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基坑开挖施工对上跨桥安全影响评价

文档作者：陈战文档来源：重庆经济技术开发区建设工程质量监督施工安全管理站,		点击数：	更新时间： 2022年10月12日
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基坑开挖施工对上跨桥安全影响评价
陈　战
(重庆经济技术开发区建设工程质量监督施工安全管理站,重庆　400000)
收稿日期:2017 -04 -07 作者简介:陈战(1981 - ),男,重庆人,工程师,主要从事工程管理
工作。
摘　要:以弹子石车站开挖为例,综合运用有关的技术评估
原理和方法,专业理论知识和工程经验,在对工程中存在的
安全风险点进行数值分析的基础上,研究待评估的车站基坑
开挖施工过程中对邻近桥梁和桥梁构件的位移应力场变化,
从而为安全控制措施提供依据。
关键词:基坑;开挖施工;安全评估
中图分类号:TU753 文献标志码:B
文章编号:1672 -4011(2017)08 -0050 -03
DOI:10． 3969/ j． issn． 1672 -4011． 2017． 08． 026
1　工程概况
腾龙大道上跨桥位于重庆市南岸区朝天门大桥东引桥
道路东侧,呈南北向设置。上跨桥全长116 m 共四跨,由北
向南依次为0# 桥台、1# 桥墩、2# 桥墩、3# 桥墩和4# 桥台。工
程所处场地上部覆土层较薄,厚度约2. 2 ~ 4. 5 m,基岩埋置
浅,基岩岩性主要为砂质泥岩和砂岩。弹子石车站基坑开挖
场地位于腾龙大道上跨桥西侧,且横向下穿腾龙大道上跨
桥,轨道基坑延伸开挖并穿越上跨桥,基坑内侧距2#、3#桥墩
各桩距离为5． 108 ~7． 164 m。桥墩桩基础底部标高为256.
000 m(黄海高程,下同),车站基坑最大开挖深度标高为
245. 583 m,较桩基底部低11. 583 m。如图1 所示。
图1　弹子石车站与腾龙大道上跨桥位置关系
2　有限元模型的建立和施工步的确定
2. 1　有限元模型的建立
1)模型参数的选取。根据设计参数建议值表,结合重庆
地区的岩土性质,取值如表1。
2)单元选取。建模过程中,围岩采用六面体实体单元,
腾龙大道桥台采用六面体实体单元,桥墩采用梁单元,灌注
桩和围护桩采用梁单元,支撑、格构柱、连系梁以及冠梁采用
梁单元,喷射混凝土采用面单元。根据设计图纸,赋予梁单
元截面特性、面单元厚度特性。
3)模型尺寸。计算模型中模型边界到基坑边界取值如
下:沿桥跨方向边界取基坑宽度的4 倍,垂直于桥跨方向长
度取基坑宽度的4 倍,模型的高度取基坑深度的5 倍。模型
三维尺寸为:460 m ×220 m ×100 m。
4)边界条件。计算模型的底面约束竖直方向的自由度,
前后左右约束水平方向的自由度,顶面为地表自由面。
5)计算方法和屈服准则。计算模型采用MIDAS/ GTS 有
限元软件,程序采用“激活和钝化”单元的方法模拟弹子石基
坑的开挖和支护。岩土体材料的屈服准则采用摩尔库伦屈
服准则。
表1 有限元计算参数表
类别
重度γ
(kN·m -3 )
弹性模量
E/ MPa
泊松
比μ
黏聚力
c/ kPa
内摩擦角
ψ/ (°)
素填土20 12 0. 35 3 25
砂岩24 4000 0. 2 1800 40
砂质泥岩25 1 500 0. 2 750 33
钢筋混凝土25 31 000 0. 2 — —
素混凝土23 22 000 0. 2 — —
2. 2　施工步的确定
施工步的确定根据《重庆轨道交通环线弹子石车站施工
组织设计》和车站设计文件中要求的“分层、分段”的原则进
行确定,整个计算采用18 个施工步对施工过程进行模拟。
施工步1:模拟模型在自重应力下围岩的应力状态;施工
步2:模拟一期灌注桩、板肋桩及冠梁的施工,模拟格构柱、第
一道支撑、第一道连系梁的施工;施工步3:模拟一期第一段
第一层土体开挖;施工步4:模拟一期第一段第二层、第二段
第一层土体开挖,开挖至第二道支撑处;施工步5:模拟一期
第二道支撑、第二道连系梁的施工,模拟第一段第三层、第二
段第二层和第三段第一层土体开挖;施工步6:模拟一期第三
道支撑、第三道连系梁的施工,模拟第一段第四层、第二段第
三层、第三段第二层、第四段第一层土体开挖,第一段土体开
挖至基坑底部;施工步7:模拟一期跨线桥下第一道支撑的施
工,模拟第二段第四层、第三段第三层、第四段第二层、第五
段第一层土体开挖,第二段开挖至基坑底部;施工步8:模拟
一期跨线桥下第二道支撑的施工,模拟第三段四层、第四段
第三层、第五段第二层、第六段第一层土体开挖,第三段开挖
至基坑底部;施工步9:模拟一期跨线桥下第三道支撑的施
工,模拟第四段四层、第五段第三层、第六段第二层、第七段
第一层土体开挖,第四段开挖至基坑底部;施工步10:模拟一
期第五段四层、第六段第三层、第七段第二层土体开挖,第五
段开挖至基坑底部;施工步11:模拟一期第六段四层、第七段
第三层土体开挖,第六段开挖至基坑底部;施工步12:模拟一
期第七段四层土体开挖,一期基坑基坑开挖完成;施工步13:
模拟二期灌注桩和冠梁施工;施工步14:模拟二期第一段第
一层土体开挖;施工步15:模拟二期第一段第二层、第二段第
一层土体开挖,第一段开挖至基坑底部;施工步16:模拟二期
第二段第二层、第三段第一层土体开挖,第二段开挖至基坑
底部;施工步17:模拟二期第三段第二层、第四段第一层土体
·50· 万方数据
开挖,第三段开挖至基坑底部;施工步18:模拟第四段第二层
基坑开挖,整个基坑开挖完成。
根据施工步序,第7 施工步到第12 施工步开挖至腾龙
大道上跨桥下部,该处施工对腾龙大道上跨桥影响较大。
3　计算结果分析
3. 1　墩台位移分析
有限元计算结果中提取出了上跨桥从第7 施工步到第
12 施工步以及最后第18 施工步所对应的位移。
对上跨桥的主要受力结构构件0#、4# 桥台和1#、2#、3#
桥墩进行位移变化分析。为了更准确地表现出位移变化情
况,如图2 所示,对每一构件分别取A、B、C 三处观察点进行
对比分析,三点分别取在桥墩(台)的顶面、底面和桥墩(台)
与地表的接触面。
图2　上跨桥位移分析取点位置
由计算得出。
1)0#、4#桥台由于与施工基坑较远,因此各方向位移也
相对较小,均未超过1 mm。水平位移均为远离车站基坑方
向变化,其最大值0# 桥台为0. 35 mm,4# 桥台为0. 5 mm;竖
向位移规律为先下沉后隆起,但数值较小,最大隆起变化值
0#桥台为0. 18 mm,4#桥台为0. 71 mm。
2)1#桥墩各方向位移变化均在1 mm 范围内,变化较小。
3)由于基坑施工面从2#、3# 桥墩间穿过,开挖面与其距
离较近,因此,对其位移变化影响较大,桥墩桩基底部水平位
移背离施工面发展,上部向施工面方向发展,最大水平位移
值均发生在桥墩顶部,为1. 2 mm。竖向位移变化情况为先
稍有下沉后隆起,最大隆起值2# 桥墩为1. 61 mm,3# 桥墩为
1. 71 mm。
4)由各桥墩(台)水平位移可知,2#、3# 桥墩倾斜度相对
较大,倾斜度为0. 1%。从各相邻墩(台)竖向位移来看,其
附加坡度为0. 02%。
3. 2　围岩分析
1)围岩位移分析。随着基坑开挖深度的增大,弹子石车
站围岩位移逐渐增大,变形向基坑开挖侧发展,其值由第1
施工步(初始应力作用下)的零位移开始,其竖直和水平方向
的位移在逐渐增加,其最大的竖向位移出现在第13 施工步
之后,在腾龙大道跨线桥纵轴线30 m 范围内的最大值为6.
60 mm。但其后施工步的沉降值变化很小,可视为变形趋于
稳定。最大的水平位移出现在第15 ~ 18 施工步,在腾龙大
道跨线桥30 m 影响范围的最大水平位移为11. 81 mm,在车
站基坑最大开挖断面附近的最大值15. 31 mm,变形向基坑
内侧方向发展。
沿腾龙大道靠近车站基坑处一幅桥中心线取剖面,竖直
(Z)方向位移云图如图3 所示。
图3　第18 施工步车站围岩Z 方向位移云图
2)围岩应力分析。围岩应力在基坑开挖面和支护结构
处有所变化,但其值也较小,最大水平(X)和竖向应力(Z)均
出现在工程完成的最后几步,但总体变化相对较小,其最大
应力主要出现在开挖面底面,最大拉应力值为0. 15 MPa。
3. 3　支护结构分析
施工时支撑中的应力发生重分布,开挖完成后,中间层
的支撑受力最大,最大值为第二层支撑的1 972. 65 kN。
排桩最大弯矩值为364. 92 kN·m,最大值位于靠近桥
墩一侧。冠梁最大弯矩为227. 83 kN·m,如图4 所示。
图4　注桩弯矩图
4　小　结
1)基坑开挖后,腾龙大道上跨桥桥台的竖向和水平位移
均发生了变化,主要表现由开挖前几个施工步的下沉变为开
挖结束时的上隆。随着施工的进行,围岩应力发生多次重分
布,并使得基坑中部的围岩变形量较大。在围岩压力的推动
下,临近开挖面的围岩受到挤压,从而使得桥台有一定程度
的抬升。
2)开挖中灌注桩和围岩沿水平方向的变化一致。对灌
注桩而言,桩身中部所承受的围岩水平方向的围岩压力较
大,造成桩身中部的水平变形较大。
3)横向支撑的架设很好地平衡了因开挖引起的围岩侧
压力,开挖完成中部支撑受到的轴力最大,变形量也很大,但
由于格构柱的存在限制了支撑的竖向变形,保证了施工中支
撑的安全工作。
4)根据计算结果分析,跨线桥2#、3# 桥墩的水平位移较
大,主要表现在水平反向偏移1. 2 mm,其值小于《公路桥涵
施工质量检验评定与验收标准规范》第四章第三节规定的灌
注桩在垂直于轴线方向的允许位移偏差40 mm。
5)桥墩水平与竖向应力主要出现在桥墩与基坑交界处,
最大拉应力增量值为0. 13 MPa,远小于规范规定的钢筋混凝
土抗拉强度标准值2. 39 MPa。
5　腾龙大道上跨桥的安全分析
由以上分析结果可知,弹子石车站施工对上跨桥产生了
(下转第69 页)
·51· 万方数据
2　装配整体式剪力墙结构
装配式剪力墙结构的建筑比装配式框架结构需要预制
的构件要多,结构构件连接节点也会随之增多,难以保证其
结构性能与现浇剪力墙结构相同。现阶段,我国应主要解决
装配式剪力墙结构的预制构件怎样才能牢固的连接问题,构
件的连接不牢固会降低结构的整体性、承载能力、抗震性能
等。装配式剪力墙结构主要适用于高层住宅建筑。本文主
要研究该结构体系中的钢筋连接,我国装配式混凝土结构中
钢筋连接主要方法为:套筒灌浆连接、浆锚连接和机械连接
等。下面对三种连接方式进行分析。
2. 1　套筒灌浆连接
套筒灌浆接头种类多种多样,主要采用的方法有:全套
筒灌浆连接和半套筒灌浆连接。全套筒灌浆接头采用上下
两端注浆法连接加固,这种方法使用最为广泛;半套筒灌浆
接头预制钢筋的直螺纹连接端,在装配现场灌浆连接,故其
尺寸小,但对材料性能要求高,成本也随之增加。
2. 2　浆锚连接
浆锚连接方法指在将拉结钢筋锚固在灌浆套筒、凹槽、
节点等处,而不是采用现浇的方法把构件埋置在混凝土结构
中。浆锚连接适用于产业化住宅预制混凝土结构施工中,其
施工过程中湿作业大大减少,节约结构的成本。但浆锚连接
所需要的钢筋量与灌浆量大,施工过程中对施工的技术要求
很高。
2. 3　机械连接
机械连接较之其他连接方法具有接头性能好、能够加快
施工进程、对环境的污染小等优点。我国早期使用的钢筋机
械连接方法多为绑扎法和焊接法。使用绑扎法会增加结构
的用钢量,进而使结构的成本增加。焊接法因焊接时会使构
件的局部发生高温现象,会使接头处材料性能产生变化,钢
筋的强度也会下降,荷载作用下极易产生破坏,使用范围受
到限制。现阶段,随着经济技术的发展钢筋机械接头的方法
也有所改进,主要有轴向套筒挤压连接接头、锥螺纹连接接
头、直螺纹连接接头。钢筋机械连接的连接方法和参数应符
合国家现行规范的规定。
3　总　结
1) 从以上综述可以看出,现阶段有关装配式节点的研
究取得了很大的进展,但我国与国际先进水平还有一定的差
距。我国政府应鼓励对于装配式结构的研究,加大力度推广
装配式结构的使用,使我国的装配式结构也可以跻身世界的
前列。
2) 装配式剪力墙结构在工程上的应用会越来越多,但
相对于装配式框架结构,预制装配式剪力墙结构存在更多接
缝、节点连接不可靠、整体性差等问题。
3) 为达到发展新型建造方式,力争用10 年左右时间,
使装配式建筑占新建建筑的比例达到30% 的目标。我国各
级政府机关陆续出台了关于发展装配式建筑的政策,鼓励发
展装配式结构,同时预制构件、部品生产等环节应该促进其
标准化生产,减小结构构件的偏差,提高施工技术人员的技
能,解决我国技术工人随着工地跑、提高技术人员的待遇等
问题。最终实现装配式结构设计、生产、施工等一体化建设,
实现结构的质量更好、减少污染、施工速度更快。
总之,装配式结构体系虽然还存在很多未解决的问题,
但从长远来看,它符合发展新型建造方式的发展方向。随着
经济的不断发展、技术的不断创新,各种节能的新材料和新
工艺将会不断引入未来的建筑行业中,预制装配式结构体系
的发展也将不断迎来新的机遇。
[ID:004563]
参考文献:
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一定的影响,上跨桥对其位移变化影响较大,主要表现在2#、
3#桥墩上,其底部水平位移背离施工面发展,上部向施工面
方向发展,最大水平位移值均发生在桥墩顶部,为1. 2 mm。
竖向位移变化情况为先稍有下沉后隆起,最大隆起2#桥墩为
1. 61 mm,3#桥墩为1. 71 mm。
由各桥墩(台)水平位移可知,2#、3# 桥墩倾斜度相对较
大,倾斜度为0. 1%。从各相邻墩(台)竖向位移来看,其附
加坡度为0. 02%。
弹子石车站施工对腾龙大道上跨桥的影响较小,其值在
规范和经验值的可控范围之内,设计施工方案可行。为保证
施工安全,应加强施工过程的监控量测工作。
[ID:004569]
参考文献:
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