軟土深基坑施工對近接鐵路橋變形影響分析

胡鐘予,劉國買,姚志雄,2,吳賁

(1. 福建理工大學 土木工程學院,福建 福州 350118;2. 地下工程福建省高校重點實驗室,福建 福州 350118;3. 中土集團福州勘察設計研究院有限公司,福建 福州 351111)

國家高鐵交通網日益完善,近接既有鐵路的基坑工程、下穿鐵路橋通道、隧道工程等日益增多,此類工程施工容易導致鐵路橋產生較大變形,可能影響鐵路安全運營。施工中如工程樁施工、基坑開挖、圍護結構施做、降排水等產生的加卸荷效應、地下水滲流往往會破壞土體的原有平衡狀態,引起應力重分布,從而使得周邊土體及近接鐵路橋等產生附加變形并危及安全,尤其在土質松軟、壓縮模量低、承載力差的濱海軟土地區,這種影響更是不可忽視[1]。

國內外學者對近接工程結構施工力學特性及相互影響機制方面做了一定研究。董亮等[2]通過有限元模擬分析了地面堆卸載對鄰近鐵路橋墩沉降的影響。劉永航等[3]基于湖北荊州某項目,分析了基坑開挖對鄰近橋墩的影響。TAN等[4]整理了上海多個地鐵基坑的監測數據,分析了基坑開挖的時空效應。肖嵐心[5]總結了濱海軟土地層特性以及軟土基坑的施工問題。張鑫磊等[6]依托南京某工程,通過對比現場監測數據與數值模擬結果,分析了基坑施工對近鄰橋墩變形的影響。但由于基坑工程導致的地質、環境條件各異,且施工方法、支護結構不同,基坑施工與近接工程相互影響機制復雜,濱海軟土地區涉鐵深基坑工程施工力學特性及影響機制仍需進一步研究。

本文以福州濱海軟土地區某下穿高鐵橋河道深基坑工程為背景,運用Plaxis 3D軟件對項目進行建模計算,結合近接鐵路橋橋墩的水平及豎向位移的監測數據,研究了軟土基坑施工對近接橋梁結構變形的影響情況,評價基坑施工方案的合理性及近接高鐵橋的安全性,以期為類似涉鐵工程安全施工提供借鑒。

1 項目概況

1.1 工程內容及周邊環境

南洋六河位于福州濱海地區,河道下穿福平鐵路石門特大橋。該工程項目施工包括軟基加固工程、基坑開挖、圍護結構及U型槽施工等?；庸こ涕L6 918 cm,寬5 220 cm,開挖深度約610 cm,鐵路橋垂直跨越河道基坑,17#橋墩位于基坑內,16#橋臺和18#橋墩位于基坑側壁,橋下凈空高度不到10 m?；又苓吰教归_闊,地面高程2.0～5.0 m。圖1為項目基坑平面圖。

1.2 工程地質條件

場地土層自上而下可分為:0(2)素填土,厚度2.1 m;1(2-1)淤泥質黏土,厚度7.4 m;1(6-1)中砂,厚度4.7 m;1(2-1)淤泥質黏土,厚度7.5 m;1(10-1)粗砂夾圓礫土,厚度3.6 m;1(2-1)淤泥質黏土,厚度9.0 m。具體分布見圖2地層剖面圖。根據勘察資料,各土層的物理力學參數取值如表1所示。

表1 土體物理力學參數Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil

圖2 ①—①地層剖面圖 (單位:m)Fig.2 ①—① stratigraphic section (unit:m)

1.3 工程設計及測點布置

按照橋下凈空和臨近鐵路橋施工微擾動的要求,橋下軟基采用直徑100 cm的 MJS工法樁和80 cm的灌注樁加固?；訃o結構采用SMW工法樁,工法樁為直徑85 cm三軸攪拌樁內插H700×300×13×24型鋼,圍護結構未采用內支撐?；娱_挖完成后施做混凝土U型槽。依據測點布置的幾何分布和對稱性原則,分別在16#橋臺和17#、18#橋墩上選取5個具有代表性的測點監測,包括3個水平位移測點和2個沉降位移測點。項目中各個結構體的尺寸及測點位置如圖3所示。

圖3 剖面圖及測點布置(單位:cm)Fig.3 Section and layout of monitoring points(unit:cm)

施工步驟:(1)施工SMW工法樁和基礎加固樁;(2)近橋段基坑開挖至基底標高;(3)遠橋段基坑開挖至基底標高;(4)施工混凝土U型槽主體結構。其中,近橋段開挖范圍為鐵路橋側面延伸約15 m范圍,該范圍內的開挖對橋墩影響較大,遠橋段開挖范圍為鐵路橋側面延伸15 m以外。

2 有限元模擬

2.1 模型假設

(1)各土層質地均勻,土層結構通過兩個鉆孔確定分布關系,如圖4所示。

圖4 土層模型剖面圖(單位:cm)Fig.4 Sectional view of soil layer model(unit:cm)

(2)巖土采用HSS本構模型。

(3)模型中的結構單元均為線彈性本構。

(4)考慮到邊界效應,將巖土實體單元的模型范圍設定為實際的2～3倍,模型范圍為150 m×70 m×70 m。

(5)不考慮施工產生的堆載和振動影響。

2.2 巖土本構模型參數選取

HSS模型主要包含3個物理參數、4個模量參數和4個高級參數[7]。其中,物理參數按表1選取,高級參數取軟件默認值,不同地區土層的模量參數差異較大,需按照項目中的巖芯樣本數據進行相關計算取值[8]。根據文獻[9] [10],模量參數Es1-2可通過土的液限指標計算,其他模量參數按照一定的比例換算[11]。對本項目勘察的29個巖芯樣本數據擬合分析,得到如下計算公式:

Es1-2=1.2/(wl-0.084)

(1)

式中,Es1-2為圍壓100～200 kPa時的壓縮模量,MPa;wl為土體的液限,%。擬合函數的決定系數R2為0.81,滿足置信要求,曲線擬合度較好。

各模量參數之間的比例關系如式(2):

Es1-2∶E50∶Eoed∶Eur=1∶1∶0.9∶4.2

(2)

式中,E50為三軸試驗參考圍壓下50% 強度的割線模量,MPa;Eoed為計算壓縮模量,MPa;Eur為卸載模量,MPa。

根據文獻[9]及上述擬合公式,計算各土層的HSS模型參數見表2。表2中,G0為土的剪切模量,一般取值為E50的10～20倍;νur為卸載泊松比;γ0.7為剪切模量衰減至70%時的剪應變;應力相關冪指數m取0.5。

表2 HSS模型參數取值Tab.2 Parameter values of HSS model

2.3 模型參數設置

結構單元模型使用了Plaxis 3D內置的板單元以及Embedded樁單元模型。對基坑支護結構采用板單元建模,主要包括:(1)鐵路橋非下穿段兩側的SMW工法樁支護;(2)U型槽結構;(3)橋下MJS工法樁和鉆孔樁所組成的支護隔水結構。重度參數按照組合材料構成比例計算,水泥土的重度為18.5 kN/m3,型鋼為78.5 kN/m3,HRB400鋼筋重度為24.7 kN/m3,C40混凝土重度為24 kN/m3。板單元剛度E1、厚度d和剪切剛度G12用下列公式計算:

E1=ESIS(1+α)

(3)

(4)

式中,α為水泥土剛度貢獻系數,取0.1;ES為型鋼的彈性模量,MPa;IS為型鋼的截面慣性矩,cm4;t為型鋼間距,cm;w為型鋼寬度,cm;Ec為水泥土的彈性模量,MPa;G為材料剪切模量,MPa;A為截面積,cm2;b、h分別為截面寬度和高度,cm。

部分板單元為多種材料和結構的組合,經過換算得到參數見表3。

表3 支護結構計算參數Tab.3 Calculation parameters of supporting structure

對軟基支護結構加固采用水泥攪拌樁、MJS樁和鉆孔灌注樁,模型采用Embedded樁單元。根據設計方案,選用C40混凝土,剛度參數參考《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)確定,攪拌樁的樁側摩阻力按照60 kPa計算,橋下灌注樁和鉆孔樁按照100 kPa計算,結合樁徑參數換算為單位長度摩阻力,樁端反力取1 000 kN。得到參數見表4。

表4 軟土地基加固樁和U型槽基礎計算參數Tab.4 Basic calculation parameters for soft soil foundation reinforcement piles and U-shaped groove

2.4 計算結果

有限元模型采用四面體網格單元,網格密度設為中等,三維模型及網格劃分如圖5所示。

圖5 三維模型及網格劃分圖Fig.5 3D model and mesh division diagram

鐵路橋在縱向受到邊界約束,其縱向剛度趨于無限大,所以鐵路橋墩產生縱向水平位移可以忽略不計,在有限元模擬中僅計算橋墩側向水平位移和沉降?？紤]到結構的對稱性,選擇位于基坑內側的17#橋墩和基坑側壁的18#橋墩作為研究主體,計算結果如圖6和圖7所示。

圖6 17#橋墩位移云圖Fig.6 Cloud chart of Pier 17#

圖7 18#橋墩位移云圖Fig.7 Cloud chart of Pier 18#

由圖6、圖7可知,兩橋墩的整體水平位移在各施工階段變化幅度較小,同一位置變化幅度在0.2 mm以內。而沉降在近橋段和遠橋段的開挖階段有明顯變化,表現為輕微上浮趨勢,隨著U型槽施工完成,這種上浮趨勢減弱。17#橋墩在SMW施工完成后最大累計沉降量約為1.3 mm,基坑開挖使得結構整體上升約1.1 mm,U型槽施工完成后,橋墩整體沉降約為0.2 mm,滿足控制要求。

3 監測結果與對比分析

3.1 監測結果

對橋墩監測頻率為每日一次,共有298 d的監測數據,監測結果如圖8和圖9所示。水平位移計量方向參照圖1中的坐標系,初始狀態為零點,以x軸正向為正;沉降計量值正值為上浮,負值為下沉。

圖8 橋墩水平位移監測曲線Fig.8 Horizontal displacement monitoring curve of bridge piers

圖9 橋墩豎向位移監測曲線Fig.9 Vertical displacement monitoring curve of bridge piers

由圖8可知,施工過程中17#～18#橋墩的水平位移在-0.5～0.2 mm范圍振蕩。在SMW工法圍護結構施工階段,基坑內施加了大量攪拌樁加固地基,整體擾動較大,橋墩水平位移振蕩較劇烈;在近橋段及遠橋段基坑開挖時,支護結構已發揮作用,橋墩水平位移呈較均勻振蕩且振幅較小,說明開挖對橋墩水平位移的影響較小;在U型槽施工階段其水平位移振蕩幅度有所加大,這與該階段較大的施工擾動有關,隨著U型槽封閉并與圍護結構形成整體受力,橋墩位移基本呈輕微振蕩,并穩定在-0.5 mm處,可滿足規范要求。兩個橋墩水平位移變化趨勢相似。

由圖9可知,在SMW施工初期,由于輕微擠土效應導致橋墩略微上抬,隨著土體應力調整橋墩沉降值穩定于0.5 mm;在近橋段開挖階段,橋墩上抬曲線較為陡峭,在遠橋段開挖初期,橋墩有一定回落,之后會再次輕微上抬,位移曲線平緩,橋墩上抬幅度約為近橋段開挖的一半,這說明基坑開挖范圍離橋墩越近,影響越明顯,而遠橋段初期的回落則是因為施工進度停滯及基坑內的堆載,使得土體自然沉降;隨著基坑開挖產生卸載效應,橋墩有上浮趨勢,位于基坑中間的17#橋墩上浮趨勢更加明顯。在U型槽施工階段,橋墩豎向位移振蕩幅度加大,位于基坑內的17#橋墩沉降在±0.3 mm范圍振蕩,總體滿足規范要求。

3.2 比較分析與討論

實測值參照圖8和圖9,結合實際工況,選取關鍵工況的特征位置取值,模擬值選用與實際工況相對應的累計位移變形量。在選取模擬值時,參照圖1中的測點分布,選擇對應節點的累計位移量。分別對17#、18#橋墩水平位移分析比較,如表6、表7所示。

表6 17#橋墩水平位移對比分析Tab.6 Comparative analysis of horizontal displacement for Pier 17#

表7 18#橋墩水平位移對比分析Tab.7 Comparative analysis of horizontal displacement for Pier 18#

由表6、表7可知,兩座橋墩水平位移實測值和模擬值相近,各個施工階段的誤差值總體均小于0.3 mm,說明計算結果能較準確地反映橋墩的水平位移變化。整個施工階段,橋墩沿橋面板側向先向基坑內側,即x負向發生水平位移,在近橋段開挖完成后水平位移達到最大約為-0.4～-0.5 mm,之后遠橋段開挖和U型槽施工使得橋墩的累計水平位移量逐漸減小,減小至-0.2～-0.3 mm。由圖7可知,由于受到施工擾動及其他外部因素影響,導致各個測點水平位移有約0.15 mm的誤差,但實測值和數值模擬結果均滿足橋墩水平位移±2.5 mm的控制值要求[12]。

17#、18#橋墩沉降對比分析如表8、表9所示。

表8 17#橋墩沉降對比分析Tab.8 Comparative analysis of settlement for Pier 17#

表9 18#橋墩沉降對比分析Tab.9 Comparative analysis of settlement for Pier 18#

由表8、表9可知,兩座橋墩的沉降實測值和模擬值誤差約0.2～0.75 mm。從模擬結果可以看出,SMW施工完成后,兩座橋墩會發生0.9～1.2 mm的沉降,之后近橋段和遠橋段基坑開挖使得橋墩產生上浮,這是由基坑開挖產生的卸載效應導致土體回彈所致。在軟土地區,由于軟土卸載模量較小,這種卸載效應更加顯著。同時,基坑開挖導致的橋墩上浮具有空間效應。近橋段開挖導致的橋墩上浮幅度約為遠橋墩開挖的兩倍。為了抑制基坑開挖導致的橋墩上浮,在實際施工中通過適當放緩開挖速度并在基坑內堆載反壓等方式來解決。由圖9可知,在近橋段開挖完成后,采用上述措施可保障后續施工中橋墩變形滿足控制的要求。

4 結論

1)通過有限元計算可知,圍護結構施工、基坑開挖及U型槽施工等產生的擾動、卸荷等效應,均對近接鐵路橋墩變形產生影響。施工過程中橋墩變形總體呈振蕩狀態,開挖產生的卸載效應使得影響范圍內的橋墩有上升趨勢,位于基坑內的橋墩影響較大,但總體位移均滿足規范要求。

2)實測表明,施工過程中近接橋墩各個測點水平位移值小于0.6 mm,豎向位移小于0.7 mm,說明基坑施工方法、軟基加固方式及圍護結構形式可行,基坑工程施工對近接鐵路橋影響微小,滿足鐵路運行安全要求。

3)選取橋墩典型位置的變形模擬值及實測值比較分析。結果表明,變形模擬結果與實測值較接近,誤差可滿足工程精度要求,且總體變形均小于控制值,鐵路橋結構是安全的。施工中可通過放緩開挖速度、在基坑內部堆載反壓等方式來進一步控制近接鐵路橋變形,以保障鐵路橋安全運營。模型計算結果能較好反映各施工階段對鐵路橋變形的影響情況,理論計算為工程實踐提供了指導。