关键词: 桥墩；基坑；运营铁路；变形；空间效应；数值模拟
Abstract: Based on the foundation pit of a bridge pier adjacent to the existing operating railway line, the whole process of foundation pit excavation is simulated by using the finite element software. The influence of foundation pit excavation on the deformation of the adjacent operating railway and the reliability of the railway reinforcement scheme are analyzed. The results show that: in the process of foundation pit excavation, the isolation pile can effectively reduce the influence of foundation pit excavation on Railway deformation, and the reinforcement effect is significant. The spatial effect of the foundation pit is very obvious. The post construction of the foundation pit can correct the horizontal displacement of the railway, and the construction of the isolation pile makes the spatial effect more complex, which should be paid attention to in the future practical engineering.
Key words: Pier；Foundation pit；Operation railway；Deformation；Spatial effect；Numerical simulation
0 引言
近年来随着铁路和城市建设规模的不断扩大，为了充分利用城市有限空间和土地资源，连接城市之间的既有铁路附近不可避免的涉及到很多基坑工程，一些新建深基坑工程对既有铁路有较大程度的影响，如：深基坑开挖会改变既有运营铁路周边环境条件，造成既有线路基边界条件的不对称，产生既有线轨道结构的变形[1、2]，增加行车安全风险，如何确保复杂城区环境条件下深基坑工程的稳定与临近既有铁路的安全运营，尽最大可能减少和杜绝恶性工程事故，保障人民生命财产安全，己引起工程界的高度重视。基坑开挖引起的土体位移对临近铁路可能产生显著的影响，这在工程实践中已经引起了注意，科学客观地分析深基坑开挖与临近既有城际铁路之间相互影响的程度，具有研究的现实意义。
1 工程概况
拟建某大桥桥梁中心桩号K1+190，桥长为2880m，设计桥孔结构类型上部构造为装配式预应力混凝土连续箱梁、装配式预应力混凝土简支T梁、简支钢-混凝土组合梁，基础形式为柱式墩台、钻孔桩基础。墩台基坑临近既有运营陇海铁路，如图1所示，桥梁基础墩台围堰平面尺寸为17.5尺寸为墩台海，基坑深度约9m。围护采用钢板桩采用拉森Ⅵ型钢板桩，材质SY295，单根长度为18m，共设置两层内支撑。第一道内支撑圈梁采用2H600用梁采用，斜向支撑采用φ向支撑钢管，垂直对撑采用φ撑采用钢管；第二道内支撑圈梁采用4H600道内支撑，斜向支撑及垂直对撑均采用φ用均采用及钢管。为保证钢管受力均匀，与圈梁相接触钢管四周需加焊加劲板，圈梁与钢板桩之间的连接采用牛腿形式。封底混凝土厚0.3m。临近新建基坑区域的既有铁路桥基的桥墩及桥台基础为木桩。.png)
图1 钢板桩基坑与既有陇海铁路平面关系图
2 基坑开挖数值模拟
2.1 模型建立与基本假定
采用有限元分析软件MidasGTS-NX对基坑工程的开挖进行全过程模拟。在建立三维有限元模型时，根据工程经验及有限元计算精度的要求(基坑开挖影响宽度的选取约为开挖深度的3～5倍)，将模型尺寸定为148m×78.5m×30m。模型采用位移边界条件限制了底部3个方向上的位移，各立面限制其相应水平方向位移，即平行于X轴的面限制其Y方向位移，平行于Y轴的面限制其X方向位移。另外，考虑部分参数对模拟计算结果影响较小的情况，在建模时做如下假定：1)假定土体为均质且各向同性的弹塑性体，围护结构和横撑为理想的弹性体。2)钢板桩与横撑两种单元之间采用刚性联接。3)开挖之前围护结构施工引起的土体变位应力和性状的改变不予考虑，同样也不考虑钢板桩与土体之间可能发生的滑动。
2.2 工况设置与模型参数
首先对基坑模型进行地应力平衡，再模拟开挖过程。将基坑开挖施工设置为6个不同的工况，运用Midas GTS-NX中的钝化、激活功能，模拟相应的土体单元和添加相应的支护结构单元，施工步骤如表2。
表1 结构材料力学参数
表2 基坑开挖施工工况
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2.3 既有线的模拟
为了模拟铁路桥梁的真实环境，并结合本工程特点，列车荷载及桥梁自重可简化为静荷载，以此来模拟临近基坑的既有专线,基坑有限元模型如图2。
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图2 基坑、陇海铁路桥台、墩空间位置
3 铁路变形计算结果分析
3.1 既有铁路变形控制标准
由于基坑在铁路附近开挖，因此，基坑工程的施工必须严格控制铁路变形，确保铁路的安全运营。根据既有资料，结合目前施工水平，参照《铁路桥涵设计规范》TB10002-2017[3]，基坑开挖临近陇海铁路桥施工，陇海铁路限值建议按下表3执行。
表4 分析工况
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图3~5为模拟两基坑开挖4种不同工况下桥墩竖向及水平位移变化曲线。由图3、4可知：墩台沉降及相邻墩台差异沉降随着基坑开挖深度的增大而增大；且左右线2、3#桥墩最大沉降值不超过3mm，1#桥墩最大沉降约7.29mm，远小于20mm控制标准。相邻墩台差异沉降在工况一～工况四逐渐增大，1、2#桥墩台差异沉降较2、3#变化较大，这是因为两新建基坑距1#墩台距离较近，基坑施工对2、3#墩台影响较小，且最大差异沉降值6.11mm＞控制标准，因此需采取有效措施避免造成对既有线的运营产生影响。
由图5可知，基坑施工对墩台水平向影响较小，最大水平位移约2.43mm；分析工况二、四施工对墩台影响较工况一、三造成墩台水平位移更大，这是由于基坑第一次开挖深度较小，开挖至底时对地层的扰动加剧墩台水平位移；进一步分析可知铁路桥墩两侧施工，后施工基坑对墩台的水平位移有一定的矫正，存在明显的空间效应。.png)
图3 既有桥梁结构（左线）竖向位移
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图5 既有桥梁结构（右线）水平位移
4 铁路变形控制措施
4.1铁路加固措施
为了有效控制铁路变形，确保铁路运行安全，基坑开挖之前，在围护结构与铁路中间设置一排隔离桩，对铁路进行隔离加固。
4.2 加固后既有铁路桥墩变形分析
图6~8为加固后两基坑开挖4种不同工况下桥墩竖向及水平位移变化曲线。由图9、10可知：墩台沉降及相邻墩台差异沉降规律与未加固方案相同；铁路左右线2、3#桥墩最大沉降值不超过2mm，由于打设隔离桩的影响，桥墩最大沉降约5.5mm，最大差异沉降值4.69mm，满足铁路运营控制标准。
由图6、7可知，基坑施工对墩台水平向影响较小，最大水平位移约2.25mm；其规律与上述工况相同。
综上所述，隔离桩可有效控制铁路桥墩的位移，基坑开挖过程需密切关注临近一号桥墩的变形。
图6 既有桥梁结构（左线）竖向位移图7 既有桥梁结构（右线）竖向位移
图8 既有桥梁结构（右线）水平位移.png)
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5 结论
（1）通过有限元程序模拟本基坑在采用隔离措施后，得到了临近运营铁路桥墩的最大的沉降值为5.5mm，最大差异沉降4.68mm，最大的侧向变形为2.25mm，满足变形标准的要求。
（2）通过本研究可得出深基坑施工会对临近的运营铁路产生一定的变形，设置隔离桩后，能有效减小基坑开挖对铁路的变形影响；基坑的空间效应十分明显，后施工基坑对铁路水平位移具有矫正作用同时隔离桩的施工使空间效应更加复杂，应在今后的实际工程中引起重视。
（3）通过本次研究，可以得出采用有限元数值模拟评估的方法，可以指导施工，从而保证铁路的运营安全，对临近运营铁路深基坑工程的施工具有一定的借鉴意义。
参考文献
[1]. 张河.深基坑开挖及支护对临近既有铁路高路堤边坡影响的有限元数值分析[J]. 工程建设与设计，2019，06：47-49
[2]. 詹涛，胡长明等. 深基坑开挖对临近运营铁路的变形影响[J]. 重庆交通大学学报(自然科学版)，2019，07：66-82
[3] TB 10002-2017，铁路桥涵设计规范，[S].国家铁路局，2017
作者简介：崔玉龙(1988—)，男，工程师，2013年毕业于长安大学建筑与土木工程专业，工程硕士，主要从事隧道与地下工程的设计和研究工作。
论文作者:崔玉龙,,白阳阳
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年第4期
论文发表时间:2020/4/22
标签：基坑论文; 铁路论文; 位移论文; 桥墩论文; 工况论文; 水平论文; 工程论文; 《工程管理前沿》2020年第4期论文;