地铁深基坑施工对邻近既有BRT高架桥影响分析

王余鹏，韩 伟

(福建林业职业技术学院 交通工程系，福建 南平 353000)

1 工程概况

厦门地铁蔡塘站位于吕岭路与云顶中路路口，沿吕岭路跨云顶中路敷设，总长204.5 m，标准段基坑宽度21.7 m，基坑深度16.91～18.90 m.车站位于BRT高架桥1#、2#桥墩正下方，垂直高架桥方向设置.本段BRT线路以高架桥的形式跨越所经地铁线路[2]，车站设置于BRT高架桥两桥墩中间，若基坑开挖导致BRT高架桥变形将严重影响BRT快速公交的运营，产生无法估量的损失.BRT高架桥为跨长55 m的连续梁，环境设施分类为邻近重要设施，属Ⅱ级环境风险.

2 模型建立及计算分析

2.1 基坑施工安全风险评估

本文建立了针对蔡塘站明挖施工对BRT高架桥影响的安全风险评估流程，如图1所示.

2.2 影响桥梁变形的因素

1) 地铁车站施工深度.在地铁车站开挖前，基坑与防护结构的受力基本相同，但在开挖施工过程中，地铁车站内外压力平衡被打破.同时，这种不平衡压差随深度的增加而增大，随着基坑开挖的不平衡压力移动，导致周围土体形成大量塑性区，进而使桥梁沉降变形.

图1 蔡塘站对BRT评估控制流程

2) 车站与桥梁间距.在土质均质相似情况下，车站与桥梁间距越远，开挖施工的能量折减效应越多；车站与桥梁间隔越近，对桩的极限承载力和强度影响增大.

3) 桥梁整体刚度.所谓桥梁刚度，主要为桥梁在受到地层塑性变形产生的力后抵挡变形的能力.当地铁基坑施工引起周围土体位移后，抵抗变形主要取决于桥梁的自身刚度，桥梁刚度越大就越难变形.

2.3 模型建立方法

蔡塘站的基坑为矩形基坑，站为地下2层岛式车站，双柱3跨闭合框架结构.围护结构采用D1 000 mm@1 200 mm的钻孔灌注桩(嵌固深度7 m)，桩间设三重管旋喷止水帷幕.地铁车站的施工加固结构为装配3道横向支撑，最顶部支撑为间隔9 m的钢混结构，第2与第3道支撑体系为间隔3 m的ø600钢管，并在中间设置临时立柱(如图2所示).综合考虑地铁开挖对周边影响范围，基坑建模的宽度及其开挖深度取标准段开挖深度的2～3倍，为此模型总长度为100 m，宽度为60 m，深度为50 m[3].

图2 BRT桥墩与地铁车站位置(单位：mm)

根据场地土层的地质勘察报告，基坑的标准断面施工深度16.4 m，地下水位于2.3～2.7 m处，地铁车站的框架结构底板主要位于(11-2)残积砂质性土、(17-1)全风化花岗岩地层，直接涉及到的土层主要有(1-2)素填土、(10-1)粉质黏土、(11-1)残积砂质黏性土、(17-1)全风化花岗岩、(17-2)散体状强风化花岗岩.通过对地质勘察报告中的土层进行简化与合并，最终模型设置5个土层，具体物理力学指标如表1所示.

中美贸易战持续升级，6月特朗普先是宣布对500亿美元中国进口商品加征高额关税，中国采取了对等的关税举措予以回应。7月美国再次发表声明，拟对价值2 000亿美元中国商品加征10%关税，8月特朗普又准备将2 000亿美元商品加征关税税率从10%上调至25%，使得中美贸易争端加剧。这次清单涉及范围较广，美国政府会加征部分木坐具如沙发、床垫、卧室及厨房用的木制家具、办公室木质及金属家具等家具产品的关税。

表1 岩土物理力学指标

在Midas-GTS模型中，采用实体单元对土体、桥梁进行建模，其中基坑支护采用Beam单元，便于施加支撑预加轴力、调整支撑位置[4].对蔡塘站模型的开挖深度、BRT桥梁桩基的特征进行了分析.三维Midas-GTS模型假设条件如下：

1) 蔡塘站的横向钢管加固载体材料是各向同性材料；

2) 在基坑开挖阶段周边围护结构为线弹性单元，并不考虑基坑地下水影响；

3) 三维模型中的地质参数为设计勘察报告的物理特性，同时基坑施工围护墙体与各土体不会相对滑移；

4) 基坑开挖阶段的施工步不考虑时间效应.

2.4 连续介质计算模型及计算结果

针对蔡塘站明挖施工卸荷引起BRT桥桩的影响，用岩土分析软件按实际的施工工序进行分析.土体采用摩尔-库伦模型，采用板单元模拟车站各结构构件，板单元尺寸的确定原则是抗弯刚度和抗压刚度等效换算.Midas-GTS是利用变分原理进行结构和土体的协同作用模拟，可以实现对邻近建筑物的位移、内力等数值分析.

本文采用以胡-鹭(Hu-Washizu)变分原理的应力-应变关系虚功原理来模拟场地土体的特性[5]，根据《地质勘查报告》及厦门地区相关地层参数经验确定模型计算参数，模型及计算结果如图3～6所示.

图3 连续介质模型

图4 蔡塘站施工至坑底塑性变形云图(单位：m)

图5 开挖至坑底时的BRT桥桩水平位移云图(单位：m)

图6 开挖至坑底时的BRT桥桩竖向位移云图(单位：m)

根据三维模型计算结果[6]，蔡塘站施工基坑的“钻孔灌注桩+桩间设三重管旋喷止水帷幕”围护结构最大弯矩为572 kN·m，最大剪力为330 kN，水平方向最大位移为8.8 mm，竖直方向最大沉降为14.5 mm.基坑开挖引起的BRT桥墩竖向位移为7.91 mm，在安全的范围之内.

3 监控量测

3.1 监测方案

在施工过程中，由于地铁深基坑开挖对周围产生塑性变形，使得周围地层应力状态发生改变，蔡塘站施工加固结构体系也随之产生横向变形，邻近周边环境也会有潜在的影响.如果变形超出了控制范围，会使得结构发生失稳破坏，影响施工的安全和周围建筑的安全使用[7].为了保证蔡塘站施工过程基坑的安全和高架桥的正常使用，在蔡塘车站施工场地周围布设的监测点尤为必要.地铁车站在高架桥底穿过，经过测量可知基坑最外缘与桥梁桩基最近的距离不到10 m.为避免因为基坑围护结构变形较大，导致桥梁出现较大倾斜甚至出现倒塌等工程事故[8],所以需要在基坑开挖过程中对桥梁桩基、桥墩等高架桥重要承重构件进行全过程的变形监测，其主要包含桩基水平方向的变形、周边环境地表发生的沉降、地下水位出现的下降或者升高、混凝土支撑及钢支撑出现轴力的变化.

监测项目按《城市轨道交通工程监测技术规范》并考虑设计图纸必测项目控制表执行，控制在80%为报警值，如表2所示.

3.2 监测数据分析

蔡塘站基坑地表监控对比曲线如图7所示.通过结果对比得到如下结论[9]：

表2 监测项目控制值

1) 在地铁基坑施工中，地表塑性变形的实测结果与数值仿真结果有一定差异，但总体趋势基本一致，基坑周边土体塑性变形总体呈现“两边塑性变形小，中心塑性变形大”的凹形分布.

2) 实测值比三维模拟的数值大一些，主要是因为：三维模拟数值是相对理想化的受力分析成果，但施工现场的现实监控数值是受自然气候条件、构造物环境及机械、人为等外围因素的影响，进而造成数值存在一定偏差.

3) 地表塑性变形的最大值位置并不是在蔡塘站开挖边缘位置，而是距离边缘围护结构13～15 m左右，地表沉降最大值约为15.8 mm，小于16 mm的报警值，处于安全范围内.

图7 蔡塘站基坑地表监控对比曲线

由于蔡塘站明挖土层的沉降，从而影响高架桥的稳定性.分别提取桥梁沉降监测最大数据与模拟最大沉降值进行对比，如表3所示.桥梁监测点布置如图8所示.

由表3和图8可知：随着蔡塘站施工深度的加大，BRT高架桥桥墩的沉降变形也随之增进，同时模拟数值比实测值要大一些，因为实测点设在桥梁外漏地表位置的承台或者桥墩，而模拟数值取自埋入地下的桩基础位置.Midas-GTS的模拟计算最大值为7.42～11.21 mm(其中，距离蔡塘站地铁基坑最近的桥1-2监测点沉降值为11.21 mm，距离蔡塘站地铁基坑最远的桥2-2监测点沉降量为7.42 mm)，实际监测结果最大值为7.91 mm.两者皆小于桥梁的报警值16 mm，说明桥墩处于安全范围内.

表3 BRT桥梁沉降实测值和模拟值对比

图8 桥梁监测点布置

4 结论

1) 应用Midas-GTS岩土软件对厦门市地铁2号线蔡塘站明挖施工全过程进行数值模拟分析，并且与实际的监测数据进行对比，两者变形规律总体分布情况基本保持一致，并得出基坑周围土体沉降总体呈现出“两边沉降小，中间沉降大”的凹形分布趋势.同时模拟值较监测值小，是因为在模拟基坑开挖过程对很多难以模拟的情况进行相应理想化造成的不完全吻合.

2) 随着地铁车站施工深度的增加，引起的周围环境的塑性变形影响范围也逐渐叠加，从数值模拟结果得出，BRT高架桥桩身内力变化是受车站基坑施工深度及邻近基坑距离等因素影响，最大地表沉降的位置大体位于2～3倍的施工深度处.

3) 模拟数据表明BRT高架桥桩身内力变化是结合着桩体水平位移共同变化的，主要表现为开挖面位置的侧桥桩表面受压位置，随着车站施工深度的増加，高架桥的桩基弯矩最大值也逐渐下移.

4) 对比桥墩沉降的监测值与模拟值，基坑施工对桩基的变形和应力产生很大影响，但桥梁的沉降值小于报警值16 mm，说明采用“钻孔灌注桩+旋喷止水帷幕+横向支撑”的围护结构系统能够有效控制BRT高架桥变形.