某新建建筑对既有拱涵影响分析

左 利 兵

(中煤科工集团重庆设计研究院有限公司，重庆 400042)

0 引言

随着城市快速发展，建设用地日趋紧张，新建建筑与原有市政管网的冲突越来越凸显。如若处理不慎，将会对管网造成损坏，影响工程进度，严重的将会影响人民正常生活和城市运行秩序。尤其是当原管线位于填土内时，影响更为剧烈。如何减小甚至避免风险是当前工程中所亟待解决的问题。

拱涵作为一种拱式结构，利用其良好的抗压性能及泄水能力大特点，在城市排洪体系中得到广泛的应用。相关研究表明，加筋可改变涵顶上方填土应力分布，柔性填料、先填后挖法等可有效减小涵顶土压力[1，2]；增加拱的厚度、增大基坑开挖深度及减小拱的跨度及净高，可以有效提高工程保护效果[3]。但当拱涵已经形成，后期施工活动中如何对其进行保护、减小影响作用是所要面临的问题。

本文采用数值分析研究方法，结合一具体工程实例，对新建建筑采用大直径桩转换结构跨越原有市政排洪拱涵，探讨了该种方式的可行性及其处理效果，为今后类似的工程提供一定的参考。

1 工程概况

1.1 概况

新建项目共包含G1号～G4号四栋高层建筑及地下车库、商业，建设场地位于已有市政排洪管线范围内。新建建筑为框架剪力墙结构，采用桩基础。排水拱涵整体位于填土内，拱涵断面为直墙圆拱型，基础底板及涵台均为C20混凝土，拱圈为C30混凝土，拱圈两侧为M7.5水泥砂浆砌片石，拱涵基础以下填充部分为换填片石。市政排水拱涵工程已于2012年9月完成竣工投入使用。新建项目与市政排水拱涵的位置关系见图1，其中与排洪拱涵有直接影响的为新建G3号、G4号楼。

1.2 地质情况

排洪拱涵位于填土内，其中G3号楼位置处排洪拱涵地基换填地层片石坐落于基岩上，G4号楼位置处排洪拱涵在回填土中穿过。G3号楼拱涵顶部距离地面约18 m，G4号楼拱涵顶部距离地面约16 m，根据JTG D70—2004公路隧道设计规范[4]判定穿越本项目场地的排水拱涵围岩等级为Ⅴ类。

1.3 设计方案

排洪拱涵的存在直接影响拟建项目基础布置。根据保护方案设计采用跨越结构，在排洪拱涵两侧布置大直径跨越桩，桩与桩之间由承台梁连接，形成刚度较大的承台梁平台跨越排洪拱涵，对拱涵保护距离上部的竖向构件进行转换，如图2所示。

1.4 风险源分析

排洪拱涵已于2012年竣工投入使用，目前由于地形及周边环境的变化，其作用已减弱，但仍保留存在。拟建项目实施过程中首先为基坑开挖，然后修建裙楼及塔楼，对排洪拱涵的影响为先卸载后加载的过程，风险源主要有：

1)拟建项目分布有地下车库，基坑开挖过程卸荷会导致排洪拱涵产生向上的竖向位移，若变形较大可能会影响排洪拱涵结构安全与运营安全。

2)基坑开挖过程中，排洪拱涵结构部分区域围岩压力可能产生变化。

3)基坑开挖及结构加载可能导致拱涵产生偏压，产生不均匀沉降，对拱涵受力产生不利影响。

4)基坑开挖及主体结构加载，可能导致拱涵周边产生新的塑性区，影响拱涵稳定性。

5)裙楼及塔楼完成以后建筑附加荷载可能会导致隧道结构及围岩内力变化，影响其结构安全与正常使用。

2 数值模拟

2.1 分析模型

利用Midas/GTS有限元软件建模分析，岩土体采用平面应变单元，视为Mohr-Coulomb弹塑性材料，桩、梁及拱涵混凝土结构采用线弹性模型[5]。综合考虑建筑荷载对拱涵的有效影响范围及边界效应影响，计算模型范围向两侧及底部扩展,有限元分析模型见图3。

2.2 参数取值

根据地质勘察资料及排水拱涵竣工资料，数值分析岩土体力学参数取值见表1。

表1 岩体物理力学参数计算值

数值分析荷载条件根据设计单位提供的基础平面布置图及荷载值，大直径跨越桩基础荷载分别包含轴力、弯矩、剪力，内力见表2。

表2 跨越桩的基础内力

3 结果分析

按项目修建顺序，在拱涵存在的情况下模拟场地平场、基坑开挖及建筑物基础加载等工况。第一步模拟拱涵存在时的初始状态。拟建项目实施前排水拱涵已正常运行数年，填土固结沉降已基本完成。第二步模拟基坑开挖。基坑开挖岩土体将发生回弹变形，引起围岩周边岩土体应力发生变化。第三步模拟建筑物基础加载。随着地上部分的逐层施工，荷载逐步施加，回弹变形消失并演化为向下的竖向变形，岩土体应力亦随之变化。

3.1 位移变形分析

基坑开挖后，释放岩土体重力荷载，排水拱涵随基坑底部一起发生整体回弹(向上位移)，见图4；G3号楼桩基础加载完成后加载再压缩，使拱涵产生整体的向下位移，见图5，各代表性点的位移变化值见表3。

表3 G3号楼剖面拱涵位移计算统计表 mm

基坑开挖后最大竖向变形2.98 mm，回弹变形引起的拱涵基础倾斜率为(2.98 mm～2.14 mm)/13 100 mm≈0.006%，换填片石倾斜率为0.002%；加载后最大竖向变形18.48 mm，基础及换填片石层倾斜率分别为0.040%,0.044%，均满足GB 50007—2011建筑地基基础设计规范限值要求。

其中拱圈顶部基坑开挖后竖向回弹值为2.69 mm，基础加载后下沉17.79 mm，根据《公路隧道设计规范》，拱顶下沉允许值为3 mm≤ξ≤24 mm，拱涵在该项目基坑开挖及拟建物加载后拱顶变形位移量满足规范要求，未产生规范不允许的沉降值。拱涵在建筑物基坑开挖、基础加载后洞周水平位移收敛值见表4，小于0.1%，满足规范要求。

表4 洞周水平相对收敛值计算

G4号楼位置填土厚度大，排洪拱涵基础换填片石层位于填土上，分析结果显示基坑开挖后最大回弹变形18.59 mm，基础倾斜率为0.016%，换填片石层倾斜率为0.017%；桩基础加载后，最大变形30.27 mm，基础倾斜率0.070%，换填片石层倾斜率为0.075%；洞周水平位移收敛值小于0.1%，亦满足要求。但基坑开挖后拱顶最大上浮量为14.04 mm，加载后最大下沉量达25.73 mm，已超过规范要求，须采取措施。

设计方案在填土范围内桩侧设置柔性隔离材料，减少桩基础荷载通过填土传递到拱涵四周。模拟采取隔离措施后，得到竖向位移云图见图6，加载后最大下沉量为18.09 mm，此时各项变形指标均满足规范要求。

3.2 内力分析

表5 G3号楼剖面拱涵应力计算成果表 kPa

通过模拟计算(如图7所示)得到应力计算成果见表5，结果表明，G3号楼位置拱涵施工完毕后拱体产生的拉应力较小，最大为179.5 kPa，出现在拱涵C20基础位置，C20混凝土涵台内侧压应力最大，为2 429 kPa；基坑基槽开挖后，最大拉应力及压应力有所减小；加载后最大拉应力增大为212.1 kPa，仍位于拱涵C20基础位置，最大压应力稍有增大。拱涵结构拉、压应力均未超过材料的抗拉强度和抗压强度。基础加载后，拱涵不会因应力超过材料强度而发生破坏。G4号楼位置拱涵内力值明显较小，填土的变形作用使得应力重新分布，缓解了集中现象。

拱涵形成后在基础下方换填片石层两侧出现小范围塑性区，随着项目实施，该区域的塑性区分布范围及数值变化较小，仍然集中在拱涵换填片石层区域，在拱涵结构及基础部分未见产生塑性区。基坑开挖和修建建筑物后，拱涵处于稳定状态。

4 施工质量控制

本措施最大风险在于桩施工过程，因此在实施过程中应采取如下保证措施：

1)场地填土厚度大，跨越桩直径较大，桩成孔过程中容易产生垮孔，加强护壁，桩孔形成后及时浇筑，防止垮孔对排洪拱涵产生不利影响。

2)桩身四周设置柔性隔离材料，设置范围控制在拱涵片石换填层标高以下不小于3 m。通过隔离材料的设置将有效减小桩基础荷载通过填土传递到拱涵四周，保证绝大部分荷载传递至中等风化岩层中。

3)加强跨越桩和承台梁的整体刚度，并保证桩顶与承台梁的有效连接，保证桩与承台梁协同工作。

4)施工过程中采取跳桩开挖，同时严禁场地周边爆破施工、强夯及其他引起振动的活动，尽量减少对拱涵周边土体产生扰动。

目前新建建筑已施工完毕，施工过程正常，未发生异常情况，排洪拱涵正常运行；工后监测结果正常，新建建筑及拱涵结构稳定。

5 结语

1)对深厚填土中的拱涵，新建建筑采用跨越桩和承台梁结构转换的措施对拱涵进行保护的方案可行，风险可控。

2)对拱涵影响范围内的桩身采取隔离措施，通过隔离材料的设置将有效减小桩基础荷载传递到拱涵四周，保证绝大部分荷载传递至深层岩土层中，可有效减小对拱涵的影响。