摘要：本文依托某市域铁路高架桥工程实例，分析研究基坑开挖对邻近高架桥桩基的影响，运用有限元分析软件MIDAS/GTS，选取最不利位置基坑和对应位置桥梁结构建立三维有限元数值模型，模拟基坑开挖前后的土体变形及桥梁结构的响应。分析表明: 采取合适的基坑支护方案，基坑开挖对既有桥梁桩基影响安全可控。通过优化内撑竖向位置，必要时施加主动顶力，可有效控制柱顶位移。 关键词：并行高架桥；有限元分析；基坑支护
桥梁同步顶升
引言：部分工程建设项目根据一次规划，分期建设的指导原则分步实施，但已建项目会对续建项目施工期间产生空间干扰，同时续建项目施工期间必然对已建项目产生结构安全影响。本文依据实际工程案例，按施工流程计算基坑开挖对既有高桥梁的影响。因有限元模型难以精确模拟土体变形，所以数值计算的结果可以作为参考，但风险的消除还要依赖于现场监测成果及针对性技术措施，进而保证桥梁结构安全。 1工程概况
拟建市域铁路高架桥局部区间与既有公路高架桥并行设置，铁路桥位于公路桥之间。铁路桥承台基坑开挖深度为3.7m~8.5m，围护结构采用拉森钢板桩+内支撑的支护型式。基坑施工流程依次为施工钢板桩、开挖基坑至第一道支撑处、架设第一道支撑、分布开挖基坑、架设第二、三道支撑，开挖至基坑底[1]。
2 计算分析
2.1 几何模型
计算墩位下部结构为矩形桥墩+承台+8根Φ1.0m钻孔桩。承台尺寸为7.5×6.8×2.5m（长×宽×厚），承台基坑深度7m，围护采用SP-Ⅴ型拉森钢板桩，桩长18m，两道斜撑，斜撑和围檩均采用双拼45b工字钢。围护结构外边缘距公路高架桥基础水平净距约1.0m。
计算软件采用MIDAS GTS NX，根据计算量及收敛性，并考虑边界效应影响，基坑开挖影响宽度约为基坑开挖深度的3～5倍，影响深度约为基坑开挖深度的2～4倍。故计算模型的几何尺寸为80m×100m×80m。
模型计算采用六面体单元，共划分单元38135个，节点26604个。
图1 整体模型示意图
2.2 计算假设
为了简化数值计算同时也能够抓住主要矛盾，使三维实体模型计算变得可行，作以下假定：
（1）计算假定各层土体均为各向同性；
（2）土体进行弹塑性计算，混凝土结构进行弹性计算；
（3）采用施工步来模拟整个施工过程，考虑施工过程中空间位移的变化，不考虑时间效应；
（4）土体的初始应力场只计算自重应力，不考虑温度和构造应力的影响；
（5）考虑土体与结构间的协调变形。
2.3本构关系
基坑开挖实际上就是土体应力卸荷的过程。基坑开挖与桥梁桩基的相互影响归根结底就是桩基与土的相互作用，所以土体本构模型的选择尤为重要。该计算模型分析选择修正莫尔－库伦本构模型为土的本构模型。
2.4计算参数
土体相关参数来自工程地质勘查报告和工程经验取值，本模型计算区域的土体由粉质黏土、和黏质粉土构成，为简化计算且保证足够的安全准备，将物理力学指标接近的土层进行合并，合并后的土层特性按最不利的土层物理力学指标进行选取，最终选取的土层物理力学指标如表1所示。
表1土层计算参数
名称 | 容重 γ (KN/m3) | 压缩模量 Es（MPa） | 泊松比 μ | 粘聚力 C(KPa) | 摩檫角 φ（°） |
①粉质黏土 | 19.6 | 8.01 | 0.3 | 15.75 | 20.45 |
②粉质黏土 | 19.2 | 6.07 | 0.32 | 11.63 | 17.36 |
③粉质黏土 | 19.9 | 5.2 | 0.35 | 14.67 | 24.63 |
④粉质黏土 | 19.9 | 7.65 | 0.32 | 15.39 | 21.87 |
⑤黏质粉土 | 20.0 | 8.13 | 0.3 | 17.84 | 22.81 |
⑥黏质粉土 | 21.0 | 7.66 | 0.32 | 19.72 | 23.71 |
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2.5模型边界条件
模型中各层土体均按天然重度考虑，计算荷载包括结构及土体的自重荷载。位移边界条件：土体模型的顶面为自由边界，底面为竖向约束，四周为法向约束[2]。
2.6分析步设置
为了准确的模拟基坑开挖对桥梁结构的影响，计算采用动态模拟施工过程的计算方法，共分为以下主要步骤：
（1）初始地应力平衡；
（2）成桥阶段（清除初始位移）；
（3）施作基坑围护结构；
（4）开挖基坑土体至第一道支撑顶；
（5）施做第一道支撑，开挖基坑土体至第二道支撑顶；
（6）施做第二道支撑，开挖基坑土体至基坑底设计标高。
3 模拟结果及风险分析
3.1桥梁结构位移
图2所示为桥梁结构在基坑挖至坑底时墩柱结构水平与竖向位移。从图中可看出，在基坑开挖过程中，桥梁结构水平位移最大值出现在墩柱顶部位置，最大值为5.2mm，靠近基坑方向。桥梁结构在基坑挖至坑底时桩基结构竖向位移，在基坑开挖过程中，桥梁结构竖向位移最大值为0.4mm。
图2 基坑挖至坑底处桥梁结构水平与竖直方向位移云图
3.2风险分析
基坑开挖过程中存在风险点为随着基坑开挖，支护桩逐渐向基坑内侧变形，从而引发桥梁桩基同步变形。
对应措施为：
（1）基坑施工过程中，严格控制开挖速度，开挖面，严禁扩大开挖范围、开挖深度。减少土体扰动、保持土体密实。
（2）施工过程中必须加强对既有桥梁结构的监测，做好预警并根据监测数据反馈指导施工。
（3）建议基坑内支撑竖向位置，必要时应考虑施加主动顶力，将桥梁和挡墙结构的位移控制为零。
（4）建议制定完善的处置施工险情及意外事故预案，一旦基坑开挖施工引起桥梁出现变形应当立即停止施工并回填，及时与有关部门联系，采取加固措施控制变形。
（5）考虑到岩土工程的复杂性及地质条件的多样性，数值计算中的本构模型参数难以完全反映实际土层的情况，且建模计算时对其进行了一些简化，所以整个施工过程中应加强监测，尤其是对既有桥梁和挡墙结构的监测，并根据监测数据反馈指导施工。
4 结语
基坑围护的施工工序及工法，会对桥梁桩基周围的土体存在扰动，对桥梁桩周及挡墙底土体应力的改变幅度是未知的。因此计算未考虑钢板桩施工过程中，对桥梁结构的影响，同时未考虑桥梁建成后运营之今，桥梁结构产生的变形[3]。
基于以上条件，通过Midas/GTS有限元数值分析软件，对铁路桥承台基坑施工过程进行三维有限元模拟分析，计算结果如下：
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