高架桥桩基施工与邻近在建地铁车站相互影响研究--以南昌洪都快速路改造工程为例

'分类号______________________________密级______________________________ＵＤＣ______________________________编号______________________________硕士学位论文高架桥桩基施工与邻近在建地铁车站相互影响研究学位申请人：谢群学科专业：交通运输工程指导教师：孙剑萍教授答辩日期： 独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得华东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人签名_______________日期____________关于论文使用授权的说明本人完全了解华东交通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定，本论文无保密内容。本人签名____________导师签名__________日期___________ 摘要高架桥桩基施工与邻近在建地铁车站相互影响研究——以南昌洪都快速路改造工程为例摘要随着城市交通网线的发展，地面建筑与地下构筑物在同一位置出现交叉、并行、重叠等现象日益增多。如何保证两者在施工期和运营期的安全稳定，是目前研究的热点，同时也是工程技术人员想要攻克的技术难题。本文就南昌洪都大道快速路改造工程高架桥桩基施工与邻近在建地铁车站平行施工的工程案例，基于数值模拟、现场监测、风险评估等方法，对高架桥施工与邻近在建地铁车站的相互影响进行研究分析。论文主要工作如下：（1）根据工程实际建立真实相对位置的有限元模型，研究不同工况（在建地铁车站不同施工阶段）下高架桥施工对地铁车站的影响，分析车站结构受力变形、围护结构变形情况，并通过与现场监测数据对比，验证了数值计算的准确性。得出结论：在建车站施工过程中，邻近高架桥施工对在建车站的影响各不相同，但整体趋势相近。当在建车站下部土体开挖至底部时，高架桥施工对车站的影响远大于车站主体结构完成后进行高架桥施工；（2）根据工程实际建立有限元模型，研究了在建车站开挖过程对邻近既有高架桥桩的影响，得出结论：地下连续墙向基坑内部方向偏移，最大水平位移一般位于基坑深度中部至三分之二基坑开挖深度范围内。基坑开挖过程中，基坑底部土层是呈现“两头小中间大”的隆起现象；高架桥桥墩会产生水平位移，且距基坑边缘越近，桩基发生的水平位移越大；（3）为施工安全考虑，提出地铁车站主体结构封顶后再进行邻近高架桥施工的建议与基坑开挖对坑外桥桩水平方向的影响不可忽视，在以后的工程中也应增加对桥桩侧移、内力等指标的测量。关键词：高架桥，在建车站，相互影响，数值分析I ABSTRACTResearchonMutualInfluenceBetweenConstructionofViaductPileFoundationandItsAdjacenttoMetroStationsunderConstruction——TaketherenovationprojectofHongduExpresswayinNanchangasanexampleABSTRACTWiththedevelopmentofurbantransportationnetworklines,cross-cutting,parallelism,andoverlapofgroundconstructionsandundergroundstructuresatthesamelocationareincreasing.Howtoensurethesafetyandstabilityofthetwoduringtheconstructionperiodandtheoperationperiodiscurrentlythehotspotofresearch,anditisalsoatechnicalproblemthatengineersandtechnicianswanttoovercome.ThispaperdiscussestheconstructionofviaductsinthereconstructionoftheHongduAvenueExpresswayinNanchangandtheparallelconstructionofthenearbymetrostationsunderconstruction.Basedonnumericalsimulation,sitemonitoring,andriskassessmentmethods,theimpactoftheconstructionofviaductsontheadjacentmetrostationsunderconstructionisdiscussed.Conductresearchanalysis.Themainworkofthethesisisasfollows:(1)Accordingtotheactualproject,thefiniteelementmodeloftherealrelativepositionisestablishedtostudytheinfluenceofviaductconstructiononthesubwaystationunderdifferentworkingconditions(underdifferentconstructionphasesofthesubwaystationunderconstruction),analyzethedeformationofthestationstructure,deformationoftheenvelopestructure,andThecomparisonofon-sitemonitoringdatavalidatestheaccuracyofnumericalcalculations.Itisconcludedthatduringtheconstructionofthestationunderconstruction,theimpactoftheconstructionofthenearbyviaductonthestationunderconstructionvaries,buttheoveralltrendissimilar.Whenthesoilinthelowerpartofthestationunderconstructionisexcavatedtothebottom,theimpactoftheviaductconstructiononthestationisfargreaterthantheconstructionoftheviaductafterthecompletionofthemainstructureofthestation.(2)Accordingtotheactualproject,afiniteelementmodelwasestablishedtostudytheinfluenceoftheexcavationprocessatthestationunderconstructionontheadjacentexistingelevatedbridgepiles.Itwasconcludedthattheundergroundcontinuouswallwasoffsettowardtheinteriorofthefoundationpit,andthemaximumhorizontaldisplacementwasgenerallylocatedinthemiddleofthepitdepth.Two-thirdsofthepitexcavationdepthrange.Duringexcavationoffoundationpit,thesoillayerattheI ABSTRACTbottomofthefoundationpitshowsthephenomenonof"twosmallandmediumbig"uplift;thepieroftheviaductwillproducehorizontaldisplacement,andtheclosertotheedgeofthefoundationpit,thegreaterthehorizontaldisplacementofthepilefoundation;(3)Consideringthesafetyofconstruction,putforwardthemainstructureofsubwaystationcapafterimpactofthepitexcavationpileinhorizontaldirectionandsuggestionsofFoundationPitAdjacentViaductConstructioncannotbeignored,aftertheprojectshouldalsoincreasethemeasurementshift,asindexofsidepileinternalforce.KeyWords:Viaduct,stationunderconstruction,mutualinfluence,numericalanalysisII 目录目录第一章绪论..............................................................11.1引言..............................................................11.2国内外研究现状....................................................11.2.1类似工程案例................................................11.2.2基坑开挖对邻近桩基影响研究..................................41.2.3桩基施工对邻近构筑物影响研究................................71.3研究内容及技术路线................................................91.3.1研究内容....................................................91.3.2技术路线....................................................9第二章工程概况.........................................................112.1洪都大道快速路改造工程简介.......................................112.2南昌轨道交通3号线青山湖西站简介.................................132.3洪都高架与南昌轨道3号线相互位置关系.............................152.4工程地质与水文地质条件...........................................172.5本章小结.........................................................18第三章高架桥桩基施工对在建地铁车站影响的有限元分析.....................193.1有限元理论.......................................................193.2模型的建立.......................................................213.3高架桥桩基施工对在建地铁车站影响的结果分析.......................243.3.1基坑开挖至底部时高架桥施工模拟分析.........................243.3.2车站主体结构封顶后高架桥施工模拟分析.......................293.4现场监测方案.....................................................333.4.1监测目的...................................................333.4.2监测项目...................................................343.4.3监测成果分析...............................................353.5计算结果与监测数据对比分析.......................................373.6风险分析与评估...................................................383.6.1风险分析...................................................383.6.2风险评估方法...............................................393.6.3风险评估...................................................393.7本章小结.........................................................40第四章地铁车站施工对既有高架桥桩基影响的有限元分析.....................41I 目录4.1地铁车站基坑开挖数值模型的建立...................................414.1.1模型建立的基本假定及模型参数...............................414.1.2基于有限元软件ABAQUS的地铁车站基坑开挖模型................424.1.3开挖工况模型...............................................444.2计算结果及分析...................................................464.2.1地下连续墙水平位移分析.....................................464.2.2基坑周边地表沉降分析.......................................484.2.3坑底土体隆起分析...........................................494.2.4高架桥桥墩桩基水平位移分析.................................504.3本章小结.........................................................55第五章结论与展望.......................................................575.1结论.............................................................575.2展望.............................................................57参考文献...............................................................59个人简历在读期间发表的学术论文.........................................62致谢...................................................................63II 第一章绪论第一章绪论1.1引言随着经济的快速发展和人民生活水平日益提高，人们对于出行的要求越来越高，这加大了城市交通需求量。要想在有限的空间内发展我国的城市交通，需充分利用地上空间和合理开发地下空间。目前，全国各地加快了地铁与城际铁路建设进程，通过改进地面与地下交通网络，使交通压力进一步得到改善，使得市民的出行有了更多更好的选择。在这日益增多的交通工具及交通线路的拓展之下，地下空间也逐渐拥挤。随着城市道路网的不断完善及设计线路的限制，地面建筑与地下建构筑物往往在同一位置出现交叉、并行、重叠等现象。且地铁修建的位置通常是在人流量大、建筑物密集的地方，沿线有许多地面及地下构筑物、高层建筑等，它们之间势必会产生相互影响。确保施工期间与运营期间二者的安全稳定是目前工程师们迫切希望攻克的研究热点与技术难题。高架桥与邻近地下工程之间的相互影响是一个迫切需要得到解决的问题。地下工程与邻近桩基础间的相互作用，按施工先后顺序可分为两类：第一类是在建地下工程施工[1]对既有建构筑物桩基的影响，第二类是在建建构筑物桩基础对既有地下工程的影响。两者之间不同的施工顺序，由于其相互作用机理的不同，因此需要针对性措施进行处理。从文献调研情况来看，目前国内外第一类的问题的工程案例较多，对此的研究成果也较[2-9]为丰富，国内文献中，对于第二类问题的研究较少，第二类工程案例也在随着中国城市化的发展逐步增多。为确保桩基施工期间既有地下工程安全稳定运行的方法，并制定降低施工风险的工程控制措施，进行相关的理论研究和实践探索是极为重要的。1.2国内外研究现状1.2.1类似工程案例国内针对已有高架桥施工上跨既有隧道结构工程案例研究尚少，而高架桥上跨既有地铁车站的工程案例则更不易发现。经调研目前国内外与本案例相似的工程有：（1）在某高架施工过程中，需上跨一段框架结构公路隧道，其中拟建高架桥中线与部分隧道中线重合，为方便施工，拟通过将中间两车道撤除，预留给高架桥桥墩施工使用。桥墩基础直接施作于隧道顶板上，如图1-1所示。1 第一章绪论图1-1高架公路桥上跨既有公路隧道断面图Fig.1-1Cross-sectionofanexistinghighwaytunneloveranelevatedhighwaybridge通过对以上案例的数值模拟，研究认为桥墩基础施工过程中会使隧道顶板产生较大[10]应力，整体的承载力要求仍然符合。（2）某新建桥梁上跨既有隧道，因其隧道断面尺寸较大而桥梁上跨隧道段呈圆曲线，为了确保桥梁整体的安全性，通过在PM3、PM4处采用支座支承，使其支座落于隧道顶板。通过采用托架厚板托换支座，以保证既有隧道受力的均匀性。桥梁与既有隧道位置截面图如图1-2所示。图1-2新建桥梁与既有隧道位置截面图Fig.1-2Cross-sectionofnewly-builtbridgeandexistingtunnel2 第一章绪论通过进行模拟得出，桥梁主体施工完成后，隧道衬砌底板处及拱脚处的弯矩增大了3.3kN·m，拱脚处的轴力减少了31.4kN；桥梁运营前后相比，隧道衬砌底板处及拱脚处弯矩运营后较施工完成时增大了0.2kN·m，拱脚轴力减少了2.1kN。桥梁主体施作过程[11]中，隧道结构发生最大为4.46mm的整体沉降，最大位移处发生在拱顶位置附近。（3）贵州某县新建公路桥上跨既有铁路隧道，该桥左幅3号桥墩通过扩大基础，距离隧道水平距离11.62m，垂直距离23.985m；右幅4号桥墩亦采用扩大基础的方式，距离隧道水平距离10.98m，垂直距离24.84m。通过对以上工程进行数值模拟，发现既有隧道拱部会产生向上的位移，底板处会发生隆起；最大上浮区域及隆起位置均发生在拱部，但最大处不足0.5mm，研究发现桥台[12]及桥桩的施工对既有隧道影响较小。（4）无锡地铁1号线金城路站位于清扬路与金城路高架交叉口，其中3区基坑为金城路高架下穿越段，使用对称开挖方式对高架桥两侧进行开挖。经过对监测数据的分析，得出了下穿高架桥段基坑开挖过程中桩身变形、基坑周边地表沉降、支撑轴力、临时立柱及高架桥墩竖向位移的变化规律。由监测成果可知，该[13]围护、监测方案可行，确保了基坑工程及高架桥的安全。（5）某半苜蓿叶型枢纽立交桥上跨地铁隧道，隧道为普通地铁隧道段。桥隧关系如图1-3所示，通过对中间是否设墩两种工况进行模拟。图1-3桥隧关系位置断面图Fig.1-3Crosssectionofbridgeandtunnel通过对数值计算结果进行分析，土体沉降随施工进行发生不同变化，其中土体的最大沉降值为14.65mm，管片最大沉降量为3.11mm，沉降差绝对值较小，变形值均在变[14]形控制标准范围内，中间不设墩对行车安全不会产生影响。（6）杭州某高架公路桥施工前，采用了两种不同的桩基试验方法，以测试钻孔桩施工对邻近地铁应力与变形的影响，试桩与隧道最短距离为2.5m。现场实测数据表明，[15]试验桩引起的隧道轨道板最大沉降为4mm。（7）某项目毗邻既有地铁盾构隧道，该项目基坑长、宽分别为48m、31m，开挖3 第一章绪论近11.5m，围护结构采用桩锚支护体系。基坑与既有地铁隧道平行布置，二者相隔距离为11.50～13.81m。通过将现场监测结果与数值分析结果进行对比，得出该既有地铁隧道右线受邻近基坑开挖影响较大的结论。基坑的开挖卸载会造成道床的抬升趋势，开挖至设计深度附近时，变形将逐渐趋于平缓，主体结构开始施工时会有一定的下滑趋势，待到主体结构整[16]体完工后变形开始趋于稳定。（8）湘府路快速化改造工程主线桥梁设计里程K0+191.72~1+003.260、K3+986.213~K12+200，主线全长8.82km。主线高架双向六车道。主线高架跨长株潭城际铁路地下通道拟采用跨度为36m+60m+36m的变高连续组合板梁桥，桥梁桩基与隧道主体结构最小距离为4.808m，与出入口结构最小间距仅3.946m。通过对以上条件的有限元模拟，得出的结论是：在其他条件一致的情况下，主跨跨径越小，主跨桩基距离车站结构的距离越近，桩基开挖过程对车站侧墙和顶板带来的影[17]响越小。1.2.2基坑开挖对邻近桩基影响研究针对基坑开挖对邻近桩基影响的问题，国内外许多学者对理论研究和数值计算方面开展了较多研究：（1）理论研究方面[18]Polous为改进单桩弯矩和变形的计算，最先将弹性半空间的Mindlin法用于计算，基于此分析了影响桩基的因素。通过对桩基进行研究，发现桩-土之间相对刚度、顶部及底部的边界条件、土体位移的分布形式三者对桩基的影响最大。[19]李国豪利用弹性地基梁法，将土体视作为弹性体，通过结合桩的经典扰曲微分方程求解竖向荷载作用下被动桩的变形和内力，研究认为小变形条件下该方法仍然适用。[20]Wong提出由土体沉降造成的桩基负摩阻力，桩土界面采用通过剪切试验获得的弹簧刚度进行非线性弹簧模拟，再与工程实例结合，对比分析得出该法在简单固结沉降问题方面是可行的。[21]Kitiyodom利用Loganathan给出的杆系有限元方法及解析方程，在考虑将桩土体系视为Winkler地基梁的情况下，研究了桩基对邻近隧道开挖的影响，解析结果与有限元分析数据契合度较高，研究认为该方法可靠。但该法仅适用于单桩，群桩及桩筏基础，在分析桩筏基础响应时，特别需要重视地是要考虑桩筏单元的阻力和建筑物之间的相互作用。[22]黄茂松利用Winkler地基模型基于两阶段分析方法，对被动单桩的桩土相互作用进行模拟，使用有限差分法来考虑地基土的层状特征。使用简化的Mindlin方程来分析群桩的桩-桩相互作用，并得到开挖条件下被动桩群水平响应的简单分析方法。研究结束时，将解析法所得结果与实际现场测量结果和离心机实验结果等进行比较，以验证该4 第一章绪论方法的合理性及实用性。[23]郑俊杰提出了一种改良的非线性两阶段分析法，通过与现有研究成果进行对照，得出结论：该法能够合理考虑桩土相互作用的非线性特征，桩顶工作荷载对桩身附加轴力的影响及轴力产生的偏心弯矩对水平扰曲的影响。[24]张治国等以地基黏弹性角度为起点，采用两阶段法研究了基坑开挖的时域问题。研究表明，所得出的简化时域解可以反映基坑开挖对邻近桩基水平变形的影响以及桩基变形的时间过程，为实际工程提供了有效的理论根据。（2）数值分析方面[25]Duncun利用曲线模型，对基坑开挖引起的坑底隆起进行了有限元模拟，利用计算结果与实际工程数据对比，验证了有限元计算方法的合理性。[26]Bose和Som利用修正剑桥模型的本构关系模拟土体的变形行为，并通过有限元法模拟基坑阶梯开挖过程，研究得出了支护墙贯入深度及基坑开挖深度等因素对围护结构变形、邻近基坑地表沉降与坑底隆起变形的影响。[27][28]Ou和Chiou将基坑开挖视为典型空间问题。作者以基坑开挖为研究对象建立三维有限元模型，着重研究了基坑开挖过程中基坑拐角处围护体系及坑底回弹响应情况，并与二维有限元研究结果进行对比分析。[29]Lee采用三维有限元软件ABAQUS对桩群的遮拦效应和群桩在土体变形条件下的力学响应进行了研究。通过将模拟数据与已有解法进行对比。得出结论，已有的弹性解法对桩周土体沉降引起的桩基附加响应产生过高的估计，同时指出对桩土接触面滑移特性的设置须得到重视。[30]Goh为研究深基坑开挖对邻近桩基的开挖效果，使用有限元软件模拟深基坑开挖过程。结果表明：基坑开挖使得邻近桩基产生较大的水平位移，最大值水达到了28mm，二者结果契合度较高。[31][32]Kok和Khelifi使用有限元软件模拟基坑开挖过程，得出基坑开挖后会使得桩基产生附加弯矩，但该方法忽略了桩周土体的剪切流动性，将桩基模拟成无限长的梁单元，提出为后续更好地研究，应采用三维有限元进行模拟，分析桩周土剪切流动对弯矩的影响程度[33]张雅宁等结合某工程实例，利用有限元软件MIDAS/GTS建立了基坑开挖模型，分析了基坑开挖过程中桩-土之间的相互影响，并将计算结果与实测值进行了对比。研究发现，模拟数据与工程实测数据吻合度较高，在基坑开挖过程中会对邻近桩基产生多方面的影响，桩身的水平位移和弯矩与开挖深度呈正比走向，桩身的位移和弯矩与桩离基坑的距离成反比。[34]胡斌等基于武汉地铁深基坑工程项目，采用FLAC3D软件进行岩土工程仿真，考虑高架桥影响对基坑开挖进行数值模型，并将数值结果与监测数据进行了比较，二者趋势相近。研究表明，基坑刚进行开挖时，围护结构会发生较大的变形，但围护结5 第一章绪论构的变形会随着钢支撑的架设逐渐开始减小，最大位移处为围护结构的中部偏下的位置；基坑刚开始开挖时，桥墩会有比较明显的沉降且沉降速率较快，但沉降的趋势会随着钢支撑的架设慢慢减缓，变形率逐渐趋于平缓。[35]邬俊杰通过土体开挖和桩周卸荷的室内模型试验，研究了桩基的极限承载力在卸荷条件下的状态和卸荷过程中桩的受力特性。并通过与两个上海地区工程实例相结合，运用ABAQUS有限元软件进行分析。研究表明，在开挖过程中，由于卸荷土的回弹作用，桩身会产生较大的拉力，随着开挖深度的增加，桩身最大轴力呈现先增后降的趋势。[36]黄伟文利用有限元分析软件ANSYS对某电厂循环水泵房基坑开挖进行了模拟，模拟了基坑和相邻桩基的开挖、桩土之间的相互作用，在基坑开挖对邻近桩基的影响方面进行了研究，模拟的结果与实际较为一致，对工程实践具有一定的指导意义。[37]王恒等基于某地区深基坑工程，利用PLAXIS三维数值软件建立了岩土工程三维数值模型，采用HS本构模型模拟考虑桩土相互作用的开挖。研究了水闸深基开挖过程中邻近桥梁桩基的响应特性，为基坑施工与邻近桩基之间相互作用提供基础认识，可为数值模拟在基坑工程中的应用提供参考。[38]易建伟使用FLAC3D软件进行模拟，分别就基坑土层参数变化、基坑开挖深度和基坑距离等因素研究了基坑开挖对坑外桥桩的影响，并提出可行的控制措施。[39]任宝刚等利用MIDAS/GTS软件建立了在高速公路一侧开挖基坑的数值计算模型，对基坑开挖施工过程对既有高速公路桥梁桩基影响进行研究。研究得出，在基坑施工过程中，坑内土体的卸荷，会引起基坑底反弹；支护结构内力会在侧向土压力的作用下产生变化，同时发生变形；若支护结构的强度和刚度不足，会使得支护桩发生倾斜。[40]王小耿等基于某临河桩基深基坑开挖工程，建立了基坑开挖的有限元数值分析模型，对临河条件下基底的桩基应力与变形特性进行了分析。研究表明，临河基底桩基的应力和变形是不对称的；当临河距离为基坑开挖深度的1~2倍时，桩基轴力与临河距离成反比，当临河距离大于2倍基坑开挖深度时，桩基轴力与临河距离呈现正比例关系，桩顶位移随临河距离增加一直呈现增大趋势。[41]王曼以某公路下穿京沪高铁为背景，采用有限元分析软件ABAQUS建立了高铁桩基和路基三维有限元模型。研究表明，施工会导致整个桩身的轴向力增加，并且随着桩长增加，效果将先增大然后减小。[42]李琳等使用FLAC3D软件进行岩土数值计算，对多层支护条件下开挖进行了三维数值模拟。研究表明，邻近桩基的位移、弯矩、剪力和侧向土压力均与围护墙变形成正比趋势，其中以桩基位移最为明显；当桩基刚度小于10EI时，桩身位移呈中间大、两端小的趋势，最大位移位置接近基坑开挖面，而当桩基刚度超过40EI后，桩顶位移最大且随桩基刚度进一步增大，桩基挠曲变形减小。[43]高东等基于深基坑开挖工程，运用有限元分析软件MIDAS/GTS进行了基坑开挖和支护过程的模拟。研究表明，当高架桥桩基距离基坑5m和10m时，基坑开挖对桩基6 第一章绪论位移影响较大，最大位置位于桩身中部，这可能会影响桩身的稳定性；当高架桥桩基与基坑之间的距离超过20m时，对桩基的影响主要出现在桩身上部，桩身的位移曲线较为平坦，对桩基的安全不会产生影响。[44]郑明新等采用有限元软件ABAQUS建立了基坑开挖模型来分析基坑开挖对邻近桥墩桩基的影响。研究表明，基坑开挖会导致桥墩桩基发生附加变形；同一桥墩各桩基最大水平位移均出现在桩基顶部；桩基的变形曲线呈现缓S形状，同一桩基距桩顶0~28m段桩基水平位移与开挖深度呈正比趋势，但后半段桩基水平位移有偏离基坑的走向。[45]尚素英等以江苏省某拟建基坑工程为背景，采用ABAQUS软件模拟了地下连续墙支护下的邻近桩基受基坑开挖过程的影响。研究表明，地下连续墙与墙桩之间的水平位移规律相似，在开挖面以上，墙体及墙桩间土水平位移与开挖深度呈反比趋势，最大值均发生在顶部位置。随着桩基埋深的增加，侧向位移曲线图中呈现出3个拐点。[46]胡军通过采用有限元软件对既有高速铁路桥基附近深基坑开挖进行有限元模拟研究，并与现场实测数据进行对比。研究得出的结论是：基坑开挖后，由于两侧土体向内挤压，坑底土体会出现一定的隆起现象。[47]谢沃基于合肥市清溪路地铁车站深基坑工程，为研究分区分层开挖过程中基坑变形的规律，通过采用现场监测和数值模拟相结合的方法。研究表明：基坑分区分层开挖完成后，围护结构呈现出明显的凸起现象，基坑附近的地面沉降曲线呈凹槽状。1.2.3桩基施工对邻近构筑物影响研究国外对新建桩基对邻近构筑物的影响方面的研究起步较早，研究成果也较多。但并不能完全适用于国内，而由于中国经济发展原因起步较晚，近几年才开始关注这一块的研究。但国内的研究主要集中在数值模拟研究，而在理论研究这块较少。（1）理论研究方面[48]Higgins通过对桩-土-隧道之间相互作用的分析，分别就桩基施工、不排水固结等因素进行分析，研究其对邻近隧道结构产生的影响。[49]Benton&Phillips考虑单桩与群桩的施工过程及荷载对隧道结构变形的影响，研究表明：（1）桩-隧距离越小，隧道受到的变形影响越大；（2）桩群荷载作用也会对隧道变形产生影响，但二者的影响方向各不相同。[50]楼晓明针对高层建筑钻孔灌注桩基础跨越地铁隧道线时引起的问题进行了研究分析。计算结果表明：，桩基下卧层中的竖向附加应力与土体自重应力相比较小，由此可见，桩身的压缩变形和孔底沉渣的变形是造成桩基沉降的主要因素。[51]王志良等基于Winkler弹性地基梁理论，推导了在开挖卸荷作用下邻近隧道的位移规律。（2）数值分析方面[52]F.c.schroeder桩-既有地铁影响进行了较为系统的研究，分析了桩的灌入和加载过7 第一章绪论程对地铁沉降变形和应力的影响。[53]冯龙飞等基于某拟建跨线桥工程，采用MIDAS/GTS有限元软件进行三维数值建模，模拟了钻孔灌注桩的施工过程。研究结果表明，桩基施工对隧道变形和应力影响不大，主要影响集中在上部结构施工及通车阶段；桩周土体软化引起隧道变形增大，但上部加载后在一定软化范围内随软化范围的增大，地铁隧道的变形趋于减小。[54]黄国超以某市既有地铁隧道上方的立交桥梁建设为工程背景，通过MIDAS/GTS数值模拟软件进行了数值模拟分析，对既有地铁隧道变形的影响因素进行了分析，得出结论：中间无桩的方式对土体产生的扰动相对更大，得出中间无桩的布置方式更为安全可靠的结论。[55]刘毅以某上跨隧道桥桩基施工工程为依托，利用FLAC3D软件对桩基施工过程进行了动态模拟。研究结果表明：桩基施工对隧道应力和变形影响与桩-隧之间的距离有关；桩基开挖时，由于卸荷原因发生水平位移，造成隧道衬砌压力减小；其越远离隧道中心线（即距桩心越近），地表沉降越大。[56]马文琪等依托深圳市沙荷-盐排高速立交（一期）跨既有引水隧洞工程，使用FLAC3D建立三维简化模型。研究结果表明：隧洞竖向位移与桩间距之间的关系曲线接近线性；为保证桩基施工期间隧洞结构的稳定性，桩间距不宜小于6m。[57]吕宝伟依托某新建上跨既有隧道立交桥，通过数值模拟软件MIDAS/GTS分析对桥梁桩基施工过程对隧道结构内力及位移影响。模拟结果分析表明，桩基施工不同阶段对既有隧道结构的影响各不相同。[58]黄鹏等基于西南地区某立交桥墩桩基工程，利用有限元分析软件MIDAS/GTS分析了岩质地层条件下，桩基施工对近距离市政管涵的影响。研究表明，桩基对侧向管涵的影响会在施工过程中达到峰值；而施工完成后运营期对侧向管涵的影响，应力位移数值较小，但会产生符号变化。（3）实验分析方面[59]Morgan等为研究钻孔灌注桩施工对邻近隧道的影响，在芬斯伯里公园下的隧道旁进行两组对照试验。相同直径的钻孔灌注桩距离隧道距离越近，隧道径向变形越大。[60]Yao等基于土工离心机试验模拟了钻孔桩开挖对邻接隧道的影响。试验研究了桩的数量及隧道埋深与直径之比（C/D）对隧道位移的影响。研究认为桩的数量会引起隧道位移量值的变化，而C/D变化则会引起隧道位移方向的变化。[61]Chung则基于离心机试验模拟了挤土桩施工对邻接隧道的影响，通过改变挤土桩的位置来研究对邻近隧道受力的影响。研究认为当桩身位置在隧道一侧时，仅影响隧道近桩侧局部位置的变形，对隧道整体变形影响不大。通过以上调研可以看出，国内外在基坑开挖对邻近地下工程影响的，无论是在理论研究方面还是数值模拟到现场监测方面，都取得了许多重要的成果。而在桩基施工方面，国内的研究主要还是以数值模拟为主。国外对新建桩基对已有邻近构筑物影响方面的研8 第一章绪论究较早，但是由于复杂地况因素，国外成果在国内工程领域使用并不很合适。综上，目前国内外在对车站开挖对桩基影响及桩基施工对邻近车站影响方面的研究都较多，然而针对二者平行施工的案例较少且研究不够系统。1.3研究内容及技术路线1.3.1研究内容本文以高架桥建设中基坑开挖卸荷，桩基施工，建筑物荷载施加等问题对下方在建地铁结构安全的影响为出发点，以南昌地铁三号线青山湖西站上方洪都高架建设项目为背景，通过数值模拟分析，深化了对基坑开挖卸荷引起的已建地下结构竖向变形规律的认识及桩基施工加载对邻近地下构筑物的受力与变形状态影响。具体内容包括：（1）对洪都大道快速路改造工程进行了简要说明，主要针对高架桥与地铁车站的位置关系及相互施工顺序；（2）对南昌市地铁3号线区间线路及所在区间地理位置和工程水文地质条件进行了说明；（3）利用ABAQUS有限元软件模拟桩基施工过程，探讨不同工况（地铁车站各施工阶段）下，桩基开挖过程对地铁车站结构的影响，并与现场监测数据比较验证有限元软件的可靠性。通过风险分析，提出合适的施工时机，以确保后续工程的安全与顺利开展；（4）利用ABAQUS有限元软件模拟基坑开挖施工过程，探讨在基坑开挖卸载过程中土体水平移动产生的不利影响，分析基坑开挖时对邻近高架桥的各种影响因素，并提出针对性措施，为后续二者平行施工提供建设性建议。1.3.2技术路线本文研究技术路线采用理论分析、现场监测、数值模拟、对比分析研究等多种研究方法相结合、相互比对验证的技术路线，具体的技术路线流程图见下图所示：9 第一章绪论图1-4技术路线图Fig.1-4TechnologyRoadmap10 第二章工程概况第二章工程概况2.1洪都大道快速路改造工程简介洪都大道位于南昌市主城区，跨越东湖区、青山湖区和青云谱区，是南昌市南北向重要的交通通道。洪都大道快速路与西侧的昌九快速路（在建）、南侧的九州高架快速路及北侧的洪都大桥、英雄大桥共同构建成南昌一环快速路（见图2-1）。洪都大道快速路改造工程（以下简称洪都高架）主要依托现有洪都大道，按照城市快速路标准进行改造。项目北起洪都大桥引桥，南至井冈山大道，全长约7.6公里，是南昌市规划建设的“十纵十横”快速路网工程的重要组成部分。洪都高架所承建的是由北京西路至解放西路主线高架桥、上下匝道、立交互通、地面道路改造及相关配套工程施工。洪都高架起止桩号K1+180~K8+800.6，主线桥梁212跨。本项目主要内容包括主线高架桥、上下匝道桥及解放路立交。其中主线高架桥标准跨主要采用35m跨节段预制箱梁，局部采用30m、28m跨节段预制箱梁；跨路口采用大跨连续梁，共计11联，除特殊地段采用钢箱梁外其余均采用节段预制箱梁。上下匝道桥采用30m、35m跨节段预制箱梁，解放路立交采用钢箱梁和节段预制箱梁（见图2-2）。图2-1工程地理位置图Fig.2-1LocationMap11 第二章工程概况图2-2全线高架及上下匝道示意图Fig.2-2Schematicdiagramoftheelevatedoverheadandupperandlowerramps主线高架桥标准跨宽25m、变宽段宽25~46.5m；上下匝道桥宽8.5m。该工程共计上、下匝道桥8对，共计138跨。其中解放路路口有匝道桥6座、69跨。匝道桥在解放路跨路口采用钢箱梁，其余采用节段预制箱梁。主线与多处横向道路相交，主要节点有跨越铁路、轨道（1、2、3号线）、地下综合管、现状河流（玉带河）等。此外，需拆除现状洪都大桥南引桥最后一联箱梁，拆除跨解放路龙王庙立交桥。主线高架桥路口大跨连续梁分布一览表见表2-1。表2-1主线高架桥路口大跨连续梁分布一览表序号墩号跨越路段梁跨布置梁宽类型截面类型1Pm8~Pm11跨天翼路35+50+35标准宽度等截面2Pm31~Pm34规划中大路40+60+40标准宽度变截面轨道3号线3Pm36~Pm3944.5+70+44.5末跨变宽钢箱梁（青山路西站）阳明路4Pm52~Pm5540+60+40标准宽度变截面（青山湖隧道）5Pm62~Pm65南京路40+65+40变宽度钢箱梁北京路（轨道1号线区6Pm95~Pm9840+60+40加宽等宽变截面间隧道）7Pm113~Pm116规划西安路35+50+35变宽度钢箱梁洛阳路-顺外路、轨道28Pm128~Pm13140+60+40标准宽度变截面号线（顺外路站）9Pm157~Pm160解放路40+60+40标准宽度变截面10Pm182~Pm185墅溪路35+50+35变宽度钢箱梁11Pm201~Pm204规划七路40+60+40标准宽度变截面根据最终勘探地质报告，在满足条件的情况下，尽可能使用旋挖钻机钻孔桩施工，泥浆循环系统考虑使用移动式钢结构储存系统，具体数量必须按照地质条件确定的施工进度进行配置。承台采用明挖施工，根据承台尺寸、埋深厚度及地质条件，采用型钢或钢板桩支护开挖，以尽量减少开挖占地面积。主线桥墩柱采用整体无拉杆钢模现浇施工，匝道桥墩柱采用预制、安装施工。承台、墩身钢筋均按“工厂化、装配化”要求组织施12 第二章工程概况工，即在工厂将承台、墩身钢筋整体绑扎或部分整体绑扎成型后现场整体吊装，尽量将现场作业转化为工厂作业，缩短现场施工时间。本工程主线桥及匝道、立交上部结构主要施工方案如下表2-2所示。表2-2上部结构主要施工方法一览表序号结构型式墩顶节段施工其余节段施工标准跨度大箱工厂分节段预制，现场采用上承少支架现浇梁式架桥机逐孔悬挂拼装工厂分节段预制，边跨直线段在1主线高架跨路口大箱梁少支架现浇现场搭设少支架结构形式，采用地面吊机拼装；T构节段采用桥面步履式架梁吊机对称悬拼跨路口钢箱梁在钢结构厂分节制作，现场搭设少支架采用地面吊机安装工厂预制，现场标准跨度大箱工厂分节段预制，现场采用“钢2上下匝道采用地面吊机拼梁管桩+贝雷梁”少支架施工装工厂分节段预制，现场搭设“钢标准跨大箱梁少支架现浇管桩+贝雷梁”少支架，采用地面解放路立3吊机安装交在钢结构厂分节制作，现场搭设临时墩，采用地面吊大跨钢箱梁机安装箱梁节段预制选用短线匹配法（见图2-3），以单孔（边跨或中跨）的所有梁段为一个预制循环单元。为提高模板的效率和周转速度，单孔共两个循环子单元，从跨中预制时以跨中节段为起点，分别向桥跨的两端进行，至单孔两端的湿接缝（边跨为边墩伸缩缝）结束。图2-3节段箱梁预制示意图Fig.2-3Schematicofprefabricatedboxgirder2.2南昌轨道交通3号线青山湖西站简介在建洪都高架与在建轨道交通3号线青山湖西车站相交（见图2-4），该站位于青山湖西岸，斜跨洪都北大道。车站沿东西向埋设，其中车站西侧端头井位于现东风车行内，13 第二章工程概况东侧端头井位于相思林公园内。该站为全线的一个中间站，由于靠近青山湖，为保证该区段的盾构能够顺利通过青山湖，车站按地下三层考虑。（见图2-5、2-6）。图2-4轨道3号线青山湖西站平面图Fig.2-4PlanofQingshanLakeWestStationonTrack3图2-5轨道3号线青山湖西车站横断面图Fig.2-5CrossSectionofQingshanLakeWestStationonTrack314 第二章工程概况图2-6轨道3号线青山湖西车站航拍图Fig.2-6AerialPhotographofQingshanLakeWestStationonTrack32.3洪都高架与南昌轨道3号线相互位置关系洪都高架自北向南在主线37~38号墩（K2+499.5~K2+569.5）及匝道墩之间上跨南昌轨道3号线青山湖西车站（见图2-7），上跨桥梁采用（44.5+70+44.5）m变截面连续钢箱梁，洪都高架37号主线墩桩基距轨道3号线青山湖西车站一期出入口地连墙外缘最短距离为3.2m，其他38号主线墩相距车站一期地连墙5.5m，38号匝道墩相距车站一期17.6m。轨道3号线青山湖西站埋深为3m左右，车站按地下三层考虑。车站为岛式站台，站台宽度为13m，标准段宽度为21.9m，端头井宽度为25.6m，车站长度为145.5m，建筑结构按两柱三跨箱型结构考虑。车站设有3个出入口（其中一个为预留出入口）和2个风亭。基坑深度约25.49m。车站有效站台中心里程为DK43+410.569，车站起点里程为DK43+332.619，车站终点里程为DK43+478.119。此处采用（44.5+70+44.5）m变截面连续钢箱梁这种大跨度桥梁，结构施工难度不大、周期较短，造价较高，经济性一般。目前洪都高架38号主线墩桩基已施工完成；38号匝道墩在开挖桩基作业面，准备施打桩基；37号主线墩未开始施工。上跨南昌轨道3号线桥桥跨布置见图2-8。15 第二章工程概况图2-7轨道3号线青山湖西站与洪都高架位置相互位置关系图Fig.2-7PositionalrelationshipbetweenQingshanLakeWestStationandHongduElevatedRoadonTrack3图2-8洪都高架上跨南昌轨道3号线青山湖西站桥型布置图Fig.2-8BridgelayoutofQingshanLakeWestStationontheNo.3lineofNanchangtrackacrosstheHongduhighway轨道3号线青山湖西站分两期实施，一个阶段分为三个部分，目前一期主体结构顶板已施工完成，二期（西侧主体结构）正在进行施工。洪都高架PM37、PM38及下匝道墩计划开始施工桩基施工时，该站一期车站主体结构已经封顶，洪都高架PM37出入口待桩基施工后尚未实施。本工程实例存在的问题有：一、桩基施工及高架桥上部结构架设对已经封顶的一期主体结构的影响及注意事项，二、车站的二期工程（基坑围护结构施工、基坑开挖、主体结构施做，覆土回填等）对刚施工完成的高架桥的影响及施工中应该注意事项。针对这两个问题依托本施工实例开展以下研究：1、通过数值分析及风险评估手段，定性定16 第二章工程概况量分析高架桥桩基及上部结构架设对正在建设的车站一期的影响程度及规律，据此提出相应的风险控制措施；2、研究车站二期工程施工不同阶段对刚建好的高架桥的影响程度及规律，指出施工中应注意事项，为两者建设运营安全提供积极建议。2.4工程地质与水文地质条件洪都大道线路两侧道路地下管线较多，场地周边均有建筑物。桥区场地属于赣抚冲积平原区的二级阶地，第四系冲积层较厚。在场区最大勘探深度59米范围内，根据钻探资料、土工试验及原位测试成果，场地地层由第四系全新统杂填土（Q4ml）、淤泥（Q4l）、第四系上更新统冲积层（Q3al）以及早第三系新余群岩层（E1）。按其岩性及其工程特性，自上而下依次划分为杂填土、淤泥、粉质粘土、中砂、砾砂、泥质粉砂岩、钙质泥岩。覆盖层厚度19~26米，呈稍密~中密状，力学性能一般；基岩归属于第三系泥质粉砂岩、钙质泥岩（E1），属极软岩~软岩，岩石风化厚度大，完整程度一般。根据本次勘察揭露情况，现对场区内各土层的工程特性评价如下：①层杂填土：全线分布，灰褐、浅灰色，稍密，土质成分不均匀，承载力较小。①-1层淤泥：该层力学性质较差，压缩性高，当作为基槽坑壁土的自稳定能力差，作为基础持力层的软弱下卧层应注意其不利影响。②层粉质粘土：全场大部分有分布，可塑~硬塑状态，承载力一般，压缩性中等。③层中砂：全场大部分有分布，饱和，稍密状态，该层性质稳定，力学强度一般。④层砾砂：饱和，中密，具磨圆度，级配一般，该层力学强度较好。⑤层强风化泥质粉砂岩：紫红色，风化强烈，裂隙发育，岩芯破碎，呈块状，力学性质不稳定，厚度较薄。⑥层中风化泥质粉砂岩1：浅红、砖红色，泥质砂质结构，层状构造，节理发育，岩芯破碎，基岩属极软岩。⑥-1层中风化钙层泥岩1：青灰色，泥质结构，块状构造，裂隙发育，岩芯破碎~较破碎，芯呈短柱状、饼状，力学性质较稳定，以夹层或透镜体分布，无规律。⑦层中风化泥质粉砂岩2：暗红色，泥质砂质结构，层状构造，岩芯较完整，芯呈柱状，长柱状，力学性质稳定，承载力较高，该层可作为桩端持力层。⑦-1层中风化钙质泥岩2：青灰色，泥质结构，块状构造，裂隙发育，岩芯较破碎~较完整，芯呈短柱状、饼状，力学性质较稳定，以夹层或透镜体分布，无规律。根据区域水文地质条件及本次勘察查明，拟建场地地下水类型可分为上层滞水、松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水3种类型。场地为湿润直接临水，场地环境类型为Ⅱ类。17 第二章工程概况2.5本章小结本章详细介绍了洪都大道快速路改造工程概况、南昌轨道交通3号线及洪都高架与轨道3号线之间的相互位置关系和相互施工顺序，对工程地质及水文地质条件进行了归纳概括。18 第四章高架桥施工对在建地铁车站影响的有限元分析第三章高架桥桩基施工对在建地铁车站影响的有限元分析上一章将本工程包括洪都大道快速路改造工程、南昌轨道3号线青山湖西站的简介，并将二者的相互位置关系与本工程施工顺序进行了介绍。本章将于工程实际的基础上，通过ABAQUS模拟高架桥施工过程中对在建地铁车站的影响。3.1有限元理论本文运用ABAQUS有限元软件对开挖进行相关数值模拟并分析结果。有限元理论[62-63]起源于固体力学，然后发展到其他物理领域，如传热学、流体力学、电磁学等，近年来，计算机技术得到迅猛的发展。有限元理论也借助计算机技术的发展，不再仅限于固体力学的范畴内，而在近乎全部科学领域范围内都得到开发。有限元理论简单来讲就是将一个大的整体分割成多个小的单元体，再对单元体求解，最后重新组合进行整体分析。在有限元理论分析过程中，有限元解的精读与整体网格划分的精度与成正比，这样一种将整体模型划分为小单元的分析模式在很多领域内都有其巨大的实用性，在岩石和[65-67]土体工程界更是一个及其重要的研究分析方法。以下为使用有限单元法处理弹性力学问题的基本思路：（1）离散化：将一个连续弹性体离散成一定数量的有限小单元集合体；（2）单元分析：建立单元结点力和结点位移之间的关系，首先选取一个四节点的平面矩形，再取其上单元来分析。已知矩形单元位移函数：=+x+yxy，1234eTv=+x+yxy，单元结点位移函数：vuvvuv，5678iijjmmppT单元应变函数可用单元结点位移函数来表示，即几何关系式：xyxyeB（3-1）其中[B]为几何矩阵，可用分块矩阵表示为：BBiBjBmBp（3-2）子矩阵为：b(1)0ii1Bi0aii(1)(,,,)ijmp（3-3）2abab(1)(1)iiii上式子矩阵中2ab表示矩形的周长，无量纲坐标、表示局部坐标。在有限元法T线性分析中，应变与应力之间的关系符合虎克定律：xyxyeDDB（3-4）上式中[D]是线弹性矩阵，其大小只与部件的弹性模量E和泊松比有关，当部件19 第四章高架桥施工对在建地铁车站影响的有限元分析性质表现各向一样时，[D]表达为：10ED10（3-5）211002e根据虚功原理，由平衡条件得结构离散体中单元与单元之间的节点位移与节点eT上的力FXYXYXYXY的关系表达式为：iijjmmppeTTeeFBtdxdyBDBtdxdyK（3-6）根据上式，可以得出单元的刚度矩阵[K]为：TKBDBtdxdy（3-7）其中，t为单元厚度。（3）整体分析：根据结点力的平衡方程建立有限元方程、引入边界条件、解线性方程组以及计算单元应力。由式(4-6)可得到由节点位移表示的任意结点i的平衡方程：eni,j,mKRinni（3-8）上式：K——节点i在n节点上产生单位位移时所产生的节点力；inR——作用在节点i上的荷载。i根据式(3-8)可得整个结构的平衡方程为：KR（3-9）式中：[K]——结构的刚度矩阵；{δ}——节点位移；[R]——节点荷载。有限元分析法最主要的功能是用来解决工程中遇到的非线性难题。结构非线性有三种类型：结构材料引起的非线性、大变形引起的非线性、结构非线性边界条件引起的非线性。上述位移法仍适用于分析与几何关系和平衡条件有关的非线性问题，但是位移e表示的平衡部分是非线性关系，且[D]不再是个固定值，而是随着应力或应变的变化而变化，此时式(3-9)变为：KR（3-10）另外线性问题中的物理关系也不适用非线性分析，其公式为：f,0（3-11）上述所有方程均以矩阵形式表达，这种表达方式在计算机计算过程得以简化并且便于计算机编程。这将有限元方法和复杂的计算机技术完美地结合起来，为ABAQUS的20 第四章高架桥施工对在建地铁车站影响的有限元分析使用和普及提供了理论基础。3.2模型的建立（1）模型大小及网格划分考虑到现场实际情况的复杂性，本次模型拟采用三维建模来模拟高架桥施工对在建地铁车站的影响，为了消除有限元计算时边界条件对模型应力应变的影响，选取长*宽*高为350m*300m*80m的有限元模型，采用摩尔库伦模型，计算单元为C3D8R，土体四周约束其法相位移，底部约束其竖向位移，有限元模型如图所示：(a)整体模型图(a)Overallmodeldiagram（b）桥梁桩基与地铁车站位置关系图(b)Diagramofthelocationofbridgepilefoundationsandsubwaystations图3-1数值分析模型图Fig.3-1NumericalAnalysisModel21 第四章高架桥施工对在建地铁车站影响的有限元分析（a）整体模型图(a)Overallmodeldiagram（b）桥梁桩基与地铁车站位置关系图(b)Diagramofthelocationofbridgepilefoundationsandsubwaystations图3-2数值分析网格划分图Fig.3-2Numericalanalysisgriddivision（2）土层参数：根据地质勘察资料给出的物理力学参数建议值和部分报告规范中给出的地层参考建议值，同时结合现场钻孔勘查得到的地质钻孔图，充分考虑岩体物理力学参数与岩石的物理力学参数在数值计算中的差异，及施工扰动对地层软化效果，采用摩尔库伦模型土层参数计算公式，得出本报告土层计算参数，见表3-1：22 第四章高架桥施工对在建地铁车站影响的有限元分析表3-1土层物理力学参数（3）车站结构参数：依据南昌轨道3号线设计资料，得到南昌轨道交通3号线青山湖西站车站结构计算参数，见下表3-2。表3-2车站结构参数（4）高架桥下部结构参数：根据南昌洪都大道快速路改造高架段设计资料，同时对高架桥结构进行一定的简化，得到洪都高架改造高架桥结构计算参数，见下表3-3。表3-3高架桥下部结构参数（5）有限元计算分析步模拟计算分析步如下：1）地铁车站和土体一起进行初始地应力平衡；2）钻孔灌注桩和承台位置区域土体开挖施工；3）钻孔灌注桩施工；4）高架桥承台和桥墩施工；5）上部结构荷载施加。（6）工况划分为合理选择在建车站工程邻近高架桥施工时机，本次模拟将分为五个工况进行：车站基坑围护阶段高架桥施工、基坑刚开挖高架桥施工、基坑开挖至底部高架桥施工、主23 第四章高架桥施工对在建地铁车站影响的有限元分析体结构架设一半高架桥施工、主体结构封顶后高架桥施工。运用ABAQUS数值分析软件进行模型数值计算，并得出计算结果。本节挑选出其中两个具有代表性的工况进行分析。3.3高架桥桩基施工对在建地铁车站影响的结果分析如图3-3为地铁车站与高架桥桩基的位置关系平面图，为了研究方便，取3个不同的分析点作为研究对象，并就这几个分析点开展分析研究。图3-3桩基与车站位置示意图Fig.3-3LocationofPileFoundationandStation3.3.1基坑开挖至底部时高架桥施工模拟分析（a）总位移图图3-4为基坑开挖至底部时高架桥施工总位移云图图3-4总位移云图Fig.3-4Totaldisplacementcloud24 第四章高架桥施工对在建地铁车站影响的有限元分析（b）围护墙结构变形(a)围护墙结构变形（X方向）(a)Deformationoftheretainingwallstructure(Xdirection)(b)围护墙结构变形（Y方向）(b)Structuraldeformationoftheretainingwall(Ydirection)(c)围护墙结构变形（Z方向）(c)Deformationoftheretainingwallstructure(Zdirection)图3-5高架桥施工围护墙变形云图Fig.3-5Deformationcloudoftheconstructionoftheviaductconstructionenvelope25 第四章高架桥施工对在建地铁车站影响的有限元分析(a)点A处车站侧墙Y方向水平位移(a)HorizontaldisplacementintheYdirectionofthesidewallofthestationatpointA(b)点B处车站侧墙Y方向水平位移(b)HorizontaldisplacementofstationsidewallindirectionYinpointB26 第四章高架桥施工对在建地铁车站影响的有限元分析(c)点C处车站侧墙X方向水平位移(c)HorizontaldisplacementintheXdirectionofthesidewallofthestationatpointC(d)点D处车站侧墙X方向水平位移(d)HorizontaldisplacementintheXdirectionofthesidewallofthestationatpointD图3-6高架桥施工阶段车站侧墙位移曲线Fig.3-6Displacementcurveofsidewallofstationduringconstructionofviaduct27 第四章高架桥施工对在建地铁车站影响的有限元分析由图3-6可知，当地铁车站基坑开挖至底部时高架桥施工过程中对地铁车站围护墙的影响，会随着施工的进行使得车站变形在逐渐增大，且桩基离地铁车站越近变形量越大。车站侧墙离桩基距离越近，变形越大，X方向上最大变形量约为1.7mm，Y方向上的最大变形量约为4.1mm，均位于车站侧墙顶部。因此可见，高架桥施工过程中对车站的主要影响是侧墙顶部Y方向的位移，但小于车站结构控制标准值5mm，因此车站变形符合规范要求，但在施工过程中仍需要做好防护加固措施，减小车站变形量。（c）基坑底部沉降图3-7基底沉降Fig.3-7Substratesettlement图3-8各阶段基底沉降曲线Fig.3-8basementsubsidencecurveateachstage由上图可知，高架桥施工过程中会引起车站基底沉降，并且越靠近桩基施工位置沉降量越大。主要原因是桩基施工对车站基坑土体底部造成一定的扰动，由图3-8可知，车站结构基底的最大沉降量约为1.2mm，上部结构荷载施加也会对车站底板产出影响，但影响不大，不会引起车站结构底板发生破坏。28 第四章高架桥施工对在建地铁车站影响的有限元分析3.3.2车站主体结构封顶后高架桥施工模拟分析（a）总位移图图3-9为车站主体结构封顶后高架桥施工总位移云图。图3-9总位移云图Fig.3-9totaldisplacementcloudmap（b）车站结构变形整个高架桥结构施工过程中，引起车站结构发生最大变形的阶段是高架桥上部结构荷载施加阶段，图3-10为桩基和承台土体在开挖阶段车站的变形云图。(a)车站结构变形（X方向）(a)structuraldeformationofstation(Xdirection)(b)车站结构变形（Y方向）(b)structuraldeformationofstation(Ydirection)29 第四章高架桥施工对在建地铁车站影响的有限元分析(c)车站结构变形（Z方向）(c)structuraldeformationofstation(Zdirection)图3-10高架桥施工车站变形云图Fig.3-10deformedcloudchartfortheconstructionstationofviaduct(a)点A处车站侧墙Y方向水平位移(a)horizontaldisplacementofstationsidewallinYdirectionatpointA30 第四章高架桥施工对在建地铁车站影响的有限元分析(b)点B处车站侧墙Y方向水平位移(b)horizontaldisplacementofstationsidewallinYdirectionatpointB(c)点C处车站侧墙X方向水平位移(c)horizontaldisplacementofstationsidewallinXdirectionatpointC31 第四章高架桥施工对在建地铁车站影响的有限元分析(d)点D处车站侧墙X方向水平位移(d)horizontaldisplacementofstationsidewallinXdirectionatpointD图3-11高架桥施工阶段车站侧墙位移曲线Fig.3-11displacementcurveofsidewallofstationintheconstructionstageofviaduct由图3-9和图3-11可知，高架桥施工过程中对既有地铁车站结构的影响，在施工阶段下引起的车站变形在逐渐增大，且桩基离地铁车站越近变形量越大。X方向上最大变形量约为0.8mm，Y方向上的最大变形量约为3.3mm，均位于车站侧墙顶部。因此可见，桩基土体开挖过程中对车站的主要影响是侧墙顶部Y方向的位移，小于车站结构控制标准值5mm，因此车站变形符合规范要求，但在施工过程中仍需要做好防护加固措施，减小车站变形量。（c）顶板结构变形图3-12车站顶板沉降Fig.3-12settlementofstationroof32 第四章高架桥施工对在建地铁车站影响的有限元分析图3-13各阶段车站底板位置沉降曲线Fig.3-13Stationfloorplatesettlementcurveateachstage由上图可知，高架桥施工过程中会引起车站结构底板沉降，并且越靠近桩基施工位置沉降量越大。主要原因是桩基施工对车站结构造成一定的扰动引起底板位置土体下层，由图3-13可知，车站结构底板的最大沉降量约为0.94mm，上部结构荷载施加也会对车站底板产出影响，但影响不大，不会引起车站结构底板发生破坏。3.4现场监测方案3.4.1监测目的为了避免干扰地铁结构和周边土体，在桩基施工过程中，通过对地铁结构的监测，及时了解实际变形和趋势，分析判断桩基施工对地铁产生的影响，指导桩基施工。同时为动态设计、信息化施工提供及时的反馈信息。通过数据分析，掌握盾构及车站主体结构稳定性的变化情况，并根据监测数据随时调整施工程序，并采取必要的工程应急措施来确保地铁隧道及车站的安全。33 第四章高架桥施工对在建地铁车站影响的有限元分析图3-14监测工作流程示意图Fig.3-14schematicdiagramofmonitoringworkflow3.4.2监测项目根据桩基施工设计要求，结合相关规范要求，确定本工程监测工作内容为：跨越地铁3号线桩基施工期间对在建站点围护结构进行安全监测，监测项目含站点基坑围护结构水平位移、深层水平位移监测等。（1）围护结构顶部水平位移监测监测点布置：按照规范要求进行点位布设，每20-30米布设一个监测点，具体监测点的布设应按照设计图纸的要求进行。监测方法：采用全站仪及配套棱镜对围护结构水平位移进行。本工程中采用极坐标法，极坐标法用于直接测量变形点到站点的距离以及作用点方向与某一参考方向之间的角度，直接计算变形点坐标，监控点的位移反映在坐标变化量中。当前位移值与监测点前一次位移值的差值为该点当前的位移变化量，该位移值与初始位移值的差值即为该点的累计位移量。（2）深层水平位移监测监测点在距基坑周边2米左右间距每20～40米布设一个测点，具体的监测点位布34 第四章高架桥施工对在建地铁车站影响的有限元分析设按照给出的设计图纸确定。用钻机在围护结构外侧钻100～120mm的孔，孔深度与围护结构深度相同。钻孔过程中采用泥浆护壁，成孔后将测斜管放入孔中，边放边向管中注水，以免浮力过大；测斜管放入孔底部后，管周灌注细砂，填筑密实，使管周与土体紧密接触。监测方法：测斜管应在开挖前的3～5天内测试2～3次。在判断测斜管稳定后，将平均值作为初始值，开始正式的测试工作。将探头导轮对准与所测位移方向一致的槽口，缓缓放至管底。探头停留在管底几分钟，等到探头和管内的温度基本相同，读数稳定后，监测仪将开始监测。按探头电缆上的刻度分划，均速提升。每500毫米读一遍数并记录下来。将探头提升到管口后，将其旋转180°，然后再按上述方法测量重新。将两次测量结果取平均值，以消除测斜仪自身的误差。将各测段测得的水平位移沿深度连接，形成测斜管的形状曲线。nj0计算公式：XX=0+（n-n)X0l(sinijsini0)（3-12）0式中：l—上、下导轮间距；—探头敏感轴与重力轴夹角；—测点n相对于起始点的水平偏差量（mm）；nX—为测斜管管口水平位移量（mm）0图3-15测点布置图Figure3-15mappingpointlayout3.4.3监测成果分析（1）基坑围护结构顶部水平位移分析35 第四章高架桥施工对在建地铁车站影响的有限元分析在青山湖西站基坑中，基坑周边即地连墙顶部共设了墙顶水平位移21个观测点，其具体布置位置见监测图所示。在本节中从21个监测点中选取了关键部位点#4进行监测数据水平位移做处理。针对#4点在桩基施工过程中，随着基坑开挖深度，其水平位移变化规律如图所示：图3-16#4点水平位移曲线Fig.3-16#4pointhorizontaldisplacementcurve从图3-16#4点水平位移曲线可以看出，桩基开挖过程中车站地连墙的最大水平位移与基坑的深度以及施工进展时间有关。承台开挖时，地连墙的水平位移最小，约为0.62mm，而随着桩基开挖的进行，地连墙的水平位移也在随之增大，在上部荷载施加时达到最大值，约为3.42mm。（2）基坑深层水平位移分析针对高架桥施工对在建车站地连墙的影响，选取监测点#1点至#10点在桩基施工过程中的不同监测数据，即随着车站深度，其位移变化规律见下图所示：36 第四章高架桥施工对在建地铁车站影响的有限元分析图3-17基坑深层水平位移Fig.3-17deephorizontaldisplacementoffoundationpit从图3-17基坑深层水平位移曲线可以看出，桩基开挖过程中车站随深度变化产生不同的水平位移与车站的深度以及施工进展有关。承台开挖时，车站的水平位移最小，约为0.52mm，而随着桩基开挖的进行，车站的水平位移也在随之增大，在上部荷载施加时达到最大值，约为0.96mm。3.5计算结果与监测数据对比分析通过对使用ABAQUS有限元软件对桩基施工模拟获得的数据与现场获得的监测数据进行对比分析，主要包括基坑围护结构的水平位移及基坑深层水平位移，从中我们可以总结获取一些规律与结论。通过使用ABAQUS有限元软件对基坑开挖模拟获得的数值计算结果与施工现场监测点获得的结果进行对比分析，不难发现，二者无论是在基坑围护结构还是在基坑深层位移两方面，其变形的规律与趋势都相近。这点充分证明了使用ABAQUS有限元软件进行基坑开挖模拟的可靠性，这对我们今后再进一步研究基坑具有一定的指导意义。虽然模拟结果与监测数据仍有一些的差异，这可能与模拟时对土层参数、构筑物结构与土层本构模型简化，周围环境与施工条件的复杂性等有关。37 第四章高架桥施工对在建地铁车站影响的有限元分析3.6风险分析与评估3.6.1风险分析根据数值计算，按照目前施工图设计文件（高架主跨跨径70）进行高架上跨轨道3号线青山湖西站工程施工风险识别与分析，主要有以下几类风险源：（1）地质勘查准确度风险。根据项目邻近地质钻孔资料的地质调查报告显示本工程附近区域地层条件单一，地基承载力较高，适合作为桩基持力层。但实际进行钻孔灌注桩施工时，存在可能遭遇地下障碍物、孤石等影响钻孔作业顺利进行的地质风险。（2）既有设计参数不合理的风险。桥梁桩基钻孔桩桩径、桩深、高架桥上部结构主跨跨径、轨道3号线青山湖西站埋深等确定的设计参数设置不合理，可能会加剧高架桥上跨轨道3号线青山湖西站施工时的施工风险。（3）桥梁桩基施工对轨道3号线青山湖西站工程结构受力与变形的风险。从上述分析可知，桥梁桩基开挖与施作引起车站侧墙垂直车站长轴向外变形、侧墙底部沿车站发生变形、顶板沉降，其中最大变形是车站侧墙向外变形，最大变形量可达4.1mm。在相关法律、法规、规范，结合各种资料收集、调研的基础上，对上述风险进行分析，建立了洪都高架施工及运营对轨道3号线车站的安全风险清单见表3-4所示。表3-4洪都高架施工及运营对在建轨道3号线青山湖西站的安全风险清单表综上所述，高架上跨轨道3号线青山湖西站工程施工风险事件主要有：地下车站变形及附加内力过大、结构上浮、地下管线破坏、架梁期间危及车站正常运营、汽车震动对车站正常运营及人群恐慌等，其中最主要风险事件是地下车站变形及附加内力过大的风险。38 第四章高架桥施工对在建地铁车站影响的有限元分析3.6.2风险评估方法根据风险发生概率和风险损失的估测值，本文通过查表并参照风险评价矩阵法确定风险等级。具体确定方法是：1）风险值＝风险发生概率×风险损失。“×”表示风险概率和风险损失级别的组合。2）由风险概率和风险损失的级别，查表确定风险等级，得到风险水平及与其相对应的要求。桥梁工程设计安全风险等级分为I级（低度风险）、II级（中度风险）、III级（高度风险）、IV级（级高风险）。相应安全风险等级要求如表3-5所示。表3-5风险等级接受准则根据安全风险发生概率等级和损失等级，按表3-6确定风险等级。表3-6风险等级表3.6.3风险评估按照《公路桥梁与隧道工程设计安全风险评估指南》（试行），根据洪都高架施工图设计文件、地质勘查报告及轨道3号线节点相关设计资料，综合上文的数值计算结果，采用专家调查法进行风险评估，依据专家经验及调查资料，对洪都高架上跨轨道3号线车站施工进行风险评估，认为洪都高架上跨轨道3号线青山湖西站风险等级为Ⅲ级，其39 第四章高架桥施工对在建地铁车站影响的有限元分析成果分别见下表3-7。表3-7洪都高架上跨在建轨道3号线青山湖西站施工安全初始风险等级表3.7本章小结（1）高架桥桩基施工会对地铁车站附近的土体进行扰动，进而引起地铁车站结构发生不同程度的变形，但变形量较小，均在安全范围内。（2）在建车站施工过程中，邻近高架桥施工对在建车站的影响各不相同，但整体趋势都相近。当在建车站下部土体开挖至底部时，高架桥施工对车站的影响远大于车站主体结构完成后进行高架桥施工。通过进行风险评估，为了工程安全性考虑，应尽可能选择在车站主体结构封顶后进行高架桥的施工，以确保工程的安全与顺利进行（3）通过与现场监测数据进行比较，数值模拟结果虽与监测结果有一些差异，但是整体趋势与变形的规律都相近，充分证明了使用ABAQUS有限元软件进行工程模拟的可靠性，并为后续二期工程进行数值模拟的可信度提供较为有力的证明。40 第五章地铁车站施工对既有高架桥桩基影响的有限元分析第四章地铁车站施工对既有高架桥桩基影响的有限元分析本章以实际车站施工为例，利用ABAQUS有限元软件进行三维模拟分析，根据该基坑工程实际支护形式和周边荷载条件建立有限元模型，对围护结构的水平竖向位移、地表沉降、邻近桩基水平位移等方面进行数值分析，再将各开挖步骤的支护结构变形、地表沉降、桩基位移进行分析。4.1地铁车站基坑开挖数值模型的建立4.1.1模型建立的基本假定及模型参数（1）土体参数本次模拟土体采用的是Mohr-Coulomb本构模型，根据工程地质勘察报告所给出的土体物理力学性质参数，将所需要的土体参数整理如表4-1所示。从上至下分别为杂填土、粉质黏土、砾砂、圆砾和泥质粉砂岩。为考虑接触面特性，在桩土界面中设置桩土接触面，桩土接触面摩擦系数取为0.3。为简化计算，桩身混凝土采用线弹性材料进行模拟。表4-1土层物理力学参数（2）支护结构参数在本次工程中，地铁车站基坑开挖采用的围护结构是地下连续墙加内支撑形式，除第一道支撑为混凝土支撑，第二、三、四支撑为刚支撑。模型中一些常见参数见下表。表4-2支护结构材料参数表（3）高架桥下部结构参数根据南昌洪都大道设计资料，对高架桥结构进行简化，得到洪都高架改造高架桥结构计算参数，见下表4-3。41 第五章地铁车站施工对既有高架桥桩基影响的有限元分析表4-3高架桥下部结构参数（4）假设土体是一个均匀的各向同性弹塑性体，土体被认为在施工之前已经完成固结沉降；（5）本文为了简化计算模型，省略基坑开挖前的基坑降水处理部分。（6）假定桩与桩周土、地下连续墙与土体之间始终处于接触状态，不发生相对滑移。4.1.2基于有限元软件ABAQUS的地铁车站基坑开挖模型本次模拟基坑开挖深度为25m，为分析地铁车站基坑开挖对既有的高架桥桩基的影响，选用长*宽*高为350m*300m*80m的有限元模型。为了保证计算的精确性，因此只对我们关心的部分网格密集化，对不关心的部分网格进行疏化。本次土体计算模型为摩尔库伦模型，计算单位为C3D8R，土体四周约束其法向位移，底部约束其竖向位移；桥梁桩基和桥墩均采用三维实体单元建模，PM36号桥墩桩基桩长37.5m，桩径1.6m；PM37号桥墩桩基桩长40m，桩径1.6m；PM38号桥墩桩基桩长39m，桩径39m；PM39号桥墩桩基桩长36m，桩长1.6m，承台及桩基共计含有38623个C3D8R计算单元；地下连续墙深31m,其中嵌入深度6m，承台及桩基共计含有38623个C3D8R计算单元，本构模型选用弹性模型；混凝土支撑和刚支撑均采用三维线单元，共含1236个计算单元。计算模型图见下。图4-1青山湖西站计算模型图Fig.4-1thecalculationmodeloftheweststationofQingshanLake42 第五章地铁车站施工对既有高架桥桩基影响的有限元分析图4-2青山湖西站基坑支护图Fig.4-2foundationpitsupportmapofQingshanLakeWestStation图4-3青山湖西站基坑与桩基的位置关系图Fig.4-3positionrelationdiagramoffoundationpitandpilefoundationinQingshanLakeStation图4-4基坑与桩基位置关系平面图Fig.4-4planediagramoftherelationshipbetweenfoundationpitandpilefoundation43 第五章地铁车站施工对既有高架桥桩基影响的有限元分析其中：L1：37号承台边缘至基坑边缘距离；L2：38号承台桥墩2边缘至基坑边缘距离；Ⅰ期：基坑开挖第一阶段；Ⅱ期：基坑开挖第二阶段。PM38桥墩2桩基有限元模型PM37桥墩桩基有限元模型FiniteElementModelof2PileFoundationsofPM38BridgePierFiniteElementModelofPM37BridgePierFoundation图4-5桥墩承台桩基有限元模型Fig.4-5FiniteElementModelofPileFoundationofBridgePiers4.1.3开挖工况模型由于地铁车站基坑开挖对围护结构和土体变形有很大的影响，本地铁车站基坑开挖模型按照实际工程开挖的过程来进行施工模拟，为了确保地铁车站深基坑开挖模拟的正确性，将基坑开挖分以下几个工况模拟：（1）将土体与桩基一起地应力平衡，并设置边界条件和自重；（2）对地下连续墙进行激活；（3）对基坑添加施工荷载，以及桩基自重所形成对地面的超载；（4）对基坑进行第一次土层开挖，开挖深度为3m，并在距离基坑顶部2.2m的位置施加第一道混凝土支撑并加上预应力；（5）在开挖第一层土的基础上进行第二层土体开挖，开挖深度5.6m，并在距离基坑顶部7.8m的位置施加第二道刚支撑并加上预应力；（6）在开挖第二层土的基础上进行第三层土体开挖，开挖深度5.3m，并在距离基44 第五章地铁车站施工对既有高架桥桩基影响的有限元分析坑顶部13.1m的位置施加第三道刚支撑并施加预应力；（7）在开挖第三层土体的基础上进行第四层土体开挖，开挖深度5.8m，并在距离基坑顶部18.9m的位置施加第四道刚支撑并加预应力；（8）在开挖第四层土体的基础上进行第五层土体开挖，开挖深度5.3m。本文主要为了分析地铁车站基坑开挖过程对既有高架桥桩基的影响，因此将上述4~8分为5个工况，即工况1、工况2、工况3、工况4、工况5，分别如下图所示：(a)工况1（b）工况2(a)Condition1(b)Condition2（c）工况3（d）工况4(c)Condition3(d)Condition445 第五章地铁车站施工对既有高架桥桩基影响的有限元分析(e)工况5(e)Condition5图4-6施工工况Fig.4-6ConstructionCondition4.2计算结果及分析4.2.1地下连续墙水平位移分析图4-7和4-8为地下连续墙x方向和y方向水平位移整体变形云图。从云图中可以得知，从工况1到工况2，地下连续墙顶部和底部的变形无论在x方向还是y方向都较小。由于在地下连续墙顶部第一道支撑采用的是混凝土支撑，抗压强度相比于钢管支撑大得多，故变形较小。而在地下连续墙底部变形较小则是因为连续墙底部嵌入土体中的缘故。但在靠近桩基位置处，地下连续墙顶部和底部变形相对其它位置都较大；在不同的工况下，y方向上的变形总要大于x方向上的变形，即长边变形大于短边变形。随着基坑的开挖，也就是随着工况的进行，无论是在地连墙x方向还是y方向，地下连续墙的水平位移逐渐增大，最大在基坑深度约16m的位置，靠近PM37号桥墩桩基附近位移达到最大位移值10.13mm，可能是由于基坑内外土压力差较大及附加PM37号桥墩桩基的影响。图4-7地下连续墙X方向水平位移云图Fig4-7HorizontalDisplacementCloudDiagramofDiaphragmWall46 第五章地铁车站施工对既有高架桥桩基影响的有限元分析图4-8地下连续墙Y方向水平位移云图Fig.4-8HorizontalDisplacementCloudDiagramofDiaphragmWallY为了研究方便，本文选取K、O点（见图4-5）为研究对象，分析在不同工况下地下连续墙x方向和y方向的水平位移并绘制水平位移变化曲线，分别见图4-9、4-10。由图可知，当基坑开挖第一层土体时，y方向的位移明显比x方向大。而随着工况的进行，地下连续墙逐渐向基坑内侧“凸出”，呈现“两头小中间大”的现象，可能是由于基坑内土体卸载导致地下连续墙内外土压力差增加，使地连墙坑内外的水平位移逐渐增大；地下连续墙墙顶位移由于第一道混凝土支撑所受预应力的作用略向基坑外移动，在地下连续墙底部则由于基坑开挖卸载的原因，使得墙底略向基坑内移动。K、O点在不同工况下的水平位移见表4-5。图4-9HF段K点y方向水平位移Fig.4-9HorizontaldisplacementofpointyinHFsection47 第五章地铁车站施工对既有高架桥桩基影响的有限元分析图4-10AB段O点x方向水平位移Fig.4-10HorizontaldisplacementofpointOintheABsection4.2.2基坑周边地表沉降分析地铁基坑开挖过程中，由于土体卸荷作用，必然会扰动周围土层从而引起基坑周边地表沉降，而在地铁基坑施工一期工程，即地铁基坑开挖I区(见图4-6)附近存在在建高架桥桩基施工。为分析基坑开挖对高架桥桩基产生的影响，从而得出在基坑施工过程中对高架桥桩基影响最小的阶段，进而指导工程实践。本小节选取两条路径为研究对象，分别为路径L1和L2（见图4-4），其中L1距离基坑边缘约13m，L2距离基坑边缘约22.5m。图4-11、4-12分别为在不同工况下路径L1和L2的地表沉降曲线。图4-11不同工况下路径L1地表沉降曲线Fig.4-11GroundSettlementCurveofPathL1underDifferentWorkingConditions48 第五章地铁车站施工对既有高架桥桩基影响的有限元分析图4-12不同工况下路径L2地表沉降曲线Fig.4-12GroundSettlementCurveofPathL2underDifferentWorkingConditions从图4-11、4-12可以看出，随着基坑的开挖，基坑周围地表逐渐下沉，在距基坑边缘处土体沉降速率较大，路径L1最大沉降值在距基坑边缘约4.5m的位置，路径L2最大沉降值在距基坑边缘约7m位置，并呈现出“凹槽型”，并且路径L1的沉降要大于路径L2的沉降，其最大沉降分别为6.23mm和5.89mm。原因可能是由于路径L1桩基离基坑边缘距离较近，而路径L2桩基距基坑边缘较远。在5m之后沉降速率逐渐变小，路径L1的沉降值还未达到稳定趋势，而路径L2的沉降基本趋于稳定。4.2.3坑底土体隆起分析基坑在开挖过程中，上部土体在开挖卸载过程中产生的应力释放和基坑周边土体对围护结构挤压会使基坑底部土体产生向上的隆起变形，因此对基坑底部隆起分析也是非常必要的。图4-13为基坑底部z方向位移云图，为了进一步分析基坑在施工过程中坑底位移情况，在此基础上选择基坑断面最危险位置，即选择靠近基坑最近处桩基PM37横断面的坑底隆起情况进行研究分析，PM37在不同工况条件下，坑底土体的隆起曲线见图4-14所示：图4-13基坑底部z方向位移云图Fig.4-13Z-directiondisplacementcloudatthebottomofthefoundationpit49 第五章地铁车站施工对既有高架桥桩基影响的有限元分析图4-14坑底土体在不同工况下的隆起曲线Fig.4-14Curveofupliftinsoilunderdifferentconditions从图4-14可以看出，随着基坑的开挖，坑底隆起位移逐渐增大，曲线呈现出“中间大两头小”的形式，也就是在基坑横向中部位置隆起位移最大，在开挖工况5时隆起位移达到最大约为0.06m，而基坑边缘位置隆起值要小的多；在开挖工况4时隆起位移达到最大约为0.038m，而基坑边缘位置隆起值要小的多；在开挖工况3时隆起位移达到最大约为0.03m，而基坑边缘位置隆起值要小的多；在开挖工况2时隆起位移达到最大约为0.02m，而基坑边缘位置隆起值要小的多；在开挖工况1时隆起位移达到最大约为0.009m，而基坑边缘位置隆起值要小的多。主要原因是与基坑开挖过程中地下连续墙对坑底土体的约束作用有关，地下连续墙的刚度较大，而土体的弹性模量相对小得多。4.2.4高架桥桥墩桩基水平位移分析为研究基坑开挖对桩基的影响与二者相互距离的关系，我们选取PM37号桩基和PM38号桩基作为研究对象，分析基坑开挖对桩基施工的影响。（1）PM37号桥墩基桩水平位移分析PM37号桥墩基础由6根灌注桩组成，直径均为1.6m，长度均为40m。该桥墩距离基坑边缘最短距离为12.6m，基坑开挖完成后，即工况5完成后，PM37号桥墩桩基整体水平位移云图如图4-15所示，图4-16为PM37号桥墩桩基整体水平变形矢量云图（为更清晰地观察变形趋势，此处将云图变形系数放大100倍）。由图4-15与图4-16可知，由于基坑开挖对附近土体发生扰动，破坏土体原始的应力，从而对桩基产生附近应力和附加变形。但由于有围护墙的作用并且基坑开挖的面积不大，因此桩基产生附加变形较小。为了研究方便，我们提取了PM37号桥墩前排1、2号桩和后排1、2号桩，分析在基坑开挖工程中，它们水平位移变化。50 第五章地铁车站施工对既有高架桥桩基影响的有限元分析图4-15PM37号桥墩桩基整体水平位移云图Fig.4-15OverallhorizontaldisplacementcloudofPierNo.PM37图4-16PM37号桥墩桩基整体水平变形矢量图Fig.4-16OverallhorizontaldeformationofpierfoundationofPM37bridge图4-16和4-17为PM37桥墩前排1号桩和2号桩在不同工况下水平位移变化曲线（以桩与承台接触位置为原点），由图可知，随着基坑的开挖，桩身水平位移逐渐增大，在工况5完成后达到最大值3.01mm和2.89mm，且均位于离承台约9m处的位置，由于承台底部距离地表深度为6m，折算成桩基距地表的深度约为15m，与基坑地下连续墙最大水平位移的位置大致相对应。1号桩的水平位移较2号桩略大，分析原因可能是1号桩距离基坑边缘的位置较2号桩更近；桩体水平位移在距离桩顶约19m和35m发生突变，第一次突变位置折算成距离地表位置约为25m（承台距离地表深度为6m），根据土层物理力学参数杂填土为3m，粉质黏土22m，砾砂6m，所以原因可能是该位置处在杂填土和粉质黏土分界位置，上下土体的弹性模量不一致。第二次突变原因可能是基坑开挖对35m以下深度的桩基基本无影响。51 第五章地铁车站施工对既有高架桥桩基影响的有限元分析图4-17PM37号桥墩前排1号桩在不同工况下水平位移变形曲线Fig.4-17HorizontalDisplacementDeformationCurveofNo.1PileintheFrontRowofPM37Pier图4-18PM37号桥墩前排2号桩在不同工况下水平位移变形曲线Fig.4-18HorizontalDisplacementDeformationCurveofNo.2PileintheFrontRowofPM37Pier图4-19和4-20为PM37号桥墩后排1号桩和2号桩在不同工况下水平位移变形曲线。由图可知，1号桩和2号桩的水平位移随着基坑的开挖逐渐增大，且在距离桥墩承台位置约6.5m处达到最大，最大值分别为2.89mm和2.78mm。曲线在距离桥墩承台位置16m和35m处发生突变，刚好为上下两层土体参数发生分界处。且前排1号桩与后排1号桩的水平位移也不同，前排1号桩的水平位移大于后排1号桩的水平位移，该现象是由于桩与基坑边缘的距离所致。52 第五章地铁车站施工对既有高架桥桩基影响的有限元分析图4-19PM37号桥墩后排1号桩在不同工况下水平位移变形曲线Fig.4-19HorizontalDisplacementDeformationCurveofNo.1PileattheBackofPM37Pier图4-20PM37号桥墩后排2号桩在不同工况下水平位移变形曲线Fig.4-20HorizontalDisplacementDeformationCurveofNo.2PileattheBackofPM37Pier（1）PM38号桥墩桩基水平位移分析PM38号桩桥墩基础分别由4根桩径为1.8m、桩长39m的1号桥墩和4根桩径1.2m、桩长为41m的2号桥墩组成。为了研究方便，我们选取2号桥墩作为分析对象。图4-21和图4-22分别为它的整体水平位移云图和整体水平变形矢量图（放大系数100）。由图4-21和4-22可知，由于基坑开挖对附近土体发生扰动，破坏土体原始的应力，从而对桩基产生附近应力和附加变形。但由于有围护墙的作用并且基坑开挖的面积不大，因此桩基产生附加变形较小。为此我们选取前排1号桩和后排1号桩为研究对象，分析53 第五章地铁车站施工对既有高架桥桩基影响的有限元分析在不同工况下基坑开挖对桩基的影响。图4-21PM38号桥墩桩基整体水平位移云图Fig.4-21OverallhorizontaldisplacementcloudofPM38bridgepier图4-22PM38号桥墩桩基整体水平变形矢量图Fig.4-22OverallhorizontaldeformationofthefoundationpileofPM38bridge图4-22和图4-23分别为基坑开挖过程不同工况下PM38号桥墩桩基的水平位移，由图可知，随着基坑的开挖，桩的水平位移逐渐增大，在工况5完成后达到最大值2.06mm和1.58mm，均处在距离桩基承台约8m的位置。1号桩比2号桩的水平位移大，分析原因可能是1号桩距离基坑边缘的位置较2号桩更近；并且桩体水平位移在距离桩顶19m和35m发生突变，分析原因是该位置在土层分界处，上下土体的弹性模量不一致。通过比较PM37号桥墩和PM38号桥墩可知，PM38号桥墩桩基的水平位移明显小于PM37号桥墩，它们的水平位移最大值分别为2.06mm和3.01mm，分析原因是与基坑边缘的距离有关。54 第五章地铁车站施工对既有高架桥桩基影响的有限元分析图4-23PM38号桥墩前排1号桩不同工况下的水平位移Fig.4-23HorizontaldisplacementofNo.1pileinfrontofPM38pier图4-24PM38号桥墩后排1号桩的水平位移Fig.4-24HorizontaldisplacementofNo.1pileintherearofPM38pier通过分析基坑开挖在不同工况下对桥墩PM37和PM38的水平位移随深度变化规律可知，影响桥墩桩基变形最大在工况5，且最大变形值为3.01mm；影响桥墩桩基变形最小在工况1。4.3本章小结（1）基坑开挖过程中，地连墙产生的水平位移均较小，且长边变形往往大于短边变形。随着工况的进行，地下连续墙逐渐向基坑内侧“凸出”，呈现“两头小中间大”55 第五章地铁车站施工对既有高架桥桩基影响的有限元分析的现象。（2）基坑开挖过程中，基坑周边地表沉降随着基坑边缘位置的距离增大增加，越靠近基坑边缘，产生的沉降值越大。（3）基坑开挖会对坑底土体受力和变形会产生一定影响，影响程度主要与开挖阶段及基坑宽度有关。桩基开挖时，由于卸载引起土体应力释放，使得桩基施工区域出现隆起现象，呈抛物线分布，上拱值最大约为6cm。整个基坑施工过程对坑底土体的变形影响都较小，基坑始终处于稳定状态。（4）基坑开挖过程中，高架桥桥墩桩基产生的最大水平位移为3.01mm，且离基坑边缘越近，桩基发生的水平位移越大。56 第六章结论与展望第五章结论与展望5.1结论本文以南昌洪都大道快速路改造工程为背景，结合具体工程实例，并采取现场监测分析与数值模拟分析相结合的方法，此外，我们将数值模拟结果与现场监测结果进行比较。所做主要工作及得出的结论如下：1、简单叙述了国内外学者针对深基坑开挖对既有桩基的影响及桩基施工对既有地下工程的影响所做的一些研究与成果；2、对南昌洪都大道快速路改造工程与南昌轨道交通3号线青山湖西站进行了简单介绍，并对其工程水文地质条件进行了阐述；3、使用有限元模拟软件ABAQUS对南昌洪都高架桥与南昌轨道3号线青山湖西站平行施工进行了数值模拟，并将其计算结果与现场监测结果二者进行对比，变形趋势及规律基本吻合，充分证明了ABAQUS有限元软件在高架桥施工过程进行数值模拟这一方法是可行和合理的；在建地铁车站不同施工阶段进行高架桥施工会使在建车站产生不同程度的变形，当地铁车站基坑开挖至最底部时，高架桥施工对其的影响是最大的。虽整体影响不大，但出于施工过程及设计方面等许多因素考虑，建议邻近高架桥的施工宜待车站主体结构封顶后再进行施工；4、使用有限元模拟软件ABAQUS对南昌轨道3号线青山湖西站基坑工程的实际开挖过程进行了数值模拟，分析了其计算结果，得出以下结论：地下连续墙向基坑内部方向偏移，且随着基坑的开挖，水平位移越大，其最大水平位移一般位于基坑深度中部至三分之二基坑开挖深度范围内；在基坑开挖过程中，基坑底部土层是呈现“两头小中间大”的隆起现象，且随着基坑开挖深度的增大，其底部隆起值也最大；基坑开挖过程中，高架桥桥墩会产生水平位移，且距基坑边缘越近，桩基发生的水平位移越大。通过此次研究发现，基坑开挖对坑外桥桩水平方向的影响也是比较重要的方面，今后的工程中也应增加对桥桩侧移、内力等指标的测量。5.2展望限于本人现有水平，本文在一些问题上还有待更深入的研究：1、本文所做模拟中，有必要通过改进模型参数和土体与支护结构之间的接触关系等来进一步改进三维数值分析，使得计算更加合理准确，在优化应用基坑工程设计和施工方案方面更具优势。2、本文没有研究地下水变化时基坑开挖对邻近桥墩桩基变形的影响。3、本文模拟中桩基采用线弹性材料进行模拟，认为只发生可恢复的弹性变形，但57 第六章结论与展望是在水平荷载作用下，桩基可能会发生不可逆的塑性变形，仅考虑弹性变形是不够合理的，在今后研究中可以将桩基的塑性变形考虑在内。58 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