某污水管道基坑设计变更对临近匝道桥梁影响

万 利 郭 开 魏 均 李 维

(1.湖北工程学院，湖北 孝感 432000； 2.武汉市政工程设计研究院有限责任公司,湖北 武汉 430000； 3.中南建筑设计院股份有限公司，湖北 武汉 430000)

在管线预埋、基坑施工过程中，周围建筑物不可避免地受管道施工的影响[1]。基坑开挖对周围土体的应力分布和变形可能造成较大的影响，进而改变周围结构受力状况或使其产生变形，最终影响结构的正常使用甚至安全性能[2]。此时，基坑开挖位置及加固措施显得尤为重要。若其开挖地点离临近建筑物过于接近，可能影响基坑坍塌或附近结构变形过大，影响其正常使用。然而考虑经济及地形地质特征等因素，并非基坑离临近建筑物越远越好。因此，合理地选择开挖地点十分重要。

本文结合某污水管道工程，采用数值模拟的方法研究管道基坑设计方案调整前后对临近既有匝道桥梁的影响。

1 模型的建立

施工现场见图1，采用有限元软件MIDAS[3]模拟施工场地的环境及建筑物。岩土体和桥梁、桩、承台均采用三维实体单元，钢板桩采用壳单元，钢支撑采用梁单元。模型x方向的宽度均为120 m，y方向的宽度均为120 m，z方向高约70 m。

原设计方案，基坑中线距离桥梁中线约12.0 m，深度为4.5 m，采用一道拉森钢板桩和D426×9@3 500的钢支撑进行支护，共272 266个单元，298 426个节点，如图2所示。在调整后的设计方案，基坑中线距离桥梁中线约22.0 m，采用两道拉森钢板桩和D426×9@3 500的钢支撑进行支护。x方向为水平面上垂直于巷道轴线方向，y方向为巷道轴线方向，z方向为深度方向。

2 模型的求解

计算采用的力学参数见表1[4,5]。

表1 地层及结构材料基本物理力学参数

1)移除支撑梁、拉森钢板桩单元，进行初始应力平衡计算；

2)移除管道基坑内开挖土体单元，激活基坑支护结构的单元，原体系的受力平衡被打破，使土体与结构应力重新分布。

方案调整后的模型除以上步骤外，最后对基坑进行换撑，激活坑底部0.5 m厚的素混凝土单元，移除第二道撑，土体与结构的应力再次重新分布。

3 计算结果分析

3.1 基坑周围土体变形情况分析

原设计方案模型土体位移见图3。结合数据分析可知，基坑开挖后，基坑底部土体向上隆起约36.2 mm，而基坑两侧的土体则略有下沉的趋势，最大的下沉位移约为3.3 mm。水平方向最大位移出现在靠近基坑底部偏上的地方，最大位移约为 15.6 mm。在桥墩附近的土体由于桥墩的阻碍作用，水平方向与竖直方向的位移受到一定影响而变小。

设计方案调整后，模型的土体变形趋势与原模型基本相同。基坑开挖后，基坑底部土体向上隆起约35.5 mm，而基坑两侧的土体最大的下沉位移约为1.5 mm。由于该调整后的设计方案的水平钢支撑有两道，水平方向最大位移明显变小，仅有 10.3 mm，而且最大值出现的地方更靠近基坑底部。由于该模型的基坑距离桥梁较远，桥墩附近的土体变形亦明显减小。模型土体z向位移见图4。然而换撑过程中，发现基坑的两侧土体略有下沉，最大的下沉值约为1.6 mm。由于回填混凝土的重力作用，基坑底部略有下沉，原来第二道支撑处的土体向基坑中部变形，最大水平位移约为6.6 mm。在换撑完成之后，最大水平位移为10.7 mm，坑底隆起34.5 mm，其z方向的土体位移如图5所示。

3.2 基坑施工对支护结构受力情况的影响

原方案支护结构的位移受到桥墩及其桩基的影响，对应于桥墩处的钢板桩围护结构变形明显小于其他位置。而修改后的方案由于增设两道钢支撑，在开挖后，钢板桩围护结构的变形小于原方案。修改设计方案前后基坑开挖和换撑后的土体的总位移模拟结果见图6。从图6中可以看出在换撑后原来第二道支撑处向基坑内变形约6.3 mm，原来第二道撑所受到的轴力向第一道撑和底板混凝土转移。

3.3 基坑施工对桥梁基础稳定性及支护结构的影响

图7a)与图7b)分别为原设计方案与方案调整后的计算得到的在基坑开挖后的桥梁及其桩基的位移，图7c)为在换撑后桥梁及其桩基的位移。模型1承台处的位移约为1.32 mm，而桥面的位移约为1.52 mm，其方向均指向基坑，在15 m深以下的桩的变形基本可以忽略。当基坑距离桥梁较远且有两道钢支撑支护时，桥梁和桩基的最大位移仅仅0.43 mm，换撑后最大的位移也仅有0.5 mm。

原设计方案与调整方案的钢板桩与桥梁的位移见表2。由模拟结果可知，采用这两个方案进行基坑施工后的桥梁及其基础的变形均可以满足相关规定，但是调整方案对桥梁的影响更小。

表2 钢板桩与桥梁的变形

4 结论及展望

通过对三环线污水管道基坑开挖时土体、桥梁、支护结构的变形和受力进行了数值模拟，分析施工过程中桥梁的稳定性，结果表明：采用这两个方案进行基坑施工后的桥梁及其基础的变形均可以满足相关规定，但是调整后的设计方案对桥梁的影响更小。目前该污水管道已建成，正在对其进行变形监测，后续将继续跟进研究现场监测结果与有限元模拟结果的吻合程度，用以证实模拟的有效性。