基于有限元模型的深基坑开挖对邻近桥梁的影响分析

金宏刚 蔡连波 胡敏云

（1、浙江工业大学土木工程学院，浙江 杭州310014 2、浙江航冠工程设计有限公司，浙江 杭州310000）

1 概述

基坑开挖时，通过地层应力释放与土层变形对周边土层产生影响，因此基坑开挖的关键是分析其对周边建筑物的环境影响。在基坑开挖的过程中要加强对周边建筑物的沉降变形观测，充分考虑基坑开挖对建筑物的影响，防止因基坑开挖导致周边建筑物发生过大变形或不均匀沉降，从而导致建筑物开裂甚至倒塌，对于桥梁而言，如果沉降过大，相邻两桥台沉降差过大，则可能影响行车舒适度、耐久性，更严重者可能发生安全事故。

不少学者采用有限元法对基坑开挖及周边建筑物进行整体分析，较为代表性的成果如郑刚和李志伟[1-3]通过建立三维有限元模型，分别考虑建筑物刚度、建筑物楼层、建筑物初始不均匀沉降、坑角效应等不同条件，分析了基坑开挖对邻近建筑物的影响。康志军[4]等研究围护结构最大侧移对邻近桩基础建筑物的影响。王翠[5]等采用有限差分法，进行基坑开挖的数值模型，研究深基坑开挖对邻近桥桩的影响机制，通过桩身负摩阻力，不平衡力以及桩基的沉降来反映桩基的响应。

本文以杭州实际深基坑工程为例，对基坑开挖影响下邻近高架桥结构沉降变形进行分析，评价基坑邻近其安全性。

2 工程概况

本工程为杭州“四纵五横”快速路系统中“天目- 环北- 艮山”快速路的综合管廊设计。综合管廊起点聚首路顺接在建艮山路综合管廊，沿下沙路、海达南路、12 号路布置，终于23 号路东侧，与拟建过江段综合管廊相衔接，全长约7km。

2.1 绕城高架概况

绕城高架上跨12 号路采用跨径30m 后张预应力砼T 梁，桥下空间约7 米，采用双柱式桥墩，桥墩方形立柱边长130cm。桥墩基础采用双排四根钻孔灌注桩，桩径120cm，桩长约50m，按摩擦桩设计，桩底位于粉质粘土层。承台为矩形承台，尺寸为520*240*175cm。如图1 所示。

图1 综合管廊下穿绕城高速剖面图

2.2 综合管廊基坑概况

2.2.1 围护结构概况

2.2.2 围护结构计算

基于上述基坑条件可知，本基坑属于一级基坑，通过计算可得：（1）支护结构最大水平位移：11.3mm，满足要求。（2）坑底抗隆起（圆弧滑动）安全系数：K＝1.69>1.6，满足要求。（3）墙底抗隆起安全系数：K＝2.17>1.8，满足要求。（4）整体稳定性安全系数：K＝1.43>1.3，满足要求。结果计算表明，围护结构内力分布合理，变形满足要求。

3 基坑开挖影响分析

管廊基坑施工对绕城高速安全的影响主要表现在以下方面：

3.1 基坑施工对绕城高速的运营功能的影响

基坑围护结构施工时机械振动及噪音，会影响绕城高速的运营服务水平。

3.2 基坑施工对绕城高速桥梁安全的影响

基坑开挖时围护结构变形会导致桥墩周边土体产生侧向位移，从而引起高速桥墩承台及桩基产生水平位移，同时基坑降水会导致桥梁桩基及承台产生竖向沉降，若不采取相应的保护措施则会影响桥梁结构安全和运营安全。

4 有限元模型建立及数值模拟计算分析

本工程采用有限元软件MIDAS GTS 进行模拟计算。MIDAS GTS 的可靠性已经得到了大量工程的实际验证，能够确保施工所要求的精度和准确性。

4.1 模型的建立及网格划分

本工程根据绕城高速、基坑设计、施工条件等相关资料简化计算模型。模型中，岩土体、桥墩、承台采用实体单元模拟，桥桩、冠梁、支撑采用梁单元，基坑围护桩结构根据刚度等效原理采用板单元。岩土体本构模型采用修正摩尔- 库伦（Modified Mohr-Coulomb）模型进行模拟，其余采用弹性模型。土体和桩体采用界面单元进行连接，其接触面法向采用“硬接触”，切向采用库伦摩擦接触，以模拟土体对桩的摩擦作用。摩擦系数根据土体的平均内摩擦角进行确定。模型使用参数详见表1，土层厚度按工程地质勘探点确定。

为消除模型边界效应影响，并考虑计算效率问题，取模型大小为70m×60m×70m（长×宽×高）。考虑到基坑开挖的影响范围，基坑及桥梁周边范围内网格划分较密，外边土体划分较粗，网格剖分时考虑了不同岩土的特性、围护桩等介质的不同处理。整个三维有限元计算模型共77600 个单元，43431 个结构节点，如下图2-3 所示。

图2 综合管廊基坑与绕城高速桥梁三维模型图

模型采用标准约束形式，模型左右、前后边界固定水平位移，底部边界固定竖向位移，约束其竖向及水平向位移，上部边界为地表自由面；自重荷载取g。

4.2 有限元模型仿真分析

4.2.1 基本假定

a.地表和各层土均呈均质水平层状分布。

图3 综合管廊基坑与绕城高速桥梁位置关系图

b.土体为各向同性、连续的弹塑性材料，本构模型采用修正的摩尔- 库伦（Modified Mohr-Coulomb）弹塑性模型。

c.围护结构与土体采用变形协调计算的方法。

d.假定桥梁施工过程中，土体和桩体采用界面单元进行连接，其接触面法向采用“硬接触”，切向采用库伦摩擦接触，以模拟土体对桩的摩擦作用。

4.2.2 施工过程模拟

不同的开挖顺序引起的地表下沉量和围岩的破坏是不同的。本文通过杀死单元来模拟基坑土体开挖，进行基坑开挖过程模拟及其土体位移计算。工况模拟主要分为八个工序，具体模拟工序如下所示。

a.建立模型，进行开挖前土体初始应力场计算，将重力引起的位移归零，只保留初始应力。

b.模拟绕城高速桥梁施工，位移归零。

c.模拟围护桩施工，激活基坑周边的地面超载，基坑放坡开挖至冠梁顶，激活砼支撑，位移归零。

d.继续基坑开挖，激活第一层钢支撑，进行平衡计算。

e.开挖到基坑底部，激活第二层钢支撑，进行平衡计算。

f.拆除第二层钢支撑并施作结构底板。

g.拆除第一层钢支撑并施作主体结构。

h.拆除砼支撑并回填，得到最终的应力场和位移场。

4.3 分析结果

a.各施工工序位移变形分析

对工序三至工序八GTS 模型结果进行分析，将地层及绕城高速桥梁水平、竖直位移数据汇总如表2 所示。

表2 不同工序下桥梁墩台顶变形值统计表

由表2 可知，基坑开挖完成及主体回筑后桥梁墩台顶的均匀沉降最大值为8.5mm；桥墩顶的水平位移最大值为2.3mm；桥墩顶间差异沉降最大值为1.21mm。根据《建筑桩基技术规范》规定，本次桥桩位移值按以下要求控制：

a.桥桩水平位移控制值＜10mm；b.桥桩竖向位移控制值＜10mm。c.桥桩沉降差控制值＜4mm。

因此根据分析计算结果，本工程基坑开挖过程带来的影响均满足控制要求。

5 结论

5.1 基坑开挖对绕城高速桥梁的影响主要表现在：

5.1.1 随着基坑开挖深度的增大，桥梁墩顶沉降及水平位移越来越大；

5.1.2 随着基坑内管廊结构的施工及土体的回填，桥梁墩顶沉降及水平位移越来越小，最终接近基坑开挖前水平；

5.1.3 管廊结构底板作为基坑换撑后，桥梁墩顶沉降及水平位移值小于原钢支撑值，可得砼支撑效果优于钢支撑效果；

5.2 与实际相比，此有限元模拟桥梁沉降位移的条件及数据均为最不利情况，并且计算结果均满足要求，可得数值模拟技术做为基坑开挖对邻近桥梁桩基影响的评估方法是合理可行的。