基坑开挖影响下邻近长江大桥双曲拱桥的安全性能评价.pdf

建 筑 技 术 Architecture Technology1982第 54 卷第 16 期 2023 年 8 月Vol.54 No.16 Aug.2023参考文献1 刘念武,陈奕天,龚晓南,等软土深开挖致地铁车站基坑及邻近建筑变形特性研究 J.岩土力学,2019,40(4):15151576.2 POULOS H G,CHEN L T.Pile response due to unsupported excavationinduced lateral soil movementJ.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,1997,123(2):9499.3 张爱军,莫海鸿,李爱国,等.基坑开挖对邻近桩基影响的两阶段分析方法 J.岩石力学与工程学报,2013,32(S1):27462750.4 涂芬芬.深基坑开挖对邻近既有建筑变形影响研究 J.土工基础,2022,36(1):58.5 张治国,赵其华,鲁明浩.邻近深基坑开挖的历史保护建筑物沉降实测分析 J.土木工程学报,2015,48(S2):137142.6 王卫东,徐中华.预估深基坑开挖对周边建筑物影响的简化分析方法 J.岩土工程学报,2010,32(S1):3238.7 李涛.基坑工程潜水涌水量研究及双井回灌参数化分析 D.天津:天津大学,2014.基坑开挖影响下邻近长江大桥双曲拱桥的 安全性能评价陈玉良1，李 丹1，杨 明1,2，童立元2，闫 鑫2（1.南京市公共工程建设中心，210019，南京；2.东南大学交通学院，210096，南京）摘要：通过两阶段模拟法对深大基坑开挖影响下的邻近南京长江大桥双曲拱桥进行了分步模拟计算。先通过有限差分软件计算基坑开挖对临近双曲拱桥基础的影响，求解最不利工况下的拱脚变形；再结合混凝土抗拉强度设计值计算4种工况下拱脚允许最大位移值，作为邻近基坑开挖影响下的双曲拱桥安全理论限值。关键词：南京长江大桥；双曲拱桥；深基坑；数值模拟；安全评价中图分类号：TU 744 文献标志码：A 文章编号：10004726(2023)16-1982-04SAFETY PERFORMANCE EVALUATION OF ADJACENT YANGTZE RIVER BRIDGE HYPERBOLIC ARCH BRIDGE UNDER THE INFLUENCE OF FOUNDATION PIT EXCAVATIONCHEN Yu-liang1,LI Dan1,YANG Ming1,2,TONG Li-yuan2,YAN Xin2(1.Nanjing Public Construction Center,210019,Nanjing,China;2.School of Transportation,Southeast University,210096,Nanjing,China)Abstract:The two-stage method was used to simulate the adjacent hyperbolic arch bridge under the influence of deep foundation pit excavation.The influence of foundation pit excavation on adjacent hyperbolic arch bridge foundation was calculated by finite difference software,and the arch foot deformation under the most unfavorable condition was solved.Combined with the design value of concrete tensile strength,the maximum allowable displacement value of arch foot under four working conditions was calculated as the theoretical limit value of safety of hyperbolic arch bridge under the influence of adjacent foundation pit excavation.Keywords:Nanjing Yangtze River Bridge;hyperbolic arch bridge;deep foundation pit;numerical simulation;safety evaluation随着城市的发展，各类基础设施增多，城市环境变得更加复杂，基坑施工近接既有桥梁的情况也日益增多。基坑的开挖卸荷会引起坑外土体的位移和应力发生变化，造成地面沉降和深层土体位移。在基坑开挖等工程活动影响下，邻近既有桥梁基础会发生附加位移，从而导致上部结构内力发生变化，当基础变形过大或结构内力超过材料强度时，桥梁的安全性会受到威胁，甚至发生整体破坏，造成极大的社会影响和经济损失。目前国内外学者关于基坑开挖对邻近桥桩的影响做了诸多研究17。鲁四平8以宁波南站改建工程为依托，对软土地区深基坑开挖影响下的高铁桥梁动、静力学性能和施工运营过程中的安全监测进行了研究。赵奎元9通过对合肥轨道交通 2 号线青阳路站深基坑进行数值模拟，反演了基坑开挖过程，探究了基坑开挖对周围环境和既有高架桥的影响。本文在前人研究的基础上，通过两阶段模拟法对基坑开挖影响下的双曲拱桥建立了安全评价体系，提出了变形收稿日期：20230428作者简介：陈玉良（1966），男，江苏江都人，高级工程师，硕士，e-mail:.2023 年 8 月1983陈玉良，等：基坑开挖影响下邻近长江大桥双曲拱桥的安全性能评价控制指标，并根据现场情况提出相应的变形控制方法。1 工程背景1.1 基坑工程大桥站基坑工程位于大桥北路与浦江北路交会处，南京长江大桥双曲拱桥西侧，大桥路站主体基坑共分为两期，站台中心线以北车站主体为一期基坑，站台中心以南车站主体、联络线及联络线与主体围合区域为二期基坑，一期基坑宽度 21.733.6 m，长度224.3 m；二期基坑宽度约 62 m，长度 120.8 m，双曲拱桥距离基坑最近处仅有 7.2 m。大桥站与南京长江大桥双曲拱桥相关位置如图 1 所示。大桥站 二期基坑双曲拱桥 38 号双曲拱 桥 36 号大桥站 一期基坑最小距离7.2 mS8 线大桥站1 号出入口2 号出入口大桥北路辅路大桥北路图 1 大桥站与南京长江大桥双曲拱桥相关位置1.2 场地地质条件大桥路站属长江漫滩地貌单元，场区内土层从上到下依次为：1 杂填土、2 素填土、1b23粉质粘土、2b4 淤泥质粉质粘土、2c3 粉土夹粉质粘土、3b34 淤泥质粉质粘土、3d23粉砂夹粉土。围护墙底入中风化岩 1.5 m，地质条件 较差。1.3 双曲拱桥概况南京长江大桥双曲拱桥作为正在服役的不可移动文物，对变形控制有着极高的要求。双曲拱桥位于主线桥北端部，内侧同 T 梁桥相接，外侧连接引道，北岸 4 孔，长 137 m；桥宽 20.1 m，行车道宽 15 m，两侧各有 2.55 m 宽的人行道。各孔均为等截面悬链线无铰拱，矢跨比 1/41/5。北岸引桥跨径 27.634.9 m。2 两阶段模拟法对双曲拱桥进行安全评价本工程通过两阶段模拟法对基坑开挖影响下邻近双曲拱桥的安全性进行评价。第一阶段通过有限差分软件建立“桥 土 基坑”三维整体模型，计算提取基坑开挖过程中最不利工况下的拱脚位移值；第二阶段将最不利工况下的拱脚位移值代入双曲拱桥模型，验算上部结构在基坑开挖造成附加变形情况下的受力状态，最后根据计算结果提出理论变形限值。2.1 基坑开挖影响下的拱脚变形2.1.1 模型建立考虑实际工程的复杂性、周边环境的敏感性、计算精度、计算速度等，确定模型尺寸以及边界条件。模型边界以基坑边界向外延伸 35 倍基坑开挖深度，模型长 300 m，模型宽 175 m；根据基坑的开挖深度及地下连续墙深度，取模型竖直方向约 4 倍开挖深度80 m。综合考虑周围环境的敏感性及数值计算的速度，本模型尺寸取 300 m175 m80 m。模型网格单元数量为 124 万，节点数量为 46 万，模型如图 2 所示。图 2 三维整体模型根据已有勘察报告及常规设计参数，得出表 1 所示实体单元数值计算参数。表 1 实体单元数值计算参数土层/结构弹性模量E/MPa泊松比堆积密度/（kN/m3）内摩擦角/（）粘聚力/kPa杂填土12.20.3518.9513.039.58淤泥质粉质粘土10.060.3318.27.312.5粉砂34.40.2919.0309粉质粘土11.60.3518.09.116.7粉砂39.40.2519.5318粉质粘土15.30.3519.219.119粉砂40.40.2420.831.65强风化岩900.2323.62520中风化岩9470.4524.73360水泥土3000.252035100地下连续墙32 5000.2224钻孔桩墙18 0000.2323引桥25 0000.224.52.1.2 拱脚变形计算在施工过程中，为了减小基坑开挖对邻近建筑的影响，将二期基坑分为 A、B、C 3 个小坑（如图3 所示），按照实际施工工况进行数值模拟，分析 3个开挖阶段在最不利工况下的双曲拱桥拱脚附加变形量，在距离基坑较近的 5 个桥墩（34 号 38 号）建 筑 技 术第 54 卷第 16 期1984拱脚设置东（E）、西（W）、中（C）3个监测点，以提取各点位移。ANBCWWWWWCCCCCEEEEE34 号35 号36 号37 号38 号图 3 二期基坑分区及测点分布示意根据数值模拟结果可以发现，当 B 基坑施工时，临近双曲拱桥发生的变形最大，因此本工程将 B 基坑的开挖作为最不利工况进行详细分析。B 基坑开挖至底部时，双曲拱桥 3438 号桥墩在该工况下产生的附加变形量最大。各桥墩拱脚位置附加变形量如图 4所示。05101520竖向沉降/mm竖向 W 竖向 C 竖向 E桥墩号（a）（b）（c）34 35 36 37 38012345纵桥向位移/mm纵桥向 W 纵桥向 C 纵桥向 E桥墩号34 35 36 37 3816141210864202横桥向位移/mm横桥向 W 横桥向 C 横桥向 E桥墩号34 35 36 37 38图 4 各桥墩拱脚位置附加变形量（a）竖向沉降；（b）纵桥向位移；（c）横桥向位移根据图 4 可以发现以下规律。（1）北引桥双曲拱桥在基坑开挖的影响下整体发生下沉，拱脚的沉降大致呈现距离基坑开挖较近的大号桥墩的沉降大，较远的小号桥墩的沉降小的规律。最大沉降发生在距离基坑最近的 38 号桥墩西侧，最大值为 20.38 mm。单个拱脚在横桥向呈现靠近基坑的西侧沉降大，远离基坑的东侧沉降小。（2）通过纵桥向位移可以看出，拱桥整体向南移动，拱脚在纵桥向的变形都不大，37 号桥墩的变形最大，最大值为3.41 mm，其他拱脚纵向变形较小。（3）通过横桥向位移可以看出，在基坑开挖影响下，拱桥整体向基坑一侧位移，呈现出靠近基坑的桥墩横桥向变形大的情况，38 号桥墩发生最大 11.31 mm 的横桥向位移。单个拱脚东、西两侧的横桥向位移基本一致，说明桥台本身未发生大变形。2.2 双曲拱桥结构计算B 基坑开挖完成后二期基坑靠近双曲拱桥一侧的基坑全部开挖完毕，此时基坑周边土体变形相对较大。从而导致双曲拱桥基础的附加变形处于最不利状态，会对双曲拱桥上部结构受力造成一定的影响。构建双曲拱桥计算模型（如图 5 所示），据第 2.1 节的 B 基坑开挖最不利工况计算结果，考虑附加变形情况下对双曲拱桥在永久荷载及可变荷载作用时的受力情况进行计算分析。主拱圈腹拱圈立墙拱脚拱脚图 5 双曲拱桥结构示意2.2.1 主拱圈弯矩分布以主要受力构件主拱圈为考察对象，在永久荷载、可变荷载及基础附加变形作用下的弯矩分布如图 6 所示。图 6 主拱圈弯矩分布图（最不利工况）图 6 显示，在 A 基坑开挖造成的基础附加变形情况下，各跨跨中正弯矩均有所增大，其中 3738号跨跨中正弯矩较其他跨增加最多，最大正弯矩值由428.75 kNm 增至 495.6 kNm，增幅约达 15.6%，发生在 3738 号跨西侧主拱圈位置（基坑开挖侧）。拱脚负弯矩也显著增大，最大值由 328.2 kNm 增至399.4 kNm，增幅约达 21.7%。2.2.2 主拱圈应力分布以主要受力构件主拱圈为考察对象，在永久荷载、可变荷载及基础附加变形作用下的上、下缘应力如图7 图 10 所示。图 7 图 10 显示，当永久荷载、可变荷载及基础附加变形共同作用时，主拱圈上缘基本处于受压状态，而主拱圈下缘在 3738 号跨跨中位置出现了受拉状态。图 7 主拱圈上缘左侧位置应力分布图（最不利工况）图 8 主拱圈上缘右侧位置应力分布图（最不利工况）2023 年 8 月1985陈玉良，等：基坑开挖影响下邻近长江大桥双曲拱桥的安全性能评价图 9 主拱圈下缘左侧位置应力分布图（最不利工况）图 10 主拱圈下缘右侧位置应力分布图（最不利工况）图 7 和图 8 显示，当永久荷载、可变荷载及基础附加变形共同作用时，主拱圈上缘基本处于受压状态，其中拱脚和跨中位置的压应力较大。37 号拱脚位置主拱圈上缘左侧最大压应力为 3.23 MPa，右侧最大压应力为 4.4 MPa。3738 号跨跨中位置主拱圈上缘左侧最大压应力为 2.54 MPa，右侧最大压应力为2.73 MPa。图 9 和图 10 显示，当永久荷载、可变荷载及基础附加变形共同作用时，3738 号跨跨中下缘出现了一定的拉应力，具体如图 11 所示。图 9 和图 10 中，3738 号跨主拱圈下缘左侧最大拉应力为 0.78 MPa，主拱圈下缘右侧最大拉应力为 0.73 MPa。说明主拱圈并非完全的正截面受弯状态，而是在平面内存在一定的扭转，从而导致主拱圈两侧的应力存在差异。可能导致主拱圈扭转的原因是单个拱脚的沉降在横桥向存在差异，即拱脚的横桥向不均匀沉降差。跨中的弯矩发生改变导致拱脚位置主拱圈下缘压应力有所增大，左侧最大值为 4.09 MPa，右侧最大值为 4.45 MPa。主拱圈 受拉区域图 11 主拱圈下缘拉应力分布位置（最不利工况）2.2.3 双曲拱桥变形理论限值上述分析结果表明，大桥站二期基坑的开挖会造成基坑周边场地土体出现变形，给双曲拱桥基础带来附加变形，从而影响到桥梁上部结构受力状态。因此，对于双曲拱桥结构评估与评定的本质是对桥梁墩台附加变形限值的分析与考察。综合考虑，将附加变形验算跨主拱圈 1/2 跨、1/4 跨、3/4 跨、1/8 跨、3/8 跨、5/8 跨、7/8 跨和两处拱脚等 9 个截面作为典型评定截面，验算桥梁结构的强度、刚度、应力，以确保受力构件不发生破坏、不出现显著的下挠、混凝土不开裂且保持耐久性。根据桥梁结构评定原则：将附加变形造成的主拱圈混凝土表面拉应力达到材料抗拉强度设计值作为主要受力构件的评定依据，主拱圈将 C 35混凝土材料抗拉强度设计值1.52 MPa作为评定限值。基坑开挖导致的双曲拱桥基础附加变形主要有 4 种：竖向附加变形、纵向附加变形、横向附加变形、横向倾斜。按照基坑开挖影响下双曲拱桥的最不利工况计算结果和桥体材料抗拉强度设计值，提出 4 种基础附加变形条件下的理论限值（表 2）。表 2 双曲拱桥附加变形理论限值附加变形理论限值/mm竖向附加变形（拱脚间竖向沉降差）22.5纵向附加变形（拱脚间纵桥向水平位移差）5.4横向附加变形（拱脚间横桥向水平位移差）19.8横向倾斜（单个拱脚横向沉降差）19.53 结束语本文通过两阶段模拟法对基坑开挖影响下的双曲拱桥变形特性进行了分析，提出了 4 种基础附加变形条件下双曲拱桥的理论限值。两阶段模拟法将基坑开挖对双曲拱桥的影响分为两个阶段进行计算。第一阶段，通过整体模型计算得出了最不利工况下的拱脚附加变形；第二阶段，以桥体材料的抗拉强度为控制指标，将第一步所得的拱脚位移施加于桥梁模型上，计算了 4 种工况下的双曲拱桥的拱脚位移理论限值。此种方法原理简单，通过对比现场实测数据，结论精度可以被工程接受，对类似工程具有参考和借鉴意义。参考文献1 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