航道施工对临近在建桥梁变形影响分析及开挖方案研究

赵殿鹏 潘国华 姚平 傅林 蒋国兴 谭松

摘  要：合理的航道开挖方案对保障临近在建建筑物的安全至关重要。为了研究航道开挖对临近在建大桥桥塔结构及地面的变形影响，依托实际工程，采用有限元软件Midas GTS/NX分别对3种施工方案进行了数值模拟，分析了不同开挖方案下主塔结构及临近地面的水平位移和沉降。通过对比分析各个开挖方案中结构的水平位移值与沉降值，选出了适宜的开挖方案。研究可为工程施工开挖方案选择提供了参考。

关键字：航道  临近建筑物  变形分析  、数值模拟

中图分类号：TV91              文献标识码：B               文章编号：

近几十年来，随着社会发展的需要，水利水运工程大量兴建。为满足日益增长的通航量的需求，新建航道基坑逐渐朝大型、超大型方向发展。超大型基坑开挖会对周边环境造成影响，例如，临近建筑物等，尤其是富水地区[1-4]。施工方法不当，可能造成严重工程事故，导致重大经济损失，甚至人员伤亡。数值模拟方法可以对不同方案进行模拟，指导实际施工[5-6]。

依托新建航道项目，针对变形控制的问题，开展新开挖航道的3种不同开挖方案的有限元模拟，通过分析不同方案开挖下紧邻建筑物结构和地面的变形，为航道施工方案选择及安全施工提供指导。

1 工程概况

依托船闸工程为杭州八堡船闸新建工程。船闸两端航道均需开挖，上游距离上闸首200m处新建九乔路大桥走向与拟开挖航道走向垂直交叉。桥梁已完成主塔施工，桥面结构仍在施工，尚未完成体系转换。桥塔两侧均需新开挖航道，一侧为主航道，另一侧为排涝引河道，两航道属于不同单位施工。桥塔承台距离主航道设计边界12.4m，距离排涝引河道60m。根据设计，主航道放坡开挖后边界紧临桥梁桥塔承台，坡率1：1.5。排涝引河道放坡开挖后边界距离承台28m，坡率1：3.75。主航道由标高5.00m开挖至-3.3 m，开挖深度8.3m。

航道放坡开挖后边界紧邻大桥主塔，为研究主航道开挖对大桥的变形的影响，拟预先采用有限元软件开展不同开挖方案的数值模拟，分析各方案开挖下桥塔结构及基坑边缘变形情况，以选择适宜的施工方案及判斷是否需要采取支护措施，从而为工程安全提供指导。

根据现场，拟开展以下3种开挖方案的数值模拟：

方案一：只开挖主航道，主航道由顶部到底部分为4层逐层开挖，由计算可得每层开挖深度2.07m，每层由模型两侧向桥塔中部对称开挖;

方案二：只开挖主航道，主航道沿走向每25m划为一段，竖向从顶部到底部分为两层，每层4.15m。施工时分别从距桥塔上、下游100m处开始，开挖顺序为“①上—①下—②上—②下—③上—③下—④上—④下”，第四段为中间核心土，如图1所示。

方案三：主航道侧开挖方案同方案二，与此同时，排涝引河道侧开挖土体范围从主塔分别向上、下游延伸50m，沿走向分三段竖向分两层开挖。主航道①、②两段开挖的同时，排涝引河道需要开挖段同步开挖完成，如图1所示。

2 模型建立

采用有限元软件Midas GTS/NX开展数值模拟。根据现场实际，按照原型尺寸建立模型如下图2所示，为提高模型计算效率，主航道与排涝引河道沿中心线，取一半河道进行建模，模型尺寸为300m×200m×120m，大桥桥塔结构如图3所示。

修正莫尔—库伦模型由莫尔—库伦模型扩展而来，能反映土体非线性变形，并考虑土体的应变特性，被广泛应用于数值分析软件[6-7]。其屈服面为解耦双硬化模型，剪切破坏和压缩破坏互不影响。大量学者已使用修正莫尔—库伦模型进行了深厚软土基坑开挖模拟计算，结果与实测结果较吻合。因此本次模拟计算中土体本构模型采用修正莫尔—库伦模型。模型岩土体物理力学参数如下表1所示。

基坑开挖过程模拟前，模型边界条件设置为：底面为固定边界，周围4个面为固定法向约束，顶面为自由边界。模型总节点为237 485个，总单元个数为311 471个。模型中设置3个监测点进行位移监测，在主航道侧边坡坡顶设置监测点A，主塔承台平行于航道走向的两侧顶面设置位移监测点B、C，如图2所示。

3 模拟结果分析

3.1 水平位移分析

不同方案下各测点最终水平位移如下表2所示，3个方案中，监测点A水平位移相差较小。A点处，方案三产生的水平位移最大。方案二次之，方案一最小。而B、C监测点位置处，3个方案的位移相差较小，且各个方案下累计水平位均非常小，产生的位移在2mm左右。

方案一中，由于施工方式为由上至下分层开挖，每层开挖量2m，因此，其相对于其他两个方案来说，应力分为多次释放，并且两侧为放坡开挖，总体对边坡的扰动小，因此A点产生的水平位移相对较小。B监测点处，航道开挖至设计标高后，承台底部与航道底部标高仅相差2m左右，由于承台体积大，埋深较大，因此主要还是受自重作用，航道开挖对承台位置的影响很小，以至于产生的位移不到2mm。3个方案中，方案三C点的水平位移相对较小，这是由于排涝引河航道也进行了开挖后，使桥塔双侧应力释放均衡。

3.2 沉降分析

不同方案下各测点最终沉降值如表2所示，B、C监测点沉降差异没有明显的区别。承台处主航道侧B点的总沉降量在5mm左右，而排涝引河道和C点的沉降量均小于B点。A点处，方案二产生的沉降最大，总累计沉降为31.96，方案三次之，为28.32mm，方案一最小，沉降为26.09mm。总体来看，桥塔结构处整体产生的竖向位移小，但整体结构向主航道偏转。航道边坡中因放坡开挖，且没有进行任何支护，因此产生的沉降最大。三个方案对比，方案一开挖后产生的沉降相对较小，而方案二方案三沉降相近。A监测点处，方案一的沉降量为方案二的81.58%，为方案三的92.22%。导致这样的原因为方案一分4次开挖，每层开挖2m，而方案二和方案三分2层开挖，每层4m，一次卸荷回弹相对较大。3个方案中，由于主航道更靠近桥塔，因此主航道开挖导致桥塔两侧B、C点存在沉降差异。而方案三中两侧的沉降差最小，这是由于桥塔两侧的主航道和排涝河道都进行了开挖。

4 施工方案选择

结果表明方案一在控制航道边坡水平及竖向位移方面效果较好，方案三在控制桥梁主塔结构的位移方面效果较好。利用有限元Midas GTS/NX进行方案二、三分段开挖时，分段开挖的现实形式为直接钝化相应单元段，因此会导致较大的卸荷回弹，而在实际施工中，并不能短时一次性开挖与数值模拟相当的土体方量。同时，本项目中关注的重点为桥塔结构的稳定性，因此，采取的方案应更多考虑对桥塔结构的稳定性。

根据《城市轨道交通工程监测技术规范》规定，工程施工中，周围结构最大沉降量≤0.1%H（H为基坑开挖深度），且≤30mm;最大水平位移≤0.1%H，且≤30mm。本工程航道开挖深度为8.3m，按照规范，允许沉降量及水平位移均为8mm。本次模拟中，承台处的水平位移及沉降均满足规范要求值。根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）规定，由于建筑地基不均匀、荷载差异很大、体型复杂等因素引起的地基变形，对于多层或高层建筑和高耸结构应由倾斜值控制;建筑物的地基变形允许值按照规范中规定。本工程中，承台两侧B、C测点间距为10m，按照多层和高层建筑的整体倾斜标准，则允许的水平位移值为10×0.0025×1000mm=25mm。3个方案的沉降差均小于25mm，均满足规范要求，而方案三产生的沉降最小。因此，综合分析，拟推荐方案三作为工程的开挖方案。

5 结论

针对工程中面临的问题及需要，开展了新建船闸航道工程3种不同开挖方案的有限元软件数值模拟，分析了不同方案开挖对紧邻近桥梁和地面的变形，得到以下结论。

（1）数值模拟结果表明方案一在控制航道边坡竖向位移方面效果较好，方案三在控制桥梁主塔结构水平位移方面效果明显。

（2）在利用有限元Midas GTS/NX进行方案二、三分段开挖时，分段开挖的实现形式为直接钝化相应单元段，因此会导致较大的卸荷回彈，而在实际施工中，并不能短时一次性开挖与数值模拟相当的土体方量。

（3）工程关注重点为桥塔结构的安全性，因此，方案应保证桥塔结构的稳定性。综合分析，方案三为最优开挖方案。

参考文献

[1] 丁海宁.岩土工程中基坑支护施工问题的分析与研究[J].科技创新导报，2019，16（4）：46-47.

[2] 刘波，范雪辉，王园园，等.基坑开挖对临近既有地铁隧道的影响研究进展[J].岩土工程学报，2021，43（S2）：253-258.

[3] 秦海刚.基坑开挖对临近建筑物的变形监测分析[J].科技创新导报，2020，17（5）：36-37.

[4] 任玉向.软土地区基坑开挖对邻近建筑基础的影响分析[D].重庆：重庆交通大学，2020.

[5] 李大鹏，阎长虹，张帅.深基坑开挖对周围环境影响研究进展[J].武汉大学学报：工学版，2018，51（8）：659-668.

[6] 孔令华，胡军然，牛文宣，等.邻近老旧房屋狭长深基坑开挖施工数值模拟及周边环境影响性分析[J].建筑结构，2021，51（S1）：1945-1951.

[7] 宗露丹，徐中华，翁其平，等.小应变本构模型在超深大基坑分析中的应用[J].地下空间与工程学报，2019，15（S1）：235-246.

基金项目：浙江省交通质监行业科技计划项目（ZJ201904）

作者简介：赵殿鹏（1980—），男，高级工程师，博士，主要从事公路工程设计、沥青路面科研等工作