起鄰近的橋梁樁基過量變形甚至破壞[1]。因此，研究基坑開挖和結(jié)構(gòu)回筑對鄰近橋梁樁基的影響是至關(guān)重要的。

文章對該工程中地下車站從基坑開挖到結(jié)構(gòu)回筑各階段進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬，研究其對鄰近橋梁橋墩承臺位移，樁基附加彎矩和位移的影響，以供設(shè)計、施工參考。

1 工程概況

某L型綜合交通樞紐工程，地下部分為新建地鐵車站，地上部分為國鐵站房，兩者合建。其中地下車站局部100 m長度范圍的結(jié)構(gòu)需從國鐵橋梁的兩個孔跨橋墩間橫穿通過。

地下站標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度30.2 m，端頭井深度31.2 m。根據(jù)地勘資料，場地內(nèi)大面積分布呈流塑—軟塑狀態(tài)的淤泥及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，層厚達(dá)18.6～23.3 m。綜合本站的特點、周邊環(huán)境、水文地質(zhì)條件和工程造價，本站基坑采用1.2 m厚地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的支護(hù)型式。標(biāo)準(zhǔn)段及端頭井均設(shè)置7道支撐，其中第一、二、四、五道為混凝土支撐，二、六道為鋼支撐 （另設(shè)一道鋼換撐）。

地下車站左右兩側(cè)均為國鐵橋梁承臺，承臺邊緣距地下連續(xù)墻外邊線距離僅為0.6 m，承臺寬度4.8 m，長度分別為9.5、17.9及30 m；橋梁承臺樁基距地下連續(xù)墻最近距離為1.1 m，樁徑1.0 m，樁長為62 m。地下車站與國鐵橋梁承臺樁基的關(guān)系圖如圖1、圖2所示。

車站及橋梁施工時序暫定為先開挖車站基坑，待車站底板封板后開始橋梁樁基承臺施工。

圖1 車站與橋梁承臺樁基關(guān)系平面示意圖

圖2 車站與橋梁承臺樁基關(guān)系剖面示意圖

2 三維有限元模擬

本計算采用midas gts NX軟件進(jìn)行三維有限元模擬，計算假定如下：（1） 地表和各層土均呈均質(zhì)水平層狀分布。（2） 土體為各向同性、連續(xù)的彈塑性材料，服從修正Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則[2]。（3） 圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體采用變形協(xié)調(diào)計算的方法。（4） 假定車站基坑開挖施工過程中，連續(xù)墻、樁基與周圍地基土體的接觸面間沒有相對滑動，接觸面間節(jié)點共同位移，以考慮它們之間的作用[3]。

模型采用六面體、四面體混合網(wǎng)格，巖土本構(gòu)模型采用各向同性摩爾庫倫模型，地下連續(xù)墻、混凝土及鋼支撐、橋梁樁基、承臺均采用線彈性模型進(jìn)行施工模擬。結(jié)構(gòu)整體三維模型如圖3所示。

圖3 整體三維有限元模型

計算共設(shè)置21道工況，工況過程如下：初始應(yīng)力分析 （模擬初始地應(yīng)力） →位移清零 （清除初始地應(yīng)力造成的土體位移） →施作地下連續(xù)墻→開挖土體2.5 m，施工第一道混凝土支撐→開挖土體5.5 m，施工第二道混凝土支撐→開挖土體5 m，施工第三道鋼支撐→開挖土體3.5 m，施工第四道混凝土支撐→開挖土體5 m，施工第五道混凝土支撐→開挖土體6 m，施工第六道鋼支撐→開挖至基底并施工車站底板→施工橋梁樁基、承臺、橋墩→位移清零 （清除前期開挖過程中造成的土體位移） →拆除第六道支撐→施作鋼支撐換撐→拆除第五道支撐→施工中二板→拆除第四、三道支撐→施工車站中一板→拆除第二道支撐→施工頂板→拆除第一道支撐。

3 計算模型驗證

為驗證計算模型的正確性，采用同濟啟明星軟件FRWS建立基坑的二維斷面模型，地連墻跨中水平位移值二維與三維計算結(jié)果如表1所示。

表1 地連墻跨中水平位移二維、三維計算結(jié)果 /mm

二維計算和三維計算的位移結(jié)果相近，可認(rèn)為三維模型的建模及計算是準(zhǔn)確可信的。

4 計算結(jié)果

車站施工引起的橋梁橋墩墩頂最大水平位移值如表2所示。

表2 車站施工引起橋墩墩頂最大水平位移值表 /mm

車站施工對橋梁樁基產(chǎn)生的附加彎矩值如表3所示。

表3 車站施工產(chǎn)生的橋梁樁基附加彎矩值表 /（kN×m）

從計算結(jié)果可知，地下車站施工時，橋梁承臺最大位移約為1.32 mm。橋墩墩頂最大水平位移約為6.97 mm，按《高速鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》 （TB 10752—2018） 條文，高速鐵路橋墩的施工容許偏差為20 mm，因此，地下車站施工引起的國鐵橋梁橋墩承臺位移滿足規(guī)范要求。同時產(chǎn)生的樁基附加彎矩值較小，橋梁樁基截面及配筋滿足受彎承載力要求。

5 結(jié)語

文章采用有限元分析方法，對地下站基坑開挖主體結(jié)構(gòu)回筑階段對鄰近國鐵橋梁樁基承臺的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬?？梢缘贸鲆韵聨c結(jié)論。

（1） 地下車站基坑及主體施工引起的橋梁承臺橋墩位移值較小。墩臺位移滿足相關(guān)規(guī)范要求。

（2） 車站施工產(chǎn)生的橋梁樁基附加彎矩較小，對橋梁樁基受力基本無影響。

（3） 待地下車站底板封板后開始橋梁樁基承臺施工的方案是可行的，同步施工可節(jié)省工期。

（4） 有限元軟件無法模擬基坑開挖土體擾動對巖土力學(xué)參數(shù)的影響，可在基坑底板封板后通過地質(zhì)勘探或其他手段，重新確定橋墩范圍內(nèi)巖土力學(xué)參數(shù)，并重新校核有限元計算結(jié)果。

文章的數(shù)值模擬方法及相關(guān)結(jié)論可為相關(guān)工程設(shè)計及施工提供一定的參考和借鑒。