转体斜拉桥主墩承台深基坑围护结构变形特性研究

王智刚

（中铁二十二局集团第一工程有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000）

近年来，随着我国交通建设的高速发展，国内修建的跨越既有铁路、公路及河流的桥梁越来越多。为保证桥梁施工过程中不影响既有公路和铁路的正常运行，工程上常采用影响小、风险低、造型美观的转体斜拉桥。对于跨越铁路编组站的转体斜拉桥而言，由于转体重量大、球铰对接精度高等特点，故需要尺寸较大的桥墩承台，若不保证围护结构的稳定性，则会对桥梁转体产生影响。

目前，李昂等以某桥墩工程为例，采用GA-BP 神经网络预测方法与灰色GM（1，1）模型预测结果及实测数据对比，得出GA-BP 模型结果更精确；龚循强等利用最小二乘法和稳健最小二乘法的自回归模型、自适应过滤法及灰色预测法对高铁桥墩沉降数据进行模拟与预测。

深基坑支护是一个复杂的三维空间问题，基坑开挖过程中地表沉降、围护结构侧移、支撑轴力等往表现出明显的空间效应。特别是难度系数大、安全系数要求高的基坑工程，故本文以哈西大街打通工程中的转体斜拉桥（跨铁路部分）主墩承台深基坑支护工程为依托工程，对转体斜拉桥主墩承台深基坑围护结构变形特性研究。利用Midas GTS NX 有限元软件建立三维模型，分析桥墩基坑和支护结构的沉降及变形规律，从而确保深基坑工程的安全。

1 工程概况

本文依托工程为哈西大街打通工程（跨铁路部分）主墩承台深基坑支护工程，打通工程全长1321 米，共跨越48 条铁路线，跨线桥采用双塔双索面转体斜拉桥。该深基坑位于转体斜拉桥主桥9#、10#墩处，由于两桥墩承台基坑土层参数、支护形式、基坑深度及基坑形状相同，故本文以9#墩承台基坑为工程对象进行研究。9#墩承台基坑平面形状为八边形，最大开挖深度为11m，采用钢筋混凝土灌注桩+内支撑支护，支护桩桩顶标高为±0.00m，桩长25m，桩径1.2m，桩间距1.5m，嵌固深度15m。距支护桩顶面0.5m处布置两道钢支撑梁，支撑梁采用参数为Ф609×12mm 的钢管，承台如图1 所示。

图1 主塔承台平面图

2 基坑有限元分析

2.1 有限元模型的建立

利用Midas GTS NX 有限元分析软件建立模型，考虑基坑影响深度为基坑开挖深度的2 ～3 倍，影响宽度为基坑开挖深度的2 ～3 倍，故建立长102.5m、宽87.8m、高33m、的三维基坑模型，土体采用修正摩尔－库伦本构模型，桩、冠梁、钢支撑采用线弹性模型。根据岩土勘察报告和地区经验，模型采用土体参数见表1。

表1 土层参数

本工程数值模拟中共分为4 步开挖，第一步开挖至支撑标高位置下1.5m 处，施加1 道钢支撑，并喷射第一层桩间混凝土；第二步开挖至坑下4.5m 处，并喷射第二层桩间混凝土；第三步开挖至坑下7.5m 处，并喷射第三层桩间混凝土；第四步开挖至坑底，并喷射第四层桩间混凝土；建立的基坑三维模型如图2 所示。

图2 有限元模型图

2.2 周边地表沉降分析

根据建立的三维有限元分析模型，由于基坑北侧邻近既有铁路线。故提取本工程基坑北侧测点在各施工工况下地表沉降变化值，绘制地表沉降随着施工工况变化曲线如图3 所示。在此基础上，提取基坑北侧五组地表沉降点，绘制基坑开挖完成后基坑北侧周边地表沉降变化曲线，如图4 所示。

图3 地表沉降累计变化曲线

图4 地表沉降-坑边距变化曲线

从周边地表沉降监测点垂直位移累积变化曲线图可以看出：（1）随着开挖深度的增加，基坑周边地表沉降逐渐增大，沉降量变化值位于距坑顶5m 处，累计沉降量为-6.8mm；（2）随着基坑的开挖和施工，距坑顶25m 和30m 处的沉降量几乎为0，基坑开挖施工对超过两倍坑深的位置周边地表沉降影响不大；（3）从图5 可以看出，基坑地表沉降分布呈“勺形”分布，基坑地表沉降最大点距离坑顶约3.3～5.2m，可以认为本工程的地表沉降最大值距坑顶约0.3H～0.55H。

根据实际监测数据和模拟结果，绘制基坑北侧DB1 监测点的地表沉降模拟值与监测值对比曲线，如图5 所示。

通过图5 可知，有限元模拟Midas GTS NX 计算结果与实际监测数据相差不大，模拟值略大于监测值，可能是现场施工条件变化及天气原因导致，但二者曲线变化趋势一致，比较符合工程实际，表明Midas GTS NX可用于模拟工程实际。

2.3 桩顶水平位移有限元分析

根据建立的三维有限元分析模型，由于基坑北侧邻近既有铁路线。因此，提取基坑北侧各施工工况下支护桩桩顶水平位移变化值，绘制水平位移随着施工工况变化曲线如图6所示。

图5 模拟与监测对比曲线

图6 桩顶水平位移累计变化曲线

从图6 可以看出：（1）随着开挖深度的增加，支护桩桩顶水平位移逐渐增大，其中，支护桩桩顶水平位移累积最大值变化量X 为5.8mm；（2）图中曲线3 为施加支撑的桩体点位，可以看出，施加支撑之前桩顶水平位移为2.2mm；施加内支撑之后，由于内支撑的作用，使水平位移得到控制，变形逐渐减小，但在开挖至坑底时，变形再次出现达到1.9mm。随着基坑施工完成又逐步趋于稳定，可见支撑能够很好的控制桩顶水平位移。

3 结语

本文采用Midas GTS NX 有限元分析软件对哈西大街打通工程（跨铁路部分）主墩承台深基坑支护工程进行三维数值模拟，分析了深基坑及支护结构的变形特征，并将模拟值与监测值进行对比分析，得出结论如下。

通过监测值与模拟值对比分析，模拟值略大于检测值，但两者变化曲线基本吻合，证明Midas GTS NX 有限元软件能够较好的模拟深基坑工程的变形。

分析结果表明，随着开挖深度的增加，支护桩桩顶水平位移逐渐增大，带有内支撑的支护桩桩顶水平位移相对较小，证明内支撑能够很好的控制桩体变形。

根据地表沉降变化曲线可知，基坑周边地表沉降随着开挖深度增加而增大，地表沉降分布呈“勺形”分布，结合监测数据与模拟结果得出地表沉降最大值位于距坑顶0.3H～0.55H 处。

利用Midas GTS NX 创建的三维有限元模型，能够真实地反应土体-支撑-支护桩之间的变形协同作用，说明该方法能够较准确地反映工程实际的变形特征，能够用于工程实际指导施工。