深基坑开挖对临近高架桥的影响数值分析

广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060

0 引言

基坑工程施工引起的施工荷载会对周边一定范围内的环境产生影响［1］，可能会引起周围的建（构）筑物的位移及沉降，严重时会影响到建（构）筑物的安全。本文结合某深基坑工程，考虑空间效应，采用有限元软件MIDAS GTS 建立三维数值模型，模拟基坑施工对临近高架桥结构的影响。

1 工程概况

本工程为某四层地下室深基坑工程，基坑平面形状大致呈三角形，开挖深度约15.4m，采用灌注桩结合钢筋混凝土内支撑进行支护并采用三轴搅拌桩形成止水帷幕。基坑由上到下设置两道内支撑并在四周撑位填充300mm 厚混凝土板。地下室外墙线距临近高架桥终点段约20m，基坑和高架桥平面位置如图1 所示。

图1 拟建基坑与临近高架桥平面位置

2 工程地质条件

场地分布自上而下有：人工填土层2.8m、淤泥层1.5m、粉质黏土层1.2m、细中砂层2.4m、全风化岩层1.2m、强风化岩层13.2m、中风化岩层38.7m。

3 有限元模拟

3.1 模型尺寸选取

现有研究表明，基坑施工荷载对于3 倍基坑开挖深度范围以外的环境影响很小，故结合接坑开挖深度及邻近高架桥位置，取基坑边线以外3 倍基坑深度范围内的区域进行分析［2］，以达到消除边界效应影响的要求，同时考虑高架桥桩基础持力层厚度要求不小于三倍桩径，故取模型尺寸为长×宽×高=190m×180m×60m。

3.2 模型的建立

采用有限元分析软件MIDAS GTS 进行建模分析，土层、桥墩、承台采用实体单元构建，桥桩和基坑支护相关的立柱、冠梁、腰梁，支撑等采用梁单元、支护桩通过等效刚度计算采用板单元创建。

图2 模型网格划分图

基坑土体采用修正摩尔-库伦模型，基坑围护结构及高架桥结构采用弹性模型［3］土层参数详见表1。高架桥上部结构及行车荷载采用等效面荷载形式施加于桥墩和桥台上表面。基坑外侧采用三轴水泥搅拌桩套打一孔形成止水帷幕，且基坑周边地下水位监测报警值为1m，基坑边距离高架桥约20m，基坑施工引起的地下水位变化对高架桥结构影响很小，在本次模拟中不予考虑。高架桥桥台桩基础桩长取31.25m，其余桥桩基础桩长取37m。模型网格划分如图2 所示，基坑支护结构与高架桥结构相对关系见图3。

图3 基坑支护结构与高架桥结构相对关系

表1 各土层计算参数

3.3 分析工况

本文重点关注基坑开挖对高架桥结构的影响，由于高架桥在基坑开挖前已经建成并通车，故在成桥工况后对高架桥结构进行位移清零，仅考虑基坑开挖对其的影响，具体分析工况如下：

工况一：初始应力分析，考虑未开挖时的岩土层应力状态。

工况二：高架桥结构施工。

工况三：位移清零。

工况四：支护桩与基坑立柱施工。

工况五：施工冠粱、第一道支撑以及板撑，基坑第一阶段开挖。

工况六：施工腰粱、第二道支撑以及板撑，基坑第二阶段开挖。

工况七：基坑第三阶段开挖。

4 计算结果分析

提取基坑开挖影响范围内的高架桥桩基础进行分析，包括8 根桥台桩和4 根桥桩。图4～图5 分别为基坑施工各阶段高架桥桩顶水平及竖向位移曲线。

图4 高架桥桩顶水平位移曲线

图5 高架桥桩顶竖向位移曲线

分析高架桥桩顶位移曲线可知，基坑施工造成邻近高架桥结构靠近基坑侧的土压力发生侧向卸载，高架桥结构发生一定程度的侧向位移。随着着基坑各阶段施工，高架桥桩基础桩顶位移逐渐增大，当基坑开挖到底时，高架桥桩基础桩顶位移达到最大值。高架桥桩基础桩顶最大水平位移为1.81mm，最大沉降值为1.31mm，均小于各方向桩顶位移均小于2mm，由以上计算结果可认为基坑施工诱发的高架桥结构变形较小。

由图4 可知，桥桩的桩顶水平位移远小于桥台桩，这是由于桥台桩相比于桥桩距离基坑更近，基坑施工对桥台桩的水平位移影响较对桥桩的水平位移的影响更加强烈，桩基础与基坑的距离大小对桩顶水平位移起控制作用；此外，观察图5，桩顶竖向位移却并未呈现类似趋势，可以认为在一定范围内土压力的侧向卸载对高架桥桩基础竖向位移的影响，受距离和桩基础长度的共同作用。

5 结论

本文以某深基坑工程为研究对象，用MIDAS/GTS 软件模拟了基坑开挖对临近高架桥结构的影响，得到以下结论。

（1）本基坑施工荷载导致邻近高架桥结构发生侧向卸载，使得结构向基坑内侧发生一定程度的水平位移和沉降，但总体位移变化较小，高架桥结构处于安全水平。

（2）同一施工工况下，高架桥桩顶水平位移随桩基础与基坑的距离的减小而增大，但桩顶沉降量大小与桩基础与基坑的距离之间的关系并不明显。

（3）高架桥结构桩基础嵌入中微风化岩，基坑支护采用桩撑体系，支护桩基本上均进入强风化岩10m 以上，采用两道内支撑加板撑，刚度较大。基坑施工过程中，邻近高架桥结构周边地层基本能有效控制基坑施工荷载引起的高架桥结构的变形。