上跨鐵路轉(zhuǎn)體橋梁主墩基坑施工對周邊土體的影響

譚生永

(中國鐵路濟南局集團有限公司,濟南 250001)

隨著我國交通基礎設施的快速發(fā)展,鐵路線與公路線交叉穿越的情況愈來愈多,這給鄰近既有鐵路施工帶來極大困難。 穿越鐵路主要有上跨和下穿2 種施工方案,上跨方案可以避免對鐵路路基直接擾動,有利于維護鐵路安全。 其中,上跨方案中的轉(zhuǎn)體施工法可以有效避免橋梁施工對既有鐵路正常運營的影響,成為現(xiàn)階段備受推崇的施工方法[1]。 然而,轉(zhuǎn)體橋梁主墩下部結(jié)構(gòu)相對復雜,承臺、球鉸系統(tǒng)和上轉(zhuǎn)盤3 個主要組合結(jié)構(gòu)體積龐大,導致基礎施工時基坑范圍廣、深度大。 深基坑施工必然導致鄰近土體產(chǎn)生水平位移和豎向變形,若影響范圍延伸至鐵路附近,會引起路基的附加受力和變形,嚴重時會導致路基沉降破壞。

一般情況下,對于有外傾結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡以及土質(zhì)邊坡,邊坡開挖后,不應使構(gòu)筑物基礎置于有臨空且外傾軟弱結(jié)構(gòu)面的巖體上和穩(wěn)定性極差的土質(zhì)邊坡滑塌區(qū)。 任彥華等借助三維有限元軟件,研究空間效應對深基坑支護擋墻內(nèi)力的影響,為支護設計工作提出了優(yōu)化建議[2];禚一等基于實體數(shù)值模型分析框構(gòu)橋施工對高鐵的影響,并為高鐵工程建設提供一定的理論依據(jù)[3];張季如通過試驗確定用于邊坡開挖穩(wěn)定分析的計算參數(shù)并結(jié)合Janbu 普遍條分法對邊坡開挖的穩(wěn)定性進行評價[4];劉國彬等通過試驗研究,得出開挖卸載下土體的強度變化以及對被動區(qū)土壓力的影響[5]。 而對于基坑邊坡滑塌區(qū)的范圍并未有明確的分析,故有必要對主墩基坑施工引起的邊坡滑塌區(qū)位置及土體變形規(guī)律進行深入研究。

主墩深基坑開挖卸荷會引起坑底土體產(chǎn)生向上位移,若基坑底處于不良地質(zhì)層,易產(chǎn)生嚴重隆起,進而導致附近土體發(fā)生較大位移。 由于橋梁跨徑控制,鐵路路基通常處于基坑施工影響范圍內(nèi),基坑底土體位移對鐵路路基的擾動不容忽視。 胡琦等將樁、土勻質(zhì)化后,得到一種復合地基模型參數(shù)的求解方法,并以此方法研究地下結(jié)構(gòu)中的樁土作用[6];楊進等通過群樁模擬實驗,研究群樁條件下的樁-土作用問題,得出群樁作用對土應力場的影響關系[7];王成華闡述樁土之間的受力關系[8]。

利用有限元分析軟件MIDAS-GTS NX,建立包含鐵路路基、防護樁、工程樁等構(gòu)件的基坑開挖三維有限元模型,研究基坑施工時周邊土體豎向位移隨其與基坑邊緣距離的變化規(guī)律,分析主墩處樁身承載狀況及樁對基坑底部土體隆起的抑制作用。

1 工程簡介

某城市公路轉(zhuǎn)體橋上跨京滬上下行線、泰肥線等6 條鐵路線,左右兩幅橋梁轉(zhuǎn)體墩基坑邊緣與鐵路中心線最近距離分別為7.34 m 和8.94 m,開挖深度為12 m,平行鐵路方向長20.75 m,垂直鐵路方向長14.75 m。 基坑四周設置鉆孔防護樁,φ1.25 m,間距1.5 m,樁頂設1.25 m×0.8 m 冠梁,防護樁內(nèi)側(cè)掛網(wǎng)錨噴C20 混凝土,防護樁由上至下共設置2 排內(nèi)撐。 轉(zhuǎn)體主墩承臺底部設置20 根鉆孔灌注工程樁,φ1 m,長20 m,基坑防護構(gòu)造及其與既有鐵路線位置關系見圖1。

根據(jù)地質(zhì)鉆探報告,轉(zhuǎn)體基坑處主要地層結(jié)構(gòu)組成描述如下。

雜填土:主要由磚頭、碎石、建筑垃圾以及黏性土等組成,松散。 該層分布不連續(xù),層厚1.30～9.80 m,層底高程 28.81～39.91 m。

粗砂:黃褐色,石英-長石質(zhì),亞角形,混粒結(jié)構(gòu),級配一般,充填少量黏性土,稍濕-濕,中密。 該層分布連續(xù), 層厚1.20 ～ 9.00 m, 層底高程24.74 ～32.30 m。

礫砂:石英-長石質(zhì),亞棱角形,混粒結(jié)構(gòu),級配良好,含少量圓礫,局部有粗砂、圓礫夾層,充填 15%左右的黏性土,濕-飽和,密實。 該層分布連續(xù),層厚3.30～11.00 m,層底高程19.29～26.55 m。

細砂:黃褐色,石英-長石質(zhì),均粒結(jié)構(gòu),級配差,充填 20%左右的黏性土,飽和,密實。 該層分布基本連續(xù),層厚0.80～8.40 m,層底高程10.26～21.49 m。

2 有限元模型及參數(shù)

2.1 模擬假定

利用有限元軟件MIDAS-GTS NX 進行模擬,在算例中,進行以下假定[9]。

(1)土體具有連續(xù)、均質(zhì)、各向同性。

(2)主墩、內(nèi)支撐、樁體(包括工程樁和基坑防護樁)按照線彈性本構(gòu)計算,土體為Mohr-Coulomb 本構(gòu)。

(3)樁-土之間采用軟件提供的樁界面單元模擬。

(4)不考慮地下水影響,按總應力法進行分析。

2.2 計算模型

采用Midas GTS NX 建立三維模型,為便于描述,首先給出計算模型中擬采用的坐標系:垂直于既有鐵路線方向為X軸,順既有鐵路線方向為Y軸,豎直方向為Z軸。 為消除計算邊界效應的影響,考慮施工過程中的空間效應,模型沿X方向取100 m,沿Y方向取100 m,土層總深度為50 m,土體模型見圖2。

圖2 土體模型

根據(jù)地質(zhì)資料,將地面以下劃分為4 層,土層參數(shù)見表1[10],樁基以及內(nèi)支撐等構(gòu)件參數(shù)見表2。 模型建模思路:首先建立各土層、既有鐵路線及軌道,將荷載加在軌道上,以此作為初始階段;然后建立基坑防護樁、轉(zhuǎn)體樁、基坑開挖土體、內(nèi)支撐、混凝土噴漿掛網(wǎng)等模塊,并根據(jù)施工階段激活或鈍化相應單元及荷載,計算快速路基坑開挖對既有鐵路基礎的影響。 模型中模擬形式如下[11-12]。

表1 土層參數(shù)(Mohr-Coulomb 本構(gòu))

表2 樁基、內(nèi)支撐等構(gòu)件參數(shù)(彈性本構(gòu))

(1)三維實體單元

土體、鐵路路基選用三維實體單元,選用6 節(jié)點構(gòu)成的四面體單元,此建模方法產(chǎn)生的位移和應力結(jié)果與實際情況較為接近。 實體單元僅有3 個平移自由度,沒有旋轉(zhuǎn)自由度。

(2)樁單元

樁選用的單元類型是MIDAS-GTS NX 中的梁單元,在三維實體模型中建立梁單元時,應考慮節(jié)點共享。 樁單元使用了嵌入式梁單元的方式,該單元由2 個節(jié)點構(gòu)成,屬于“棱柱狀三維梁單元”。

(3)二維單元

基坑內(nèi)側(cè)C20 混凝土掛網(wǎng)采用2D 板單元模擬。

(4)邊界條件

土體模型邊界選用地面支承邊界[13],即在左右邊界約束X方向的自由度,在前后邊界約束Y方向的自由度,在底面邊界約束Z方向的自由度,地面不約束自由度。 樁、冠梁、內(nèi)支撐等構(gòu)件的網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 基坑防護結(jié)構(gòu)模型

3 有限元分析

有限元分析過程與實際施工過程一致,具體劃分情況見表3。

表3 有限元分析

4 主要計算結(jié)果分析

4.1 基坑開挖階段地表沉降分析

工況5 下,轉(zhuǎn)體基坑開挖第二層土體時土體的豎向變形見圖4。 基坑中心線剖面(與鐵路線垂直方向)地表沉降計算值與實測值對比見圖5。

圖4 基坑開挖階段豎向變形(單位:m)

圖5 沉降計算值與實測值對比

由計算結(jié)果可知,工況4 和工況5 下,隨著與基坑邊緣距離的增大,地表沉降先逐漸增大,在約15 m 處達到峰值后逐漸減小,整體沉降形態(tài)呈明顯的拋物線形變化規(guī)律,計算值與實測值吻合較好。

為確保鐵路線安全,降低基坑施工對鐵路線的影響,應盡量避免將鐵路線置于基坑開挖引起的土體沉降拋物線峰值區(qū)域內(nèi)。 因此,在進行轉(zhuǎn)體橋設計時,建議進行相應地表沉降計算,若鐵路線位于土體變形峰值區(qū)域內(nèi),可通過加強基坑開挖支護、調(diào)整橋梁孔跨等方式優(yōu)化主墩基坑位置,以減少不均勻沉降對路基的影響。

4.2 主墩工程樁對基坑開挖的影響

圖6、圖7 分別為設置工程樁和無工程樁工況下坑底豎向位移沿基坑中心剖面發(fā)展形態(tài)的計算結(jié)果。在有支護的情況下,基坑側(cè)壁土體向坑內(nèi)偏移,偏中下位置偏移量大。 設置工程樁時,坑底土體無明顯隆起,最大隆起位移為8 mm,結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定;未設置工程樁時,坑底土體發(fā)生剪切破壞,產(chǎn)生明顯隆起,最大隆起位移為91 mm,且土體位移沿中心位置呈放射狀分布并逐漸減小。 設置工程樁工況下,坑底最大隆起位移較無工程樁工況降低91.3%。

圖6 有工程樁工況基坑坑底豎向位移(單位:m)

圖7 無工程樁工況基坑坑底豎向位移(單位:m)

2 種工況下,坑底隆起位移計算結(jié)果和設置工程樁工況實際監(jiān)測結(jié)果對比見圖8。 由圖8 可知,監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬計算結(jié)果吻合較好,驗證了數(shù)值計算模型的可靠性。 同時,可認為無工程樁工況的模型和計算結(jié)果均具有較好可信度[14-15]。

圖8 基坑隆起位移對比

工程樁位于基坑底部,工況5 中,其豎向位移及豎向應力計算結(jié)果分別見圖9、圖10。 由計算結(jié)果可知,基坑開挖時,工程樁整體發(fā)生向上位移,且由基坑中心向邊緣方向樁基的豎向位移量呈遞減趨勢,基坑中心位置樁豎向最大位移為4.2 mm,基坑邊緣位置樁的最大位移為0.35 mm;樁身整體承受拉應力,隨著埋深的增大拉應力逐漸增大,樁頂承受最大拉力為99.85 kN,約為樁底承受最大拉力1 196.66 kN 的1/12。

圖9 工程樁豎向位移(單位:m)

圖10 工程樁豎向應力(單位:kN)

綜上,基坑開挖過程中,土體卸荷引起坑底土體向上位移,工程樁的擠密作用對基底土體隆起有明顯的抑制效應,使得臨近土體的位移減小,有效控制了基坑開挖對周邊土體的影響,進而降低土體波動范圍內(nèi)鐵路路基沉降破壞的風險。 由此針對轉(zhuǎn)體主墩基坑施工提出以下建議。

(1)在跨鐵路轉(zhuǎn)體橋主墩基坑施工過程中,應盡量優(yōu)先施工工程樁,再開挖基坑,如果因開挖空間受限等因素導致無法先施工工程樁,應加強基坑防護并對基坑及周圍土體位移實施嚴密監(jiān)測,若有異常變形及時采取應對措施。

(2)基坑開挖過程中,由于樁身軸向拉力隨著埋深的增大逐漸增加,工程樁底部鋼筋不能過少,素混凝土段長度應滿足規(guī)范要求,以避免樁體在承受軸向拉力時出現(xiàn)斷樁現(xiàn)象。

5 結(jié)語

(1)基坑施工時,周邊土體豎向位移隨其與基坑邊緣距離的增加呈現(xiàn)拋物線變化,故應盡可能避免既有鐵路位于拋物線頂點附近,可通過加強基坑開挖支護、調(diào)整橋梁孔跨等方式優(yōu)化主墩基坑位置,以減少不均勻沉降對路基的影響。

(2)設置主墩工程樁時,樁底處土體豎向位移均勻,結(jié)構(gòu)形式安全穩(wěn)定;未設置工程樁時,樁底土體位移沿中心位置呈放射狀分布并逐漸減小,土體易發(fā)生剪切破壞、產(chǎn)生隆起。 因此,主墩工程樁對基坑底部隆起有顯著抑制作用,應盡量完成工程樁施工后再開挖基坑,或加強監(jiān)測或基坑防護,防止變形異常。

(3)基坑開挖時,工程樁整體發(fā)生向上位移,由基坑中心向邊緣方向上樁基的豎向位移量呈遞減趨勢;樁身整體承受拉應力,隨著埋深的增大,拉應力逐漸增加。 因此,工程樁底部鋼筋不宜過少,素混凝土段長度應滿足規(guī)范要求,以避免樁體在承受軸向拉力時出現(xiàn)斷樁現(xiàn)象。