李 响，蒋 丹
(1.北京市公联公路联络线有限责任公司,北京 100071; 2.北京市建设工程质量第三检测所有限责任公司,北京 100037)
0 引言
随着国内城市轨道交通的迅速发展,都市通勤压力得以显著减轻,但由于空间局限,城市规划时经常出现轨道交通的各种管线交叉施工[1-2]。基坑施工对邻近桩基的危害主要体现在其水平位移与竖向沉降上,进一步可能引发桩基一定范围的水平偏移,从而降低桩基的承载能力[3]。具体而言,土壤沉降对桩基产生了负摩阻力,导致桩体下沉。特别是当桩基发生不均匀下沉时,这将引起上部结构的不均匀沉降。这种不均匀沉降不仅会影响建筑物或构筑物的整体稳定性,还会给其造成额外的荷载分布和变形不均的风险。而土壤的水平位移则会产生附加的弯矩、应力和位移,对邻近桩基造成进一步影响。当这些影响达到严重程度时,临近桩基可能会发生过度变形甚至破坏,从而危及到桩所支撑的建筑物或构筑物的稳定性和安全性[4]。
最初基坑开挖有限元计算主要以平面为主,随着开挖现场情况日趋复杂,采用空间三维有限元计算已显得十分必要[5]。杨敏等[6]首次利用三维弹塑性有限元法,对基坑开挖和临近桩基相互作用问题进行了分析。张乐乐[7]采用MIDAS GTS NX建立修正摩尔-库仑土体模型对基坑开挖邻近地铁桩基变形进行三维有限元分析。根据多项研究结果表明,深基坑开挖对邻近桥桩的影响主要体现在以下三个方面:首先,土体的水平位移会产生不平衡的水平力作用于桩身上,导致桩发生额外的应力和位移;其次,土体的沉降会引起桩身负摩阻力的作用,增加桩基的承载压力;最后,土体的变形可能引发邻近桥墩发生附加的沉降现象[8]。这些因素的综合影响可能对桥桩的稳定性和承载能力产生重要影响,因此在深基坑开挖过程中需要认真评估和采取相应的工程措施,以确保邻近桥桩的安全性和结构稳定性。
为模拟管线基坑穿越对高架桥桩的影响,本文建立了三维数值计算模型,得出各方向桩基变形最大值与发生位置,并提出了相应控制措施。
1 工程概况
北辛安路位于石景山区中西部,该路段从K1+896起点延伸至设计终点段,穿越大台铁路和轨道交通S1线,形成了一座铁路立交。然而,由于道路低洼处的雨水无法自然排除,每年的汛期和大雨季节都容易出现积水问题。因此,迫切需要建设一座雨水泵站来解决这一问题。该泵站将起到将积水抽排的重要作用,确保道路通行的畅顺与安全。泵站的拟建场地位于首钢园北区1607-080地块,进入地铁11号线金安桥站保护区范围内。泵站出水通过DN2 000 mm压力管道自西向东接入特钢北二路规划雨水管道(6.8 m3/s),下游经北八沟接入西郊砂石坑。新建泵站进水管线南北向邻近穿越S1线四道桥-金安桥站高架区间,新建泵站出水管线东西向上穿地铁11号线金安桥站车站主体(见图1)。
2 计算模型及参数
2.1 计算模型选择
考虑到施工引起的结构沉降和地层有关,此次的项目整体采用连续介质模型,即地层-结构模型进行力学变形分析。修正摩尔-库仑模型是一种改良版的本构模型,用于描述土层的力学特性。该模型在摩尔-库仑本构模型的基础上进行了改进,以适用于具有幂率关系的非线性弹性模型和弹塑性模型的组合模型[9]。它被广泛应用于模拟土壤在不同加载条件下的应力-应变行为,并能够准确考虑土壤的弹性和塑性特性。修正摩尔-库仑模型为土力学研究和工程实践提供了有效的工具,用于分析和计算土层的力学行为。
本次计算采用MIDAS GTS NX软件,模拟基坑及管线的施工过程对地铁车站结构及轨道的安全性影响,提供既有结构的变形计算数据,综合各项相关参数,提出管线穿越对高架区间桥梁变形影响。
2.2 计算假定
基坑及管线开挖施工期间既有地铁仅考虑正常使用工况,不考虑地震、人防工况;在进行基坑和管线开挖施工时,对于已存在的地铁结构,通常仅考虑日常使用情况,而不考虑地震、防护等特殊工况。此外,我们假设已存在的地铁结构是具有弹性特性的线性材料。同时,我们假定新建结构、已存在的地铁结构和土体之间符合变形协调原则。需要明确的是,本评估分析是在施工过程中充分控制的正常条件下进行的。
2.3 计算模型
本次计算模型中,针对周围土体的描述使用了实体单元,这种单元可以更准确地模拟土体的力学行为。根据不同的周围土层情况,选择了相应的结构材料进行建模。在边界条件的选择中,顶面采取了自由边界条件,即允许自由变形;而其他边界则采用了法向约束条件,即限制了边界的法向位移,使其受到约束。通过这样的模型设置,可以更好地模拟和分析土体与周围结构的相互作用及变形行为。计算荷载考虑地铁结构自重、土体竖向自重、地面超载20 kPa。计算模式针对不同的建筑材料选择不同的本构模型模拟,对水泥材料使用线弹性模型,各层土体使用D-P模式,模型中土层参数根据地勘资料选定,如表1所示。
表1 土层计算参数表
三维评估模型范围为沿既有地铁S1线路方向150 m,线路法向方向200 m,土层厚度60 m。新建结构包括拟建管线开槽及顶管竖井,既有结构包括S1线高架区间及11号线金顶街—金安桥暗挖区间。评估范围示意图和模型示意图如图2所示。
拟建工程项目影响既有S1线,工程影响既有线范围较大,结合项目特点,根据新建项目特点与地铁相对位置关系,结合地铁保护相关条例关于地铁保护区50 m范围的要求,同时,考虑计算模型边界效应,针对项目影响S1线进行建模,重点考察既有线受施工产生的变形及受力情况。
3 施工过程模拟及计算结果
施工过程模拟按安全评估所得最不利情况分析施工对既有桥梁的影响,模拟最不利情况一次整体开挖完成。
为体现所有构件的变化状况和变化规律,下面将列出各阶段在工程建设完成后所有构件的变化云图(见图3—图5),进而分析所有构件的变化结果和变化规律。
根据模型计算的结果显示,经过测算,在管线开槽完成后,已存在的地铁S1线区间的高架结构出现了一定程度的竖向变形。其中,竖向变形的最大值为0.395 mm,表现为结构的上浮变形,并发生在邻近管线侧的桥梁墩台位置。此外,横桥向的横向变形的最大值为0.314 mm,而顺桥向的横向变形的最大值为0.157 mm(见表2)。这些横向变形都偏向于管线开挖侧,并出现在邻近管线侧的桥梁墩台位置。这些测算结果反映了管线开挖对地铁高架结构的影响,提供了对结构变形情况的定量描述。地铁维修规则中给出了整体道床线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值,见表3。
表2 既有S1线高架区间变形情况 mm
表3 地铁维修规则中整体道床线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值
4 结论
1)管线基坑施工过程中,在竖直方向桩基均有所上浮,最大变形位置在远离既有11号线的桥墩承台靠近开挖侧;横向上产生一定水平偏移,桩基底面向远离隧道方向偏移,桩顶向隧道方向偏移[8],且桩基上部产生的偏移较大。2)新建基坑工程引起既有地铁S1线轨道结构最大竖向及横向变形值均小于0.5 mm。因此,根据计算得出的轨道结构变形值,可以满足QB(J)/BDY(A)XL003—2015北京市地铁运营有限公司企业标准—技术标准—工务维修规则中规定的轨道几何尺寸容许偏差管理值的要求(见表2)。这意味着计算结果显示的轨道结构变形在允许的范围内,符合相关标准要求。这种符合性确保了轨道的几何尺寸和形状在合理的范围内,以确保地铁运营的安全和正常进行。3)根据对变形风险最大的点位的分析,北辛安路(长安街西延—阜石路)雨水泵站工程穿越地铁S1号线施工时会对现有高架桥桩基和轨道框架造成相应的附加变化,但预测影响值相对较小,仍处于轨道交通运行的安全性容许标准以内。4)基坑开挖引起的土体水平位移是导致桩体侧移和内力产生的主要原因。这种位移受多个因素影响,包括支撑结构的强度、土壤结构、开挖速度和深度,以及围护结构质量等。其中,围护结构预应力和入土深度是最重要的因素。因此,在预测桥梁变形最大的区间进行基坑开挖时,必须确保支撑围护符合规范要求,以减小土体水平位移的影响。这样可以有效控制桩体的侧移和内力,并确保施工过程的安全性和稳定性。
