黄菲，刘袁振，孟江

（1.南京市公共工程建设中心，江苏 南京 210019；2.南京工业大学交通运输工程学院，江苏 南京 210009；3.南京工大桥隧与轨道交通研究院有限公司，江苏 南京 210032）

0 前言

伴随着我国经济的快速发展，我国的基础设施也不断发展完善。在城市中涌现出大量的地铁建设工程，地铁车站基坑周围一般会存在管线、桥梁、房屋等构筑物。地铁基坑的施工必定会引起周围地层的应力场改变，进而对周围构筑物产生不利影响，在施工前对其保护不当可能会导致周围构筑物破坏[1-3]。因此，如何保障地铁基坑周围构筑物的安全是城市地铁基坑工程面临的难题。

基坑工程影响桥梁变形因素有很多，如工程地质条件、基坑开挖尺寸、桥梁上部荷载、桥梁距地铁基坑的水平距离等[4]。国内学者们对基坑近接构筑物做了许多研究。王升[5]利用三维有限元软件对某调蓄池近接高铁桥梁的影响进行了分析；张骁等[6]将基坑施工实测数据和PLAXIS 3D相结合对基坑施工过程进行位移反分析，优化HS-Small本构模型参数分析了基坑近接桥梁对桩基的影响；沈建文[7]将几何因素、边界因素、物理因素等作为基坑和盾构施工对桥梁桩基影响的参数，利用FLAC 3D进行分析，得出了桥桩的沉降控制指标。

本文以南京某地铁终点站为依托，采用Midas/GTS对地铁基坑施工进行了数值模拟，数值模拟结果可为实际施工提供参考，保证施工安全进行。

1 工程背景

南京某地铁终点站，采用明挖顺作法（路口下方局部盖挖）。主体基坑长度、宽度、深度各为495.6m、21.7m、17.5m。附属结构基坑长度、宽度、深度各为30.9m、10.1m、17.1m。车站主体基坑围护结构和附属结构围护结构分别采用1m和0.8m的地下连续墙。基坑临近区域主要为某桥梁的第三联（9#～13#墩）和第四联（13#墩～19#墩），14#墩桥桩与结构净距最小为16.2m。基坑与桥梁平面位置关系见图1。

图1 基坑与桥梁平面位置关系图

根据区域资料及地质调查，基坑施工区域主要特殊性岩土为填土、软土、混合土、风化岩。土层详细资料见表1。

土层物理性质描述 表1

施工区域地下水类型主要为松散岩类孔隙水及基岩裂隙水。松散岩类孔隙水根据其埋藏条件和水力性质，主要为潜水、承压水[8]。潜水主要存在于填土层中，但是由于填土层的成分复杂并且分布非常不均匀导致填土层透水性好。承压水主要存在于卵石层中，其透水性较好，赋水性好，具微承压性。基岩裂隙水主要存在于中风化带中，中风化带岩芯较完整，裂隙发育多为闭合或充填，所以赋水性较差。

地铁基坑降水必然使地面产生沉降，对邻近构（建）筑物产生影响。为了防止基坑降水对桥梁产生不良作用，采用高压旋喷桩对基坑进行防水处理。

2 计算模型

2.1 模型建立与参数选取

本文数值模拟采用MIDAS/GTS进行模拟分析，建立基于基坑-桥梁的三维模型进行施工影响分析。计算模型中土体单元采用3D实体单元，本构模型采用修正摩尔-库伦模型。修正摩尔-库伦模型是对摩尔-库伦模型进行改进得出的新模型，该模型由非线性弹性模型和弹塑性模型组合而成，适用于淤泥土和砂土行为特性，并且修正摩尔-库伦模型可以模拟不受剪力破坏或压缩屈服影响的双硬化行为[9]。三维模型见图2，基坑-桥梁位置关系见图3。模型长480m，宽780m，高70m，模型底部约束竖向位移，四周约束水平位移。由于某桥梁的第三联和第四联为简支梁，所以桥墩上部不施加任何约束，桥面板的重力在此模型中忽略不计。

图2 三维模型示意图

图3 基坑-桥梁位置关系图

土层参数取值 表2

支护结构材料属性表 表3

基坑施工工况 表4

地下连续墙采用2D板单元模拟；混凝土撑和钢支撑采用1D梁单元模拟。桥墩采用3D实体单元模拟，桩采用1D梁单元模拟，本构模型均为弹性，具体的支护结构参数见表3。

2.2 开挖工况

基坑采用地连墙作为围护结构，首先施工围护桩，达到设计强度后进行基坑开挖，模拟具体施工工序见表4。

3 计算结果与分析

地铁基坑开挖的过程导致基坑内部的土体产生应力释放，从而使围护结构产生变形，此次有限元计算按照实际的施工工序研究了在不同的施工工况下地表沉降、桥墩变形和桥梁桩基的变形特征。

3.1 地表沉降

当围护结构嵌入土体的深度比较大时，基坑周围的土体沉降呈现出“漏斗形”，图4为不同施工工况下距离桥墩较近一侧的地表沉降曲线，图5给出了部分施工工况下的地表的沉降云图。

由图4、图5可知：①随着基坑开挖深度的增加，地表的沉降也随之增大，当基坑开挖完成后距离桥墩较近一侧的地表最大沉降为26.5mm；对比图5的（a）和（b）可知，地表沉降影响的范围随着基坑的开挖深度增加而增加。

图4 各工况下的地表沉降曲线

图5 基坑开挖沉降云图

②从图4可以看出地表沉降的特征曲线符合Heish[10]所得出的研究规律，即基坑完成围护结构的施工后地表沉降呈现出“漏斗形”，随着相距基坑距离的增加，地表沉降的数值呈现出先增大后减小的趋势。

3.2 桥墩变形

根据地表沉降云图可确定此次基坑开挖的主要影响范围，在此影响范围内有12#、13#、14#、15#桥墩。

当基坑被开挖时，使周围土体的应力场和位移场发生改变，土体原有的应力状态被打破，土体为了达到平衡状态，会从应力较大的一侧向应力较小的一侧移动，从而桥墩也会产生横向位移。图6为12#、13#、14#、15#桥墩各开挖工况下的横向变形曲线。

图6 各开挖工况下桥墩墩顶的横向变形曲线

根据图6可知，随着基坑开挖深度的增加，桥墩的横向位移也在增加，主体基坑开挖时受影响较大的为14#桥墩，主体基坑开挖结束后14#桥墩的累计横向位移为6.50 mm。当基坑开挖完成后受影响较大的为13#桥墩，附属结构开挖完成后13#桥墩的横向位移为7.95 mm。在附属结构开挖时，14#桥墩的横向位移相对增值变化平稳，说明附属结构的施工对14#桥墩的影响不大。

为了避免基坑开挖导致桥梁产生过大的水平位移，在施工前可采用土体加固的方法[11]来对桥梁结构进行保护。土体加固的方法有两大类。第一类为对基坑周边的土体进行加固，通过提高基坑周边土体的强度，从而降低土体的变形，进而达到保护桥梁的目的。第二类为对桥梁桩基采取加固措施，通过提高桥梁桩基的承载能力，抑制桥梁桩基的变形，来达到保护高架桥安全的目的。土体加固的方法有预注浆法、冻结法和高压旋喷搅拌法[12]。

根据图7可知，随着基坑开挖深度的增加，桥墩的沉降也在增加，在主体基坑开挖时受影响较大的是14#桥墩，主体基坑开挖结束后14#桥墩的累计沉降为3.62 mm。当基坑开挖完成后受影响较大的为13#桥墩，附属结构开挖完成后13#桥墩的累计沉降为4.23 mm。最终13#桥墩的沉降比14#桥墩的沉降大是由于13#桥墩受到了主体结构施工和附属结构施工的共同作用。由图8可知桥墩沉降和桥梁桩基沉降趋势相同，但桥墩墩顶沉降大于桥梁桩基沉降，这是由于桥墩的横向位移使桥墩产生了向基坑开挖方向的倾斜，致使靠近基坑开挖侧的桥墩墩顶沉降大于桥梁桩基沉降。

图7 各开挖工况下桥墩墩顶竖向变形曲线

图8 各开挖工况下桥梁桩基顶竖向变形曲线

将桥梁的第三联和第四联桥面板的重力均分在各个桥墩上，然后计算各工况下桥墩墩顶的竖向位移。如图9所示。从图中可看出，桥面板的重力对桥墩的竖向位移影响在0.5mm左右。所以在有限元分析中，不可忽略桥面板重力对桥墩沉降的影响。

图9 施加均布荷载后各开挖工况下桥墩墩顶竖向变形曲线

4 结论

通过本次模拟计算，可得到以下结论：

①当围护结构嵌入土层的深度比较大时，基坑周围的土体沉降呈现出“漏斗形”，随着基坑开挖深度的增加，基坑周边土体的沉降也随之增大，并且沉降的最大值也随之向外移动；

②桥墩的竖向位移比桩基的竖向位移要大一些的原因是桥墩的横向位移使桥墩产生了向基坑开挖方向的倾斜，致使靠近基坑开挖侧的桥墩墩顶沉降大于桥梁桩基沉降；

③邻近桥梁的地铁深基坑工程会对桥梁产生影响，在正式施工之前，应对地铁基坑工程进行有限元模型分析，通过科学合理的评估分析，避免可能存在的风险。并且在基坑的施工过程中对桥梁进行全面的监测，保证在施工过程中桥梁的安全使用。