基坑开挖对高铁桥墩位移影响的有限元分析

赵 娜

(中铁上海设计院集团有限公司南京设计院 南京市 210000)

随着铁路网的逐步完善，临近高铁桥墩的基坑开挖也逐渐增多。基坑开挖导致周围土体产生位移，进而引起临近高铁桥梁的桩身、承台及桥墩产生位移。当位移大到一定的数值时，将直接影响铁路运营的安全性和舒适性。基坑开挖对临近建筑物的影响，已经引起了工程界的重视[1-5]，因此，探讨基坑开挖施工对临近高铁墩的位移影响可为相关实际工程提供一定的理论依据，很有实践意义。

本文以实际工程为背景，对比分析了同一基坑开挖对不同距离的高铁桥墩的横桥向、顺桥向和沉降方向的位移影响，研究结果可为同类工程设计及施工提供重要参考。

1 工程简介

本工程基坑开挖平面为13.0m×13.0m，开挖深度为4m，沿基坑四周封闭施打桩长为9m的IV型拉森钢板桩支护，距支护顶缘0.5m处沿横桥向均匀设置一道3根钢横撑，横撑采用圆柱型、中空的Ф609mm钢管。既有高铁承台尺寸为10.08m×7.3m×2.5m，承台顶距地面线距离为0.5m；既有桩基采用10根Ф1m钻孔桩，桩长为35m。为了对比分析，基坑边缘距既有高铁承台尺寸n分别取1m、3m、5m、7.5m、10m、15m、20m、25m、30m。

土层计算参数结合工程的地质勘察报告和相关的工程经验按表1进行取值。

2 基坑围护结构稳定性的验算

MIDAS GTS有限元软件模拟基坑开挖是基于基坑围护结构自身稳定性满足规范要求的前提，即基坑支护体系有效的前提，因此先对基坑自身稳定性进行分析。

表1 土层参数表

采用理正深基坑软件模拟基坑开挖施工过程，采用《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012)规范进行验算，基坑围护结构安全等级为一级。主要验算基坑整体稳定性、抗倾覆稳定性、围护结构内力和变形，本文基坑稳定性计算过程省略，在此，仅列出计算结果。

表2 基坑围护结构稳定性验算汇总

由表2可知，基坑围护结构自身稳定性是满足规范要求的。

3 基坑开挖对既有桥墩的有限元分析

3.1 有限元模型建立

就基坑开挖问题，国内外应用较多的研究方法是有限元法，该方法可以用于求解非线性问题，可在计算过程中模拟各种复杂的材料本构关系，易于处理非均匀介质问题、模拟各向异性材料，能够适应各种复杂的边界条件。

采用有限元计算软件MIDAS GTS建立三维模型进行数值计算分析。模型中土体的本构模型采用莫尔-库伦模型，土层计算参数结合工程的地质勘察报告和相关的工程经验按表1进行取值。桩土相互作用采用界面单元处理。土层模型底部施加竖向滑动约束，两侧施加水平滑动约束，模型表面为自由边界。结合土层特点及施工经验，以考察基坑开挖施工对既有高铁桥墩的横桥向(既有高铁桥)、顺桥向和沉降方向的位移影响。本文仅对n取10m的有限元结果进行展示，对n取1m、3m、5m、7.5m、10m、15m、20m、25m、30m的有限元计算结果用于对比分析。

3.2 有限元施工模拟

根据已有文献和工程经验，当土体计算模型平面尺寸与结构平面尺寸之比大于3～5时，边界效应的影响已经很小，因此计算模型(n取10m)在顺桥向(X方向)取95m，横桥向(Y方向)取113m，沉降方向(Z方向)取65m。

为了综合考虑具体的施工状态，最大限度地模拟工程实际情况，在MIDAS GTS有限元软件中通过激活桩墙，冻结开挖范围内土体单元，模拟基坑开挖过程：步骤一：初始地应力平衡；步骤二：施打钢板桩+基坑土体至第1道支护+内撑；步骤三：基坑土体开挖至坑底。

3.3 有限元计算结果

图4～图9为n取10m时第1次开挖和第2次开挖桥墩X向、Y向和Z向的位移云图。从图中可以看出第1次基坑开挖X向最大位移发生在靠近基坑侧承台位置，为1.8036×10-5m；Y向最大位移发生在承台下缘位置，为4.7914×10-4m；Z向最大位移发生在远离基坑侧承台位置，为-3.3524×10-4m。第2次基坑开挖X向最大位移发生在靠近基坑侧承台位置，为8.7185×10-6m；Y向最大位移发生在桥墩墩顶位置，为1.7979×10-3m；Z向最大位移发生在靠近基坑侧承台位置，为1.1214×10-3m。

3.4 不同距离的计算结果对比分析

基坑边缘距既有桥墩承台边缘的距离n依次取1m、3m、5m、7.5m、10m、15m、20m、25m、30m，分别建立相同施工步骤的有限元模型，对第1次开挖和第2次开挖引起的桥墩最大顺桥向(X方向)、横桥向(Y方向)、沉降方向(Z方向)位移进行对比分析，绘制出其位移变化曲线如图10～图12。

可以看出，随着基坑距既有桥墩距离的增大，基坑开挖对既有铁路桥墩各方向位移的影响逐渐减小，其计算结果可以真实地反映基坑工程的实际情况；基坑开挖对横桥向(Y方向)、沉降方向(Z方向)位移的影响明显大于对顺桥向(X方向)位移的影响；面积为13m×13m、深4m的基坑，距既有桥墩距离大于15m时，桥墩各方向的位移小于1mm，可以认为此时基坑开挖对桥墩基本无影响。

4 结论

主要对比分析了面积为13m×13m、深4m的基坑距既有桥墩不同距离时引起既有桥墩的位移变形影响，从计算结果对比分析中可以看出：基坑开挖对横桥向(Y方向)、沉降方向(Z方向)位移的影响明显大于对顺桥向(X方向)位移的影响；面积为13m×13m、深4m的基坑，距既有桥墩距离大于15m时，桥墩各方向的位移小于1mm，可以认为此时基坑开挖对桥墩基本无影响。

随着基坑面积的增大、基坑深度的加深对既有桥墩产生的位移影响，以及不同基坑支护刚度及不同土层参数等对位移变形的影响，笔者将在后续进一步研究。