地铁车站基坑开挖对城市高架桥梁的影响分析

摘要：随着城市化进程的加快，城市地面交通压力日益增大，目前全国各大城市修建地下轨道交通工程成为解决此问题的有效途径。为保证明挖法修建地下轨道交通时，基坑开挖回填前城市高架桥的安全及正常使用，所以本文主要研究分析基坑开挖对紧邻高架桥桥桩基础、承台的影响，提出对高架桥采取保护措施，在高架桥与基坑之间增设隔离桩，使桥梁基础、承台的位移及变形有较明显的减小，保证桥梁的安全。

关键词：地铁车站；基坑；高架桥梁；有限元；隔离桩

Analysis of the subway station excavation influence on city viaduct

Abstract: With the city development, city traffic pressure on the ground is increasing, the national each big city construction of underground rail traffic engineering has become an effective way to solve the problem.In order to guarantee theconstruction of underground rail transit digging, excavation backfill of cityviaduct bridge safety and normal use, so this paper mainly studies analysis of influence on Adjacent Viaduct Pile Foundation, pile cap foundation pit excavation, proposes to take measures to protect the viaduct, add isolationpile between the viaduct and the foundation pit, the displacement of bridge foundation the cap, and the deformation is obviously reduced, ensure the safety of the bridge.

作者简介：薛护国（1987—），男，陕西咸阳人，2009年毕业于西南交通大学土木工程专业，助理工程师，主要从事于地下工程研究与设计工作。

中图分类号：F293文献标识码： A

项目概况：

本车站位于两条道路交汇处，为城市轨道交通2号线与3号线换乘车站。其中2号线沿城市道路东西布置，与设于南北走向布置的3号线形成“T”型换乘，并在车站的西北侧设2,3号线联络线。本站拟建场地为周边环境较为复杂，周围建构筑物较多，其中3号线车站平行于高架桥，2号线车站在交叉路口处横穿高架桥。

本车站分三期施工，一期为2号线基坑开挖，施工主体结构；二期为3号线基坑开挖，施工主体结构；三期为联络线处三角形基坑开挖，施工主体结构。紧邻3号线基坑有一座相同走向高架桥，本文主要研究分析，二期3号线基坑开挖对邻近高架桥的影响，其基坑平面位置及高架桥基础位置如图一所示。

图一：基坑平面位置布置图

3号线基坑设计范围内：车站左线基坑长度为145.78m，右线基坑长度208.25m，南段盾构井处基坑宽度26.8m，基坑深度约为25.13m；标准段基坑宽度为22.9m，基坑深度约为23.3m；北段窄段基坑宽度为10.7m，一般段基坑深度约为23.1m，盾构井段基坑深度约为24.45m。

3号线基坑范围内地层从上至下依次为：（1）1杂填土、（3）1粘土、（3）3粉土夹粉质粘土、（4）1粉砂、（6）1粘土、（6）2 粉质粘土、（7）1粉质粘土、（7）2粉土、（7）3粉质粘土、（8）1粉质粘土、（8）2a 粉质粘土夹粉土、（8）3粉质粘土、（8）4a粉质粘土夹粉土、（8）4粉土、（8）5粉质 粘土、（8）6a粉质粘土夹粉土、（9）1粘土。3号线车站结构底板主要座落（6）1层上，局部座落（6）2层上；连续墙底主要落在（8）2a层上，局部落在（8）3及（8）4a层 上。

基坑开挖工法及支撑系统

3号线基坑采用1000mm厚连续墙，钢筋混凝土支撑、φ609钢管支撑组成支撑系统，采用明挖顺筑法施工。南端盾构井段及北段右线盾构井段采用6道支撑、2道钢管换撑，其中第一、四、五道支撑采用钢筋混凝土支撑；标准段采用5道支撑、2道钢管换撑，其中第一、四道支撑采用钢筋混凝土支撑；北段左线盾构井段采用5道钢筋混凝土支撑；北段右线一般段采用采用5道钢管支撑、2道钢管换撑。

三维有限元分析计算原则及基本假定

3.1 三维有限元计算分析基本原则

本文主要是研究基坑开挖的影响分析，选用MIDAS GTS（隧道与岩土模块）三维有限单元软件计算，由于土体是典型的弹塑性材料,卸载模量远大于加载模量，Mohr coulomb（MC）模型将压缩和卸载模量统一采用杨氏模量E来表示，不能很好的模拟卸荷情况下土体的应力应变关系。如图二所示，在平面上的形状与普通的MC本构模型相同，且使用内摩擦角()、粘聚力()、膨胀角()来描述极限状态的应力。但是与描述理想弹塑性状态的MC模型不同，Hardeningsoil（HS）模型可以模拟应力增量随应变逐渐减小的硬化现象，因此本次分析土体采用HS本构模型，该模型可以较好的模拟土体卸载时的应力应变关系。HS模型用三个刚度值来表征土体在开挖过程中的特性, 如图三所示该模型的屈服面分别由描述剪切硬化和高约束应力状态下的帽子本构硬化的屈服面组成，所以可以描述各种应力状态，其中为标准排水三轴试验中的割线刚度，为主固结仪加载中的切线刚度， 为卸载/重新加载刚度，参数选取见表3.1

图二：Hardeningsoil模型在平面上的屈服面，在弹性区域使用张拉强度限值抑制过渡张拉

3.2 三维有限元计算分析基本假定：

计算建模必须严格按照基坑施工工序进行，并考虑2号线施工完毕的地下结构模型。

围护结构地下连续墙采用板单元，钢管支撑采用杆单元，钢筋混凝土支撑采用梁单元，桥梁桩基础采用桩单元进行模拟。

三维有限元建模

土体模型尺寸：340m（长）×206m（宽）×55m（高）,单元数：11480 节点数：107524。根据《城市桥梁设计规范》荷载取值及考虑自重，高架桥承台施加荷载4500-5000kN，计算共分为9个计算阶段，分别模拟不同施工阶段的开挖和支护。其模型如图三，图四所示

图三：基坑三维有限元计算模型图图四：基坑支撑结构模型图（围护、支撑、高架桥桩、承台）

三维有限元计算结果分析

基坑开挖至设计深度后，高架桥桩承台及桩身变形如图五、图六及图七所示。

图五：基坑开挖完毕桥梁桩承台差异沉降图图六：基坑开挖完毕桥梁桩X向位移

图七：基坑开挖完毕桥梁桩Y向位移

由于基坑支撑密集，第一道、第四道采用钢筋混凝支撑，结构刚度较大，所以基坑开挖对桩承台影响较小。根据计算，基坑开挖至设计深度后，承台最大沉降为2.13mm，靠近基坑左侧桩身变化较大X 向最大变形为6.7mm，桩身Y 向最大变形为1.2mm，桩承受最大剪力为90kN；

桥梁桩身位移数值 表5.1

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桥梁桩身位移数值 表5.2

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优化分析

由于JHZ119 桩身位移不满足设计要求，且JHZ119 和JHZ114 距离基坑开挖距离最近，因此在JHZ119、JHZ114 侧设置沉降隔离桩以减小基坑开挖对不均匀沉降和水平位移的影响。计算模型的隔离桩位置见图八所示，图九为设置隔离桩后桩身水平位移变形图，由图九可以看出JHZ119、JHZ114 桩身水平位移明显减小。

图八：隔离桩位置及模型图

图九：增设隔离桩后桥梁桩X向位移

桥梁桩身位移数值（数值模拟） 表6.1

桥梁桩身位移数值（现场监测） 表6.2

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结论与建议

从以上的计算分析可以得出，不设置隔离桩JHZ119 桩身水平位移为6.81mm，不满足规范及产权单位对桥梁保护要求（≤6mm），设置后减小到设置后的4.85mm，满足设计要求；并且现场监测数据与数值模拟计算基本相同。桩身位移最大点约在1/3 桩深度；根据两组隔离桩分析统计，设置隔离桩对减小桩身水平位移25-30%左右，能够显著减小基坑开挖对桩身的水平位移。

综上所述：

1)数值分析结果与施工现场监测数据基本吻合，说明数值模型能有效模拟地铁车站基坑开挖对邻近建筑物的变形影响。

2)地铁车站基坑开挖对周围建筑物的变形影响程度与距离基坑的位置有关，距离基坑越远的桩基的位移变化比较小，而距离基坑的较近位置的位移和变形程度则较大。

3)桩身侧向位移随着埋深的增加而相应减小，但在地表以下较浅处及基坑底的位置处相对较大。

4)对邻近有建筑物的基坑开挖工程，为减小基坑开挖对邻近建筑变形影响，应采用相应工程措施，比如增设隔离桩（墙）、加固邻近构筑物的基础的土体等，加强监测，并做好现场施工应急预案。

参考文献：

1、《基坑工程手册》（第二版） 刘国彬 王卫东 主编中国建筑工业出版社；

2、《多级梯次联合围护基坑开挖对环境影响分析》 刘一杰等 《地下空间与过程学报》；

3、《无锡地铁二号线总体技术要求》 中铁第四勘察设计院集团有限公司；

4、《Midas/GTS在岩土工程中应用》 李治 编著中国建筑工业出版社

5、《城市桥梁设计规范》(CJJ 11-2011)