地铁深基坑不同施工进尺对邻近桥墩及下跨拱涵影响数值分析

胡治东，韦良文，2

（1.重庆交通大学 土木建筑学院，重庆400074；2.重庆交通大学山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地，重庆400074）

1 引言

地铁作为一种城市交通工具，不仅能给人们带来方便快捷的出行，还能缓解城市的交通压力，在能源存量日益减少的今天，地铁更是一种环保出行的不二选择。但地铁车站及其区间段多位于人口密集区域，地铁的施工不免会对邻近建筑物造成影响。如何减小地铁区间段以及车站施工对临近构筑物的变形影响便成了设计、施工时面临的重要问题。基坑开挖施工时对临近构筑物的影响这一问题，国内外学者开展了大量的研究［1～3］，李栋［4］等针对重庆轨道交通地铁六号线花卉园到大龙山区间研究了在盾构机开挖施工时产生的动荷载作用下，小净距隧道的稳定性；李志高［5］等研究了在上部基坑开挖施工时，对下跨隧道的变形控制方法。笔者以重庆轨道交通环线渝鲁站至五里店站区间的明挖段项目为背景，采用数值分析方法对深基坑施工于邻近桥墩以及下跨拱涵的变形影响特性进行了分析。

2 工程概况

重庆轨道交通环线的渝鲁站至五里店站区间明挖段，其西侧为冲压厂高架桥，其东侧为庆业九寨及其鲁能星城等居民住宅区。工程场地位于构造剥蚀丘陵地貌，外露地层参数由上自下分别为：第四系全新统填土层（Q4ml），残坡积层（Q4el＋dl），侏罗系中统沙溪庙组（J2s）沉积岩层。沿线的主要地下水源来自基岩裂隙水及第四系松散层的孔隙水。明挖段设计起讫里程YDK22＋946.403～YDK23＋356.500，在回填土层采用放坡支护，本次分析选取西邻冲压厂高架桥及下跨排水拱涵的放坡支护段。

基坑开挖放坡边缘最近距西侧高架桥桥墩2m，基底距下跨排水拱涵最小为1.1m。开挖边坡采用锚喷支护，支护参数为：R42锚杆L＝10m＠1.2m＊1.2m，0.2 m厚喷射混凝土。放坡典型横断面（适用于YDK22＋076.9520～YDK＋152.3840）见图1。

图1 基坑横断面

3 数值计算及结果分析

3.1 计算模型

采用ANSYS软件进行计算，模型长100m，宽100m，高度60m。地铁开挖基坑西侧为冲压厂高架桥桥墩，从南往北分别为9＃、10＃、11＃桥墩，墩底扩大基础均嵌入基岩，桥墩直径为2m。在开挖基坑下、靠近11＃桥墩基础横跨排水拱涵，见图2。

图2 有限元模型

3.2 计算条件

工程场地施加20kPa地面超载，墩顶支座施加5270KN集中荷载。材料物理力学参数见表1。模型通过杀死不同数量的单元来模拟不同开挖进尺对桥墩及排水拱涵的影响。

表1 材料参数

3.3 计算结果

通过有限元模型不同进尺开挖模拟地铁基坑施工过程对邻近桥墩及排水拱涵的影响。25m开挖进尺共7个施工步，50m开挖进尺共8个施工步，不同开挖进尺模型见图3、图4。

图3 25m开挖进尺

图4 50m开挖进尺

3.3.1 位移分析

经计算，随着基坑开挖深度增加，西侧桥墩及其基础的竖向位移逐渐增加，而基坑不同的开挖进尺对竖向位移的影响亦不同。水平开挖进尺为50m时，11＃桥墩基底、墩顶最大竖向位移分别为7.17mm、6.57mm；开挖进尺为25m时，11＃桥墩基底、墩顶最大竖向位移分别为6.65mm、6.15mm。不同计算步时的位移变化曲线见图5、图6。

图5 11＃桥墩基底竖向位移曲线

图6 11＃桥墩墩顶竖向位移曲线

不同开挖进尺对10＃桥墩横向位移曲线见图7。在基坑开挖过程中，10＃桥墩向基坑方向偏移量逐渐增大，最终趋于稳定。50m开挖进尺最大偏移量为18.81 mm，25m开挖进尺最大偏移量为14.96mm。

图7 10＃桥墩墩顶横向位移曲线

基坑开挖后，由于基底应力释放，导致下跨排水拱涵产生竖向位移，基底正下方拱顶位移值最大。不同开挖进尺开挖后拱涵的竖向位移见图8、图9，50m开挖进尺开挖后拱涵最大竖向位移值为18.75mm，25m开挖进尺开挖后拱涵最大竖向位移值为17.45mm，见图10。

图8 50m进尺开挖拱涵竖向位移

图9 25m进尺开挖拱涵竖向位移

图10 排水拱涵竖向位移曲线

对比分析不同开挖进尺对桥墩及排水拱涵的位移影响可知，小进尺开挖位移量均小于大进尺开挖位移量，对邻近结构较大进尺开挖有利，说明深基坑施工中采用较小的施工进尺对临近构筑物的位移、变形有一定的控制效果。

3.3.2 应变分析

对比分析不同开挖进尺开挖基坑后桥墩及拱涵的第一主应变区域大小可知，25m开挖进尺开挖基坑后桥墩及拱涵的应变区域略小于50m开挖进尺，表明小进尺开挖对应变也有一定控制作用，但作用不明显，见图11、图12。

图11 不同开挖进尺桥墩第1主应变

4 结论

通过有限元软件ANSYS分析研究不同水平施工进尺开挖深基坑对邻近桥墩及排水拱涵影响特性得到如下结论。

图12 不同开挖进尺拱涵第1主应变

（1）基坑施工过程中不同水平进尺开挖对邻近桥墩及排水拱涵的位移有不同影响。小进尺开挖可以有效降低对临近构筑物的位移作用。

（2）随着基坑开挖深度的增加排水拱涵上部应力逐渐释放，基坑正下方拱涵拱顶上凸，对结构不利。

（3）不同的开挖进尺开挖后对邻近结构产生的应变场不同，小进尺开挖较为有利。

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