深基坑开挖对邻近高架桥墩顶位移敏感性参数分析

赵雨军

(中铁十五局集团城市建设工程有限公司，河南 洛阳 471000)

南京作为长三角经济的发达地区，轨道交通建设现已进入全面发展阶段。预计到2020年底，南京将开通总长约500 km的地铁轨道交通网，总计13条线路。然而，地铁建设多处于人口密度大的城市主次干道，地铁深基坑施工不可避免的穿越城市桥梁。地铁深基坑施工会造成周边土体变形[1]，进而对邻近的桥梁结构造成影响。

影响基坑邻近高架桥变形的因素有很多，例如基坑开挖深度、围护结构刚度、基坑施工顺序、桥梁基础形式等[2]。因此，探究地铁深基坑施工不同参数对邻近高架桥结构变形的影响，对地铁深基坑设计和施工控制优化具有重大意义。

1 工程概况

1.1 基坑工程概况

南京地铁万寿站位于南京栖霞大道与经五路交汇路口处，7号线万寿村站沿栖霞大道东西向路北侧设置，7、6号线换乘节点配套工程与7号线T型交叉，沿经五路南北向设置，下穿纬一路高架桥7#、8#墩。纬一路高架桥位于万寿村站南侧，6号线车站围护桩距离经五路跨线桥7#、8#桥墩最近约2.7 m，7号线车站围护桩距离经五路跨线桥3#桥墩最近约13 m，同时高架桥6#、7#墩之间还有地铁7号线万寿村站1号出入口，7号线、6号线与纬一路高架桥的位置关系如图1所示。

图1 车站基坑与纬一路高架桥位置关系

7号线基坑采用∅1 200 mm@1 500 mm钻孔灌注桩+内支撑进行基坑支护，桩间采用∅600 mm三重管高压旋喷桩止水；6号基坑采用∅1 000 mm@1 200 mm钻孔灌注桩+内支撑进行基坑支护，桩间采用∅800 mm三重管高压旋喷桩止水；附属结构基坑采用∅800 mm@1 000 mm钻孔灌注桩+内支撑进行基坑支护，桩间采用∅600 mm三重管高压旋喷桩止水。

1.2 纬一路高架桥概况

纬一路高架桥为混凝土连续梁桥，深基坑影响范围内共有3联(0#～9#墩)，第1联(0#～3#墩)3×30 m=90 m，第2联(3#～6#墩)3×30 m=90 m，第3联(6#～9#墩)30 m+45 m+30 m=105 m，高架桥为双向六车道，标准截面桥宽为25.5 m。

桥梁下部结构采用钻孔灌注桩，桥墩采用双柱墩，1#～9#墩除了过渡段墩及40 m、45 m跨径箱梁墩身为1.8 m厚，其余均为1.5 m厚；除8#桥墩，其余均采用工字型承台，厚2.2～2.5 m。基础均为桩基础，桩径为1.5 m。

2 建立计算模型

建立计算模型时，采用MIDAS GTS NX大型岩土有限元分析软件，土层计算参数选取如表1所示，采用修正Mohr—Coulomb本构模型，该模型是在摩尔—库伦本构模型基础上改善的硬化土本构模型，适用于基坑、隧道开挖等工程问题。其他材料根据实际情况采用弹性本构模拟。

该模型土体、承台、桥墩采用实体单元模拟，桥桩、支撑、冠梁采用梁单元模拟，基坑围护桩通过等

表1 土层计算参数选取

效刚度转换为地连墙板单元模拟。模型底部固定约束，侧面滑动约束，共计195 633个单元。三维空间计算模型如图2所示。

图2 三维空间模型

为在计算模型中考虑桩土耦合作用，土体与围护结构、桥桩桩体的接触面采用界面单元(Goodman单元)进行模拟。在混凝土结构与土体接触界面单元的设置中，通常采用界面单元参数助手进行设置，选取强度折减系数0.65得出各层土体与混凝土相对应的法向刚度模量、切向刚度模量、摩擦角及粘聚力。

计算工况和实际工况对应，先施工7号线基坑，分7层开挖共计26 m，后施工6号线基坑，分5层开挖共计17 m，最后施工出入口通道。不考虑基坑开挖时间对计算结果的影响[3]。

3 各种工况下的高架桥墩顶位移

3.1 不同排桩混凝土强度等级

6号线车站基坑排桩混凝土以C35为基准，依次将排桩混凝土改为C25、C30、C40，针对距离最近的7#桥墩墩顶位移沉降变化曲线，研究围护结构混凝土强度等级变化对邻近桥梁结构变形的影响，如图3～图5所示。由图3～图5计算结果可以看出：

图3 不同混凝土强度下7#墩顶沉降变化量

图4 不同混凝土强度下7#墩顶纵桥向位移变化量

图5 不同混凝土强度下7#墩顶横桥向位移变化量

(1)围护结构混凝土强度等级为C25时，6号线基坑开挖结束后，7#墩顶位移最大，其中沉降量为-3.01 mm，纵桥向水平位移量为0.06 mm，横桥向水平位移量为2.63 mm。

(2)围护结构混凝土强度等级越高，墩顶沉降越小，纵桥向水平位移量越小，横桥向水平位移量也越小。

(3)计算结果表明，围护结构混凝土强度等级变化对邻近高架桥墩顶位移影响不大。

3.2 不同排桩桩径与桩间距

6号线车站基坑围护结构设计参数以∅1 000 mm@1 200 mm为基准，依此将围护结构设计参数改变为∅800 mm@1 000 mm，∅1 000 mm@1 000 mm，∅1 200 mm@1 300 mm，按弯刚度相等原则将围护桩分别等效厚度为0.621 m、0.821 m、0.979 m的地连墙，针对距离最近的7#桥墩墩顶沉降变化曲线，研究排桩桩径与桩间距对邻近桥梁结构变形的影响，如图6～图8所示。由计算结果可知：

图6 不同桩径和桩间距下7#墩顶沉降变化量

图7 不同桩径和桩间距下7#墩顶纵桥向位移变化量

(1)排桩桩径与桩间距为∅800 mm@1 000 mm时，6号线基坑开挖结束后，7#墩顶位移最大，其中沉降量为-3.00 mm，纵桥向水平位移量为0.04 mm，横桥向水平位移量为2.65 mm。

图8 不同桩径和桩间距下7#墩顶横桥向位移变化量

(2)排桩等效厚度越大，墩顶沉降越小，纵桥向水平位移量和横桥向水平位移量也越小。

(3)计算结果表明，排桩桩径与桩间距变化对邻近高架桥墩顶位移变形影响较小。

3.3 第3层钢支撑不同刚度

通过改变6号线车站基坑第3层Q235钢支撑刚度研究基坑开挖对邻近高架桥的影响，分别选取0.5倍EA、2倍EA、4倍EA及原刚度，对比分析不同支撑刚度下邻近高架桥7#桥墩墩顶的位移变形规律，如图9～图11所示。由计算结果可知：

图9 不同钢支撑刚度下7#墩顶沉降变化量

图10 不同钢支撑刚度下7#墩顶纵桥向位移变化量

(1)第3层钢支撑刚度为4EA时，6号线基坑开挖结束后，7#-1墩顶位移最小，其中沉降量为-2.77 mm，纵桥向水平位移量为0.04 mm，横桥向水平位移量为2.59 mm。

图11 不同钢支撑刚度下7#墩顶横桥向位移变化量

(2)第3层钢支撑刚度越大，墩顶沉降越小，纵桥向水平位移量和横桥向水平位移量也越小。

(3)计算结果表明，增大支撑刚度对邻近高架桥墩顶位移控制是有利的。

3.4 基坑不同开挖顺序

万寿村地铁车站由4片基坑区域组合而成，存在基坑开挖先后顺序，而相邻基坑围护结构受力特点与单独基坑施工情况有所不同，相邻基坑的开挖顺序将会对其围护结构位移变形产生不同影响。计算工况选取为6号线车站基坑开挖置于7号线车站基坑开挖前，或选取7号线车站基坑开挖置于6号线车站基坑开挖前，然后依次开挖1号出入口基坑、2号出入口基坑。计算分析相邻基坑开挖顺序变化对邻近高架桥结构的位移变形影响，如图12～图14所示。由图12～图14计算结果可以看出：

图12 不同基坑开挖顺序7#墩顶沉降变化量

(1)基坑开挖顺序改变后，墩顶位移发生变化。6号线车站基坑开挖置于7号线车站基坑开挖前施工，7#墩顶沉降减小，沉降量为-2.90 mm，纵桥向水平位移向负向增大，横桥向水平位移减小，横桥向水平位移量为2.16 mm。

(2)墩顶位移随基坑开挖顺序改变而不同，将6号线车站基坑提至7号线车站基坑前施工，可减小墩顶各向位移。

图13 不同基坑开挖顺序7#墩顶纵桥向位移变化量

图14 不同基坑开挖顺序7#墩顶横桥向位移变化量

4 结论

(1)围护结构混凝土强度等级越高，墩顶各向位移越小。计算结果表明，围护结构混凝土强度等级变化对邻近高架桥墩顶位移影响不大。

(2)排桩等效厚度越大，墩顶各向位移越小。计算结果表明，排桩桩径与桩间距变化对邻近高架桥墩顶位移变形影响较小。

(3)第3层钢支撑刚度越大，墩顶各向位移越小。计算结果表明，增大支撑刚度对邻近高架桥墩顶位移控制是有利的。

(4)墩顶位移随基坑开挖顺序改变而不同，将6号线车站基坑提至7号线车站基坑前施工，可减小墩顶各向位移。