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基坑開挖施工對上跨橋安全影響評價

文檔作者：陳戰(zhàn) 文檔來源：重慶經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督施工安全管理站,		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2022年10月12日
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基坑開挖施工對上跨橋安全影響評價
陳　戰(zhàn)
(重慶經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督施工安全管理站,重慶　400000)
收稿日期:2017 -04 -07 作者簡介:陳戰(zhàn)(1981 - ),男,重慶人,工程師,主要從事工程管理
工作。
摘　要:以彈子石車站開挖為例,綜合運(yùn)用有關(guān)的技術(shù)評估
原理和方法,專業(yè)理論知識和工程經(jīng)驗(yàn),在對工程中存在的
安全風(fēng)險點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值分析的基礎(chǔ)上,研究待評估的車站基坑
開挖施工過程中對鄰近橋梁和橋梁構(gòu)件的位移應(yīng)力場變化,
從而為安全控制措施提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞:基坑;開挖施工;安全評估
中圖分類號:TU753 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B
文章編號:1672 -4011(2017)08 -0050 -03
DOI:10． 3969/ j． issn． 1672 -4011． 2017． 08． 026
1　工程概況
騰龍大道上跨橋位于重慶市南岸區(qū)朝天門大橋東引橋
道路東側(cè),呈南北向設(shè)置。上跨橋全長116 m 共四跨,由北
向南依次為0# 橋臺、1# 橋墩、2# 橋墩、3# 橋墩和4# 橋臺。工
程所處場地上部覆土層較薄,厚度約2. 2 ~ 4. 5 m,基巖埋置
淺,基巖巖性主要為砂質(zhì)泥巖和砂巖。彈子石車站基坑開挖
場地位于騰龍大道上跨橋西側(cè),且橫向下穿騰龍大道上跨
橋,軌道基坑延伸開挖并穿越上跨橋,基坑內(nèi)側(cè)距2#、3#橋墩
各樁距離為5． 108 ~7． 164 m。橋墩樁基礎(chǔ)底部標(biāo)高為256.
000 m(黃海高程,下同),車站基坑最大開挖深度標(biāo)高為
245. 583 m,較樁基底部低11. 583 m。如圖1 所示。
圖1　彈子石車站與騰龍大道上跨橋位置關(guān)系
2　有限元模型的建立和施工步的確定
2. 1　有限元模型的建立
1)模型參數(shù)的選取。根據(jù)設(shè)計參數(shù)建議值表,結(jié)合重慶
地區(qū)的巖土性質(zhì),取值如表1。
2)單元選取。建模過程中,圍巖采用六面體實(shí)體單元,
騰龍大道橋臺采用六面體實(shí)體單元,橋墩采用梁單元,灌注
樁和圍護(hù)樁采用梁單元,支撐、格構(gòu)柱、連系梁以及冠梁采用
梁單元,噴射混凝土采用面單元。根據(jù)設(shè)計圖紙,賦予梁單
元截面特性、面單元厚度特性。
3)模型尺寸。計算模型中模型邊界到基坑邊界取值如
下:沿橋跨方向邊界取基坑寬度的4 倍,垂直于橋跨方向長
度取基坑寬度的4 倍,模型的高度取基坑深度的5 倍。模型
三維尺寸為:460 m ×220 m ×100 m。
4)邊界條件。計算模型的底面約束豎直方向的自由度,
前后左右約束水平方向的自由度,頂面為地表自由面。
5)計算方法和屈服準(zhǔn)則。計算模型采用MIDAS/ GTS 有
限元軟件,程序采用“激活和鈍化”單元的方法模擬彈子石基
坑的開挖和支護(hù)。巖土體材料的屈服準(zhǔn)則采用摩爾庫倫屈
服準(zhǔn)則。
表1 有限元計算參數(shù)表
類別
重度γ
(kN·m -3 )
彈性模量
E/ MPa
泊松
比μ
黏聚力
c/ kPa
內(nèi)摩擦角
ψ/ (°)
素填土20 12 0. 35 3 25
砂巖24 4000 0. 2 1800 40
砂質(zhì)泥巖25 1 500 0. 2 750 33
鋼筋混凝土25 31 000 0. 2 — —
素混凝土23 22 000 0. 2 — —
2. 2　施工步的確定
施工步的確定根據(jù)《重慶軌道交通環(huán)線彈子石車站施工
組織設(shè)計》和車站設(shè)計文件中要求的“分層、分段”的原則進(jìn)
行確定,整個計算采用18 個施工步對施工過程進(jìn)行模擬。
施工步1:模擬模型在自重應(yīng)力下圍巖的應(yīng)力狀態(tài);施工
步2:模擬一期灌注樁、板肋樁及冠梁的施工,模擬格構(gòu)柱、第
一道支撐、第一道連系梁的施工;施工步3:模擬一期第一段
第一層土體開挖;施工步4:模擬一期第一段第二層、第二段
第一層土體開挖,開挖至第二道支撐處;施工步5:模擬一期
第二道支撐、第二道連系梁的施工,模擬第一段第三層、第二
段第二層和第三段第一層土體開挖;施工步6:模擬一期第三
道支撐、第三道連系梁的施工,模擬第一段第四層、第二段第
三層、第三段第二層、第四段第一層土體開挖,第一段土體開
挖至基坑底部;施工步7:模擬一期跨線橋下第一道支撐的施
工,模擬第二段第四層、第三段第三層、第四段第二層、第五
段第一層土體開挖,第二段開挖至基坑底部;施工步8:模擬
一期跨線橋下第二道支撐的施工,模擬第三段四層、第四段
第三層、第五段第二層、第六段第一層土體開挖,第三段開挖
至基坑底部;施工步9:模擬一期跨線橋下第三道支撐的施
工,模擬第四段四層、第五段第三層、第六段第二層、第七段
第一層土體開挖,第四段開挖至基坑底部;施工步10:模擬一
期第五段四層、第六段第三層、第七段第二層土體開挖,第五
段開挖至基坑底部;施工步11:模擬一期第六段四層、第七段
第三層土體開挖,第六段開挖至基坑底部;施工步12:模擬一
期第七段四層土體開挖,一期基坑基坑開挖完成;施工步13:
模擬二期灌注樁和冠梁施工;施工步14:模擬二期第一段第
一層土體開挖;施工步15:模擬二期第一段第二層、第二段第
一層土體開挖,第一段開挖至基坑底部;施工步16:模擬二期
第二段第二層、第三段第一層土體開挖,第二段開挖至基坑
底部;施工步17:模擬二期第三段第二層、第四段第一層土體
·50· 萬方數(shù)據(jù)
開挖,第三段開挖至基坑底部;施工步18:模擬第四段第二層
基坑開挖,整個基坑開挖完成。
根據(jù)施工步序,第7 施工步到第12 施工步開挖至騰龍
大道上跨橋下部,該處施工對騰龍大道上跨橋影響較大。
3　計算結(jié)果分析
3. 1　墩臺位移分析
有限元計算結(jié)果中提取出了上跨橋從第7 施工步到第
12 施工步以及最后第18 施工步所對應(yīng)的位移。
對上跨橋的主要受力結(jié)構(gòu)構(gòu)件0#、4# 橋臺和1#、2#、3#
橋墩進(jìn)行位移變化分析。為了更準(zhǔn)確地表現(xiàn)出位移變化情
況,如圖2 所示,對每一構(gòu)件分別取A、B、C 三處觀察點(diǎn)進(jìn)行
對比分析,三點(diǎn)分別取在橋墩(臺)的頂面、底面和橋墩(臺)
與地表的接觸面。
圖2　上跨橋位移分析取點(diǎn)位置
由計算得出。
1)0#、4#橋臺由于與施工基坑較遠(yuǎn),因此各方向位移也
相對較小,均未超過1 mm。水平位移均為遠(yuǎn)離車站基坑方
向變化,其最大值0# 橋臺為0. 35 mm,4# 橋臺為0. 5 mm;豎
向位移規(guī)律為先下沉后隆起,但數(shù)值較小,最大隆起變化值
0#橋臺為0. 18 mm,4#橋臺為0. 71 mm。
2)1#橋墩各方向位移變化均在1 mm 范圍內(nèi),變化較小。
3)由于基坑施工面從2#、3# 橋墩間穿過,開挖面與其距
離較近,因此,對其位移變化影響較大,橋墩樁基底部水平位
移背離施工面發(fā)展,上部向施工面方向發(fā)展,最大水平位移
值均發(fā)生在橋墩頂部,為1. 2 mm。豎向位移變化情況為先
稍有下沉后隆起,最大隆起值2# 橋墩為1. 61 mm,3# 橋墩為
1. 71 mm。
4)由各橋墩(臺)水平位移可知,2#、3# 橋墩傾斜度相對
較大,傾斜度為0. 1%。從各相鄰墩(臺)豎向位移來看,其
附加坡度為0. 02%。
3. 2　圍巖分析
1)圍巖位移分析。隨著基坑開挖深度的增大,彈子石車
站圍巖位移逐漸增大,變形向基坑開挖側(cè)發(fā)展,其值由第1
施工步(初始應(yīng)力作用下)的零位移開始,其豎直和水平方向
的位移在逐漸增加,其最大的豎向位移出現(xiàn)在第13 施工步
之后,在騰龍大道跨線橋縱軸線30 m 范圍內(nèi)的最大值為6.
60 mm。但其后施工步的沉降值變化很小,可視為變形趨于
穩(wěn)定。最大的水平位移出現(xiàn)在第15 ~ 18 施工步,在騰龍大
道跨線橋30 m 影響范圍的最大水平位移為11. 81 mm,在車
站基坑最大開挖斷面附近的最大值15. 31 mm,變形向基坑
內(nèi)側(cè)方向發(fā)展。
沿騰龍大道靠近車站基坑處一幅橋中心線取剖面,豎直
(Z)方向位移云圖如圖3 所示。
圖3　第18 施工步車站圍巖Z 方向位移云圖
2)圍巖應(yīng)力分析。圍巖應(yīng)力在基坑開挖面和支護(hù)結(jié)構(gòu)
處有所變化,但其值也較小,最大水平(X)和豎向應(yīng)力(Z)均
出現(xiàn)在工程完成的最后幾步,但總體變化相對較小,其最大
應(yīng)力主要出現(xiàn)在開挖面底面,最大拉應(yīng)力值為0. 15 MPa。
3. 3　支護(hù)結(jié)構(gòu)分析
施工時支撐中的應(yīng)力發(fā)生重分布,開挖完成后,中間層
的支撐受力最大,最大值為第二層支撐的1 972. 65 kN。
排樁最大彎矩值為364. 92 kN·m,最大值位于靠近橋
墩一側(cè)。冠梁最大彎矩為227. 83 kN·m,如圖4 所示。
圖4　注樁彎矩圖
4　小　結(jié)
1)基坑開挖后,騰龍大道上跨橋橋臺的豎向和水平位移
均發(fā)生了變化,主要表現(xiàn)由開挖前幾個施工步的下沉變?yōu)殚_
挖結(jié)束時的上隆。隨著施工的進(jìn)行,圍巖應(yīng)力發(fā)生多次重分
布,并使得基坑中部的圍巖變形量較大。在圍巖壓力的推動
下,臨近開挖面的圍巖受到擠壓,從而使得橋臺有一定程度
的抬升。
2)開挖中灌注樁和圍巖沿水平方向的變化一致。對灌
注樁而言,樁身中部所承受的圍巖水平方向的圍巖壓力較
大,造成樁身中部的水平變形較大。
3)橫向支撐的架設(shè)很好地平衡了因開挖引起的圍巖側(cè)
壓力,開挖完成中部支撐受到的軸力最大,變形量也很大,但
由于格構(gòu)柱的存在限制了支撐的豎向變形,保證了施工中支
撐的安全工作。
4)根據(jù)計算結(jié)果分析,跨線橋2#、3# 橋墩的水平位移較
大,主要表現(xiàn)在水平反向偏移1. 2 mm,其值小于《公路橋涵
施工質(zhì)量檢驗(yàn)評定與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》第四章第三節(jié)規(guī)定的灌
注樁在垂直于軸線方向的允許位移偏差40 mm。
5)橋墩水平與豎向應(yīng)力主要出現(xiàn)在橋墩與基坑交界處,
最大拉應(yīng)力增量值為0. 13 MPa,遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的鋼筋混凝
土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2. 39 MPa。
5　騰龍大道上跨橋的安全分析
由以上分析結(jié)果可知,彈子石車站施工對上跨橋產(chǎn)生了
(下轉(zhuǎn)第69 頁)
·51· 萬方數(shù)據(jù)
2　裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)
裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑比裝配式框架結(jié)構(gòu)需要預(yù)制
的構(gòu)件要多,結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)也會隨之增多,難以保證其
結(jié)構(gòu)性能與現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)相同?，F(xiàn)階段,我國應(yīng)主要解決
裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)件怎樣才能牢固的連接問題,構(gòu)
件的連接不牢固會降低結(jié)構(gòu)的整體性、承載能力、抗震性能
等。裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)主要適用于高層住宅建筑。本文主
要研究該結(jié)構(gòu)體系中的鋼筋連接,我國裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中
鋼筋連接主要方法為:套筒灌漿連接、漿錨連接和機(jī)械連接
等。下面對三種連接方式進(jìn)行分析。
2. 1　套筒灌漿連接
套筒灌漿接頭種類多種多樣,主要采用的方法有:全套
筒灌漿連接和半套筒灌漿連接。全套筒灌漿接頭采用上下
兩端注漿法連接加固,這種方法使用最為廣泛;半套筒灌漿
接頭預(yù)制鋼筋的直螺紋連接端,在裝配現(xiàn)場灌漿連接,故其
尺寸小,但對材料性能要求高,成本也隨之增加。
2. 2　漿錨連接
漿錨連接方法指在將拉結(jié)鋼筋錨固在灌漿套筒、凹槽、
節(jié)點(diǎn)等處,而不是采用現(xiàn)澆的方法把構(gòu)件埋置在混凝土結(jié)構(gòu)
中。漿錨連接適用于產(chǎn)業(yè)化住宅預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)施工中,其
施工過程中濕作業(yè)大大減少,節(jié)約結(jié)構(gòu)的成本。但漿錨連接
所需要的鋼筋量與灌漿量大,施工過程中對施工的技術(shù)要求
很高。
2. 3　機(jī)械連接
機(jī)械連接較之其他連接方法具有接頭性能好、能夠加快
施工進(jìn)程、對環(huán)境的污染小等優(yōu)點(diǎn)。我國早期使用的鋼筋機(jī)
械連接方法多為綁扎法和焊接法。使用綁扎法會增加結(jié)構(gòu)
的用鋼量,進(jìn)而使結(jié)構(gòu)的成本增加。焊接法因焊接時會使構(gòu)
件的局部發(fā)生高溫現(xiàn)象,會使接頭處材料性能產(chǎn)生變化,鋼
筋的強(qiáng)度也會下降,荷載作用下極易產(chǎn)生破壞,使用范圍受
到限制。現(xiàn)階段,隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展鋼筋機(jī)械接頭的方法
也有所改進(jìn),主要有軸向套筒擠壓連接接頭、錐螺紋連接接
頭、直螺紋連接接頭。鋼筋機(jī)械連接的連接方法和參數(shù)應(yīng)符
合國家現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定。
3　總　結(jié)
1) 從以上綜述可以看出,現(xiàn)階段有關(guān)裝配式節(jié)點(diǎn)的研
究取得了很大的進(jìn)展,但我國與國際先進(jìn)水平還有一定的差
距。我國政府應(yīng)鼓勵對于裝配式結(jié)構(gòu)的研究,加大力度推廣
裝配式結(jié)構(gòu)的使用,使我國的裝配式結(jié)構(gòu)也可以躋身世界的
前列。
2) 裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)在工程上的應(yīng)用會越來越多,但
相對于裝配式框架結(jié)構(gòu),預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)存在更多接
縫、節(jié)點(diǎn)連接不可靠、整體性差等問題。
3) 為達(dá)到發(fā)展新型建造方式,力爭用10 年左右時間,
使裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到30% 的目標(biāo)。我國各
級政府機(jī)關(guān)陸續(xù)出臺了關(guān)于發(fā)展裝配式建筑的政策,鼓勵發(fā)
展裝配式結(jié)構(gòu),同時預(yù)制構(gòu)件、部品生產(chǎn)等環(huán)節(jié)應(yīng)該促進(jìn)其
標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的偏差,提高施工技術(shù)人員的技
能,解決我國技術(shù)工人隨著工地跑、提高技術(shù)人員的待遇等
問題。最終實(shí)現(xiàn)裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)、施工等一體化建設(shè),
實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量更好、減少污染、施工速度更快。
總之,裝配式結(jié)構(gòu)體系雖然還存在很多未解決的問題,
但從長遠(yuǎn)來看,它符合發(fā)展新型建造方式的發(fā)展方向。隨著
經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展、技術(shù)的不斷創(chuàng)新,各種節(jié)能的新材料和新
工藝將會不斷引入未來的建筑行業(yè)中,預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)體系
的發(fā)展也將不斷迎來新的機(jī)遇。
[ID:004563]
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一定的影響,上跨橋?qū)ζ湮灰谱兓绊戄^大,主要表現(xiàn)在2#、
3#橋墩上,其底部水平位移背離施工面發(fā)展,上部向施工面
方向發(fā)展,最大水平位移值均發(fā)生在橋墩頂部,為1. 2 mm。
豎向位移變化情況為先稍有下沉后隆起,最大隆起2#橋墩為
1. 61 mm,3#橋墩為1. 71 mm。
由各橋墩(臺)水平位移可知,2#、3# 橋墩傾斜度相對較
大,傾斜度為0. 1%。從各相鄰墩(臺)豎向位移來看,其附
加坡度為0. 02%。
彈子石車站施工對騰龍大道上跨橋的影響較小,其值在
規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)值的可控范圍之內(nèi),設(shè)計施工方案可行。為保證
施工安全,應(yīng)加強(qiáng)施工過程的監(jiān)控量測工作。
[ID:004569]
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