排洪渠开挖对地铁桥墩结构影响的三维数值模拟

韩国军

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510230)

引言

本文主要研究河道开挖对地铁桥墩水平变位的影响，考虑六种不同型式的地铁桥墩保护结构方案，利用PLAXIS 3D 三维岩土有限元分析软件建立空间三维有限元数值模型分析研究，得到较合适的地铁桥墩保护结构方案，为工程设计提供依据。

近年来，随着城市的快速发展，城市内的各类工程建筑物之间存在着诸多交叉影响。河道、排洪渠和基坑开挖过程中，很有可能造成邻近建筑物的变位或失稳，因此城市内河道、排洪渠和基坑开挖工程一直备受工程界的关注，国内相关学者对该此做了很多深入的研究。邱超[1]运用Abaqus 数值分析软件研究了河道开挖对邻近桥墩桩基的影响，对桩基变形作了初步的预估，并给出了合理的桩基监测变形控制值；邹佳成[2]采用数值模拟方法，模拟排洪渠的施工过程，分析其边坡抗滑稳定性及对临近高速公路的影响；邢玉芳[3]通过Abaqus 有限元模拟分析了下穿河道开挖对上部地铁高架的影响，并通过对比同类工程监测资料，验证了有限元分析的有效性；李涛[4]从施工、运营方面以及河道开挖等工程活动方面阐述和分析该近海桥梁桩基偏位的原因；段书龙[5]通过有限元仿真模拟，计算对比河道边坡开挖和桥梁基础施工顺序对桥梁桩基的受力结果，确定河道边坡开挖对不同桥梁结构类型的影响程度；李梅芳[6]通过理论分析和数值模拟方法，分析计算了河道开挖对桥梁桩基和匝道路基的影响进，提出了河道开挖的施工工序优化方案及加固措施。

本文主要研究排洪渠开挖对地铁桥墩水平变位的影响，考虑六种不同型式的地铁桥墩保护结构方案，利用PLAXIS 3D 三维岩土有限元分析软件建立空间三维有限元数值模型分析研究，得到较合适的地铁桥墩保护结构方案，为工程设计提供依据。

1 工程概况

由于某人工岛的建设堵塞了排洪渠的入海口，导致排洪渠上游来水无法顺利下泄至海里，使得城市防洪排涝有较大的安全隐患，一旦进入汛期，将严重影响城市防洪安全。经深入研究后决定排洪渠改线，为满足排洪渠宽度要求，排洪渠东侧边线距离地铁桥墩的距离不宜超过8 m，排洪渠底标高宜开挖至-4.0 m，否则将会影响排洪渠的泄洪量，对上游城市形成内涝的隐患。由于排洪渠开挖，将导致正在运营的地铁桥墩结构的单侧卸载，形成了单侧土压力对桥墩的水平作用，因此必须对地铁桥墩进行保护，保证其安全运营。

2 设计方案

本文用六种不同地铁桥墩结构保护方案进行比选，设计断面如图1～图6 所示。

图1 结构方案一断面图

图2 结构方案二断面图

图3 结构方案三断面图

图4 结构方案五断面图

图5 结构方案四断面图

图6 结构方案六断面图

2.1 结构方案一

采用排桩结构对排洪渠开挖侧进行永久性防护，兼做排洪渠岸壁，排桩结构距离桥墩墩台边缘8 m，排桩前采用水泥土搅拌桩地基处理。排桩结构采用灌注桩和高压旋喷桩组合型式，灌注桩桩径1.0m，桩间距1.2 m，灌注桩之间采用高压旋喷桩形成封闭，水泥土搅拌桩按格栅状布置。

2.2 结构方案二

排桩结构距离桥墩墩台边缘距离30 m，其余同结构方案一。

2.3 结构方案三

排桩结构后方陆域标高卸载至0 m，其余同结构方案一。

2.4 结构方案四

桥墩墩台后方采用直径1 m 间距1.2 m 的灌注桩作为锚碇桩，距离前排桩结构60 m，两者通过钢拉杆连接。锚碇桩前同样进行水泥土搅拌桩处理，处理方式同前排桩，其余同方案一。

2.5 结构方案五

采用双排桩承台结构，外侧灌注桩桩径1.0 m，桩间距2.4 m，内侧为灌注桩和高压旋喷桩组合的排桩结构，顶部浇筑钢筋混凝土承台连接，内侧排桩结构到桥墩墩台边缘距离8 m，其余同方案一。

2.6 结构方案六

桥墩墩台四周采用围桩结构进行防护，桥墩陆侧采用连续排桩结构形成排洪渠岸壁。围桩中心线距离桥墩墩台边缘距离8 m，桥墩陆侧排桩中心距离桥墩墩台后边缘25 m，其余同方案一。

由于排洪渠岸壁外侧临海，本文计算波高3.7 m，周期6.8 s，波长49 m，计算水位采用设计低水位-1.49 m，剩余水压力考虑设计高、低水位差。主要土体参数见表1，水泥土搅拌桩处理后的复合地基参数见表2。

表1 土体物理力学指标

表2 复合地基参数指标

3 数模分析

3.1 模型建立

本文采用PLAXIS 3D 建立三维有限元数值模型。土体采用实体模型模拟，其本构模型选用Hardening soil model 模型，灌注桩和高压旋喷桩组合排桩结构采用板单元模拟，其与土的相互作用采用Goodman 接触界面单元模拟，钢拉杆采用一维线性杆单元模拟，桥墩墩台采用实体模型模拟，其本构模型选用线弹性模型，单根灌注桩结构及桥墩桩基结构采用嵌入式桩单元模拟。四个侧面为法向约束边界条件，底面为固定边界条件，顶面为自由边界条件。结构方案数值模拟具体施工步如下：1）初始地应力平衡；2）水泥土搅拌桩地基处理；3）施工排桩结构等；4）排桩结构前后开挖至标高0.0 m（仅结构方案三）；5）排桩结构前侧开挖至标高-4.0 m；6）施加使用期荷载。

3.2 模拟结果分析

图7～图18 分别为结构方案一～结构方案六整体水平变位图和桥墩水平变位图。

图7 结构方案一整体水平变位图

图8 结构方案一桥墩水平变位图

图9 结构方案二整体水平变位图

图10 结构方案二桥墩水平变位图

图11 结构方案三整体水平变位图

图12 结构方案三桥墩水平变位图

图13 结构方案四整体水平变位图

图14 结构方案四桥墩水平变位图

图15 结构方案五整体水平变位图

图16 结构方案五桥墩水平变位图

图17 结构方案六整体水平变位图

图18 结构方案六桥墩水平变位图

结构方案一排桩结构距离桥墩太近，排洪渠开挖对桥墩的变位影响较大，从图8 可见桥墩最大水平变位为41.15 mm。结构方案二排桩结构远离桥墩，排洪渠开挖对桥墩的变位影响较小，从图10可见桥墩最大水平变位为16.38 mm，但缩小了排洪渠宽度，对排洪渠排洪影响较大。结构方案三通过减小排桩前后土体高差，从而减小了墙后土体主动土压力，从图 12 可见桥墩最大水平变位为19.10 mm，但却从整体上降低了后方陆域的标高，对陆域的使用造成一定影响。结构方案四采用灌注桩作为后锚碇桩，通过锚碇结构约束前排桩结构，从图14 可见桥墩最大水平变位为27.92 mm，但拉杆需穿越桥墩区域，且锚碇桩前侧的水泥土搅拌桩地基处理离桥墩太近，施工难度较大。结构方案五采用加强排桩整体刚度的思路，且前排灌注桩结构透空，可减小对排洪渠宽度的影响，从图16 可见桥墩最大水平变位为37.73 mm，说明加强整体刚度对桥墩变形的控制有限。结构方案六桥墩最大水平变位为3.5 mm，该方案对桥墩变位的影响较其他方案最小，且增加了排洪渠宽度，但每个桥墩需要采用围桩结构防护，工程费用较高，且占用了一定的陆域。

4 结论

本文考虑六种地铁桥墩保护结构方案，采用PLAXIS 3D 三维岩土有限元分析软件模拟排洪渠开挖对地铁桥墩的变位的影响，得到如下结论：1）排洪渠开挖边线离桥墩较近时，对桥墩变位的影响较大；2）排洪渠开挖边线远离桥墩，可较好地控制桥墩变位，在满足行洪要求的前提下可适当压缩排洪渠宽度来保证桥墩结构的安全；3）桥墩保护结构后方卸载可较好地控制桥墩变位，但从整体上降低了后方陆域的标高，对陆域的使用造成一定影响；4）桥墩保护结构后方锚碇措施对桥墩变位控制效果一般，且施工难度较大；5）加强桥墩保护结构刚度对桥墩变位控制效果不佳；6）采用围桩结构对桥墩进行保护可较好地控制桥墩变位，并且不占用排洪渠宽度，但工程费用较高。