温州市铁路与轨道交通投资集团有限公司 余忠 325000
[摘要] 城市轨道交通是重大民生工程，周边深基坑施工会引起既有轨道交通设施的变形。以温州市市域铁路S1线龙霞站A-12b地块项目工程为背景，建立三维数值分析模型，对深基坑施工过程引起既有轨道交通高架的变形开展了研究。分析结果表明：数值分析计算结果与现场监测数据较吻合，采用修正-莫尔库仑土体模型能有效模拟温州地区基坑施工对周边环境的影响；采用合理的基坑围护设计方案和施工工序，可将基坑施工对高架桥墩和桩基的影响控制在安全范围内，可供今后类似项目借鉴。
[关键词] 有限元；深基坑；桥墩；桩基；变形
0引言
随着我国经济快速发展，城市化进程不断加快，城市轨道交通网络的不断完善，既有运营线路周边的深基坑工程越来越多。深基坑施工会造成周边土体应力场的变化，进而引起邻近的轨道交通结构产生变形[1-2]。轨道交通设施的变形要求往往比较严格，控制基坑开挖施工引起的紧邻地铁设施附加变形和荷载是轨道交通结构保护的关键。目前，国内外学者对深基坑施工对临近轨道交通结构的影响进行了一些研究[3-5]。理论分析和工程实测表明，深基坑开挖引起相邻轨道交通高架桥墩的位移响应规律是复杂的，具有多方面的影响因素[6-7]。
本文主要以温州市核心片区临近轨道交通S1线站南单元A-12b地块项目工程为依托，采用MIDAS/GTS建立三维数值模型，分析了基坑施工对既有运营轨道交通高架设施的影响，并与现场实测数据进行对比研究。
1工程概况
温州市市域铁路S1线龙霞站A-12b地块位于温州市瓯海区梧田街道，北侧为龙霞北路及S1线高架，对应桥墩标号为242号墩～249号桥墩，每座桥墩下设有6根摩擦桩，桩径为1.25m，桩长约65m。地块东侧为寮东家园及欣园北路，南侧紧邻阁楼河，西侧为规划建设空地。
基坑临S1线东、西向长度约154m，南、北向宽度约72m，基坑开挖总面积约10936m2，周长约424m，地下室为地下二层，临S1线高架侧基坑开挖深度约8.45~8.90m。基坑开挖内侧边缘距离温州市市域铁路S1线高架桥（承台）最近距离约为30.55m。
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北侧紧邻市域铁路S1线区域的基坑（1-1 剖面）为地下二层基坑，开挖深度为8.9m，采用“钻孔灌注桩排桩+二道内支撑”的支护方案，钻孔灌注桩桩径1000mm，间距1200mm，嵌入基坑底以下19.6m，止水帷幕采用单排Φ650@450三轴水泥搅拌桩，嵌入基坑底以下4.05m。基坑竖向设置二道支撑，两道支撑均为钢筋混凝土支撑。基坑坑内被动区采用双轴搅拌桩进行加固，加固形式为裙边加固。
2.变形控制标准
根据相关规范要求，并综合考虑S1线高架桥墩规模、结构形式、基础类型、建筑材料、所处地质条件等因素，结合其与本工程的空间位置 关系、已有沉降（差异沉降）和倾斜以及当地工程经验，本工程施工对温州市域铁路S1号线高架桥墩变形控制标准如下表所示：
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3有限元分析
3.1建立模型
根据基坑设计方案和S1线现状，对模型进行适当简化，并采用MIDAS GTS建立三维计算分析模型。（1）修正-莫尔库仑模型可广泛应用于软土地区地基开挖分析中[8-9]，将土层简化为水平层状分布的弹塑性材料，本构模型采用修正-莫尔库仑弹塑性模型。（2）土体、桥承台、地基加固区采用三维实体单元模拟分析，基坑支撑、钻孔桩、钻孔灌注桩围护结构均采用1D、2D结构单元模拟。（3）模型的前后左右边界分别施加水平位移约束，底部施加竖向位移约束，顶面不施加约束。（4）S1线桥梁结构计算时，桥面直接搁置在桥墩上（即忽略桥面对桥墩的水平约束），桥墩上部作用节点荷载，荷载大小按照S1线桥墩设计荷载取值。根据工程经验和理论分析，模型尺寸为为370m×290m×70m（长×宽×高)，整个三维有限元计算模型共154826个单元，87969个结构节点。
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3.2施工工况
分析温州市市域铁路S1线龙霞站A-12b地块施工对温州市域铁路S1线影响的工程施工顺序，主要分为以下步骤进行模拟：（1）初始化地应力；（2）激活 S1 线高架；（3）进行围护结构、工程桩以及地基加固施工；（4）地块基坑开挖至第一道砼支撑；（5）地块基坑施工第一道砼支撑；（6）地块基坑开挖至第二道砼支撑；（7）地块基坑施工第二道砼支撑；（8）地块基坑开挖至基底；（9）施做底板；（10）拆除第二道砼支撑并施做中板；（11）拆除第一道砼支撑，总共11个计算工况。其中基坑开挖至基底（工况8）及拆除第一道砼支撑（工况11）为控制性工况。
3.3计算结果
根据地块基坑和S1线高架的相对位置关系判断，地块基坑施工对S1线的影响主要为Y方向水平位移和沉降。第一道砼支撑拆除后基坑围护、S1线桥墩和桥桩的位移云图如图4~图8所示。
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图8 各工况下S1线桥墩Y向水平位移变化时程图
从图4~图8可知，随着基坑开挖至基底后，基坑北侧围护桩最大水平位移达到11.3mm。A-12b地块基坑开挖时对S1线桥墩的水平变形影响较大，其中从第一道砼支撑施工完成至开挖到基底期间，S1线发生的阶段水平位移最大（246#桥墩最大为3.6mm）。由于基坑开挖对桥墩水平位移影响最大的主要位于靠近基坑中部的245#、246#桥墩，且246#墩承台离基坑距离最近，导致桥墩最大水平位移位于246#墩。结构回筑阶段，第一道砼支撑拆除后，246#桥墩出现最大水平位移，桥墩最大的水平位移4.1mm，满足水平位移控制值5mm要求；墩顶、底水平位移差最大0.1mm（位于246#墩），桥墩水平倾斜率0.01‰（墩高取8.8m），满足桥墩水平倾斜率4.3‰要求。
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从图9~图12可知，基坑开挖到底，坑底最大隆起量30mm，坑外地表土最大沉降量4.3mm。由于S1线高架采用桩基础，土体沉降的增大对桥梁结构的影响较为有限。S1线桥墩最大沉降0.95mm，最大沉降位于245#墩；S1线桥桩的最大沉降1.01mm，最大沉降位于245#墩，满足沉降控制值5mm的要求；相邻墩台最大沉降差出现在242#与243#桥墩之间，最大沉降差0.22mm，满足差异沉降控制5mm的要求。
4桥墩监测数据分析
根据基坑开挖影响对温州龙霞A-12b地块项目保护区范围桥墩水平位移、桥墩沉降、桥墩倾斜度、桥面水平位移等开展监测。
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由图13可知，A-12b地块基坑施工完成后，S1线246#桥墩发生水平位移最大，最大值为8.1mm，246#桥墩往两侧方向桥墩水平位移递减。
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由图14可知，A-12b地块基坑施工完成后，S1线246#桥墩沉降位移最大，最大值为0.8mm，246#桥墩往两侧方向的桥墩沉降位移递减。
5结语
温州市核心片区临近轨道交通S1线站南单元A-19地块项目基坑为背景，采用有限元软件建立三维精细化数值模型，研究了基坑开挖卸荷对轨道交通高架桥桩变形的影响，并与现场实测数据进行对比研究。主要结论如下：
（1）数值分析计算结果与现场监测数据较吻合，采用修正-莫尔库仑土体模型能有效模拟温州软土地区基坑施工对周边环境的影响，为设计施工提供借鉴。
（2）通过加强基坑工程围护结构刚度、增加围护结构插入比、增设坑底加固等保护措施后可将基坑开挖对桥墩和桩基的影响降低至轨道交通结构变形控制标准范围内。
（3）基坑施工对高架桥墩和桩基的水平位移影响较大，竖向位移影响较小；位于深基坑中部的高架桥墩和桩基变形较大，沿基坑两侧递减；随着基坑开挖深度加大，桥墩和桩基的变形逐渐增加。
参考文献：
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[作者简介] 余忠，男，浙江温州人，1988年10月，大学本科，工程师，主要从事城市轨道交通工程管理工作