排洪渠開挖對地鐵橋墩結構影響的三維數(shù)值模擬

韓國軍

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東廣州 510230)

引言

本文主要研究河道開挖對地鐵橋墩水平變位的影響，考慮六種不同型式的地鐵橋墩保護結構方案，利用PLAXIS 3D 三維巖土有限元分析軟件建立空間三維有限元數(shù)值模型分析研究，得到較合適的地鐵橋墩保護結構方案，為工程設計提供依據(jù)。

近年來，隨著城市的快速發(fā)展，城市內(nèi)的各類工程建筑物之間存在著諸多交叉影響。河道、排洪渠和基坑開挖過程中，很有可能造成鄰近建筑物的變位或失穩(wěn)，因此城市內(nèi)河道、排洪渠和基坑開挖工程一直備受工程界的關注，國內(nèi)相關學者對該此做了很多深入的研究。邱超[1]運用Abaqus 數(shù)值分析軟件研究了河道開挖對鄰近橋墩樁基的影響，對樁基變形作了初步的預估，并給出了合理的樁基監(jiān)測變形控制值；鄒佳成[2]采用數(shù)值模擬方法，模擬排洪渠的施工過程，分析其邊坡抗滑穩(wěn)定性及對臨近高速公路的影響；邢玉芳[3]通過Abaqus 有限元模擬分析了下穿河道開挖對上部地鐵高架的影響，并通過對比同類工程監(jiān)測資料，驗證了有限元分析的有效性；李濤[4]從施工、運營方面以及河道開挖等工程活動方面闡述和分析該近海橋梁樁基偏位的原因；段書龍[5]通過有限元仿真模擬，計算對比河道邊坡開挖和橋梁基礎施工順序?qū)蛄簶痘氖芰Y果，確定河道邊坡開挖對不同橋梁結構類型的影響程度；李梅芳[6]通過理論分析和數(shù)值模擬方法，分析計算了河道開挖對橋梁樁基和匝道路基的影響進，提出了河道開挖的施工工序優(yōu)化方案及加固措施。

本文主要研究排洪渠開挖對地鐵橋墩水平變位的影響，考慮六種不同型式的地鐵橋墩保護結構方案，利用PLAXIS 3D 三維巖土有限元分析軟件建立空間三維有限元數(shù)值模型分析研究，得到較合適的地鐵橋墩保護結構方案，為工程設計提供依據(jù)。

1 工程概況

由于某人工島的建設堵塞了排洪渠的入?？冢瑢е屡藕榍嫌蝸硭疅o法順利下泄至海里，使得城市防洪排澇有較大的安全隱患，一旦進入汛期，將嚴重影響城市防洪安全。經(jīng)深入研究后決定排洪渠改線，為滿足排洪渠寬度要求，排洪渠東側邊線距離地鐵橋墩的距離不宜超過8 m，排洪渠底標高宜開挖至-4.0 m，否則將會影響排洪渠的泄洪量，對上游城市形成內(nèi)澇的隱患。由于排洪渠開挖，將導致正在運營的地鐵橋墩結構的單側卸載，形成了單側土壓力對橋墩的水平作用，因此必須對地鐵橋墩進行保護，保證其安全運營。

2 設計方案

本文用六種不同地鐵橋墩結構保護方案進行比選，設計斷面如圖1～圖6 所示。

圖1 結構方案一斷面圖

圖2 結構方案二斷面圖

圖3 結構方案三斷面圖

圖4 結構方案五斷面圖

圖5 結構方案四斷面圖

圖6 結構方案六斷面圖

2.1 結構方案一

采用排樁結構對排洪渠開挖側進行永久性防護，兼做排洪渠岸壁，排樁結構距離橋墩墩臺邊緣8 m，排樁前采用水泥土攪拌樁地基處理。排樁結構采用灌注樁和高壓旋噴樁組合型式，灌注樁樁徑1.0m，樁間距1.2 m，灌注樁之間采用高壓旋噴樁形成封閉，水泥土攪拌樁按格柵狀布置。

2.2 結構方案二

排樁結構距離橋墩墩臺邊緣距離30 m，其余同結構方案一。

2.3 結構方案三

排樁結構后方陸域標高卸載至0 m，其余同結構方案一。

2.4 結構方案四

橋墩墩臺后方采用直徑1 m 間距1.2 m 的灌注樁作為錨碇樁，距離前排樁結構60 m，兩者通過鋼拉桿連接。錨碇樁前同樣進行水泥土攪拌樁處理，處理方式同前排樁，其余同方案一。

2.5 結構方案五

采用雙排樁承臺結構，外側灌注樁樁徑1.0 m，樁間距2.4 m，內(nèi)側為灌注樁和高壓旋噴樁組合的排樁結構，頂部澆筑鋼筋混凝土承臺連接，內(nèi)側排樁結構到橋墩墩臺邊緣距離8 m，其余同方案一。

2.6 結構方案六

橋墩墩臺四周采用圍樁結構進行防護，橋墩陸側采用連續(xù)排樁結構形成排洪渠岸壁。圍樁中心線距離橋墩墩臺邊緣距離8 m，橋墩陸側排樁中心距離橋墩墩臺后邊緣25 m，其余同方案一。

由于排洪渠岸壁外側臨海，本文計算波高3.7 m，周期6.8 s，波長49 m，計算水位采用設計低水位-1.49 m，剩余水壓力考慮設計高、低水位差。主要土體參數(shù)見表1，水泥土攪拌樁處理后的復合地基參數(shù)見表2。

表1 土體物理力學指標

表2 復合地基參數(shù)指標

3 數(shù)模分析

3.1 模型建立

本文采用PLAXIS 3D 建立三維有限元數(shù)值模型。土體采用實體模型模擬，其本構模型選用Hardening soil model 模型，灌注樁和高壓旋噴樁組合排樁結構采用板單元模擬，其與土的相互作用采用Goodman 接觸界面單元模擬，鋼拉桿采用一維線性桿單元模擬，橋墩墩臺采用實體模型模擬，其本構模型選用線彈性模型，單根灌注樁結構及橋墩樁基結構采用嵌入式樁單元模擬。四個側面為法向約束邊界條件，底面為固定邊界條件，頂面為自由邊界條件。結構方案數(shù)值模擬具體施工步如下：1）初始地應力平衡；2）水泥土攪拌樁地基處理；3）施工排樁結構等；4）排樁結構前后開挖至標高0.0 m（僅結構方案三）；5）排樁結構前側開挖至標高-4.0 m；6）施加使用期荷載。

3.2 模擬結果分析

圖7～圖18 分別為結構方案一～結構方案六整體水平變位圖和橋墩水平變位圖。

圖7 結構方案一整體水平變位圖

圖8 結構方案一橋墩水平變位圖

圖9 結構方案二整體水平變位圖

圖10 結構方案二橋墩水平變位圖

圖11 結構方案三整體水平變位圖

圖12 結構方案三橋墩水平變位圖

圖13 結構方案四整體水平變位圖

圖14 結構方案四橋墩水平變位圖

圖15 結構方案五整體水平變位圖

圖16 結構方案五橋墩水平變位圖

圖17 結構方案六整體水平變位圖

圖18 結構方案六橋墩水平變位圖

結構方案一排樁結構距離橋墩太近，排洪渠開挖對橋墩的變位影響較大，從圖8 可見橋墩最大水平變位為41.15 mm。結構方案二排樁結構遠離橋墩，排洪渠開挖對橋墩的變位影響較小，從圖10可見橋墩最大水平變位為16.38 mm，但縮小了排洪渠寬度，對排洪渠排洪影響較大。結構方案三通過減小排樁前后土體高差，從而減小了墻后土體主動土壓力，從圖 12 可見橋墩最大水平變位為19.10 mm，但卻從整體上降低了后方陸域的標高，對陸域的使用造成一定影響。結構方案四采用灌注樁作為后錨碇樁，通過錨碇結構約束前排樁結構，從圖14 可見橋墩最大水平變位為27.92 mm，但拉桿需穿越橋墩區(qū)域，且錨碇樁前側的水泥土攪拌樁地基處理離橋墩太近，施工難度較大。結構方案五采用加強排樁整體剛度的思路，且前排灌注樁結構透空，可減小對排洪渠寬度的影響，從圖16 可見橋墩最大水平變位為37.73 mm，說明加強整體剛度對橋墩變形的控制有限。結構方案六橋墩最大水平變位為3.5 mm，該方案對橋墩變位的影響較其他方案最小，且增加了排洪渠寬度，但每個橋墩需要采用圍樁結構防護，工程費用較高，且占用了一定的陸域。

4 結論

本文考慮六種地鐵橋墩保護結構方案，采用PLAXIS 3D 三維巖土有限元分析軟件模擬排洪渠開挖對地鐵橋墩的變位的影響，得到如下結論：1）排洪渠開挖邊線離橋墩較近時，對橋墩變位的影響較大；2）排洪渠開挖邊線遠離橋墩，可較好地控制橋墩變位，在滿足行洪要求的前提下可適當壓縮排洪渠寬度來保證橋墩結構的安全；3）橋墩保護結構后方卸載可較好地控制橋墩變位，但從整體上降低了后方陸域的標高，對陸域的使用造成一定影響；4）橋墩保護結構后方錨碇措施對橋墩變位控制效果一般，且施工難度較大；5）加強橋墩保護結構剛度對橋墩變位控制效果不佳；6）采用圍樁結構對橋墩進行保護可較好地控制橋墩變位，并且不占用排洪渠寬度，但工程費用較高。