考虑土－支架耦合的大型渡槽开挖施工响应研究

付建胜

(中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津 300300)

1 引言

渡槽，也叫过水桥，是两端与渠道相连接的桥梁式水槽。与其他桥梁一样，渡槽通常架设在洼地、山谷、河流上，大型的渡槽还可用作通航[1－2]。近年来，世界多国已经修建了很多大型渡槽，如里斯本阿瓜里弗渡槽[3]、美国生命线渡槽[4]，以及中国“南水北调”工程[5－6]等。大型渡槽工程对于水资源配置的优化、受水区水环境的改善以及生态环境保护具有重要作用。

目前已有大量学者针对渡槽工程的开挖以及边坡稳定性进行研究。董玉乐[7]针对漂塘钨矿大跨度渡槽工程的施工步骤及施工要点进行总结，确定了渡槽基础开挖边坡的坡比。赵龙辉[8]针对龙场渡槽工程实例，基于有限元软件FLAC3D对边坡稳定性进行分析，得到了加固前与加固后渡槽的最大位移值，并与现场监测值进行对比分析。此外，姜勇[9]针对黔中水利总干渡槽工程中临时支架结构的施工过程进行总结，结果表明该施工方案能够保证临时支架的稳定性。燕晓东[10]通过理论推导与现场监测相结合的方法对抗滑组合结构受力机制进行了研究，得到分级边坡开挖过程中的最不利状态。目前的研究工作存在不足:在渡槽边坡开挖过程中同时设置临时支架的施工过程研究较少，且尚未有学者采用有限元方法研究其施工响应。

本文采用有限元软件MIDAS GTS NX，基于淠河渡槽工程案例，考虑结构与土体的耦合，建立土体与临时支架施工过程的有限元模型，预测分析土体与临时支架的施工位移响应。淠河总干渠渡槽是为引江济淮输水渠道下穿淠河总干渠而设置的立体交叉建筑物。渡槽布置跨径为(68＋110＋68)m，结构形式为桁架式梁拱组合体系，为全焊接钢结构。钢渡槽两侧各设52 m长的混凝土槽型过渡段，全长350 m，单槽净宽16 m，高度7 m。

主墩基坑分层开挖，逐层施工临时支架，重粉质壤土地层采用1∶1.75边坡，中－强风化岩地层采用1∶0.5坡度。由于基坑开挖土方量较大，深度较深，若采用传统倒梯形断面进行开挖，两侧土压力极大，对边坡稳定性不利且易使得基坑底部土体发生较大隆起变形。故创新性提出“W”型断面形式，如图1所示，保留部分底面土体以平衡两侧边坡土压力，使得边坡基坑开挖施工更为安全，并为中跨渡槽临时支架的架设提供平台。本文基于该形式基坑，对土－临时支架耦合的大型渡槽开挖施工响应开展研究，成果可为今后类似大型渡槽工程提供参考。

图1 1/2渡槽边坡及支架立面(单位:mm)

2 有限元模型

本文基于有限元软件MIDAS GTS NX，针对淠河总干渠渡槽边坡开挖及临时支架施工全过程建立有限元模型，分析采用地层－结构法，考虑土层－结构相互作用。

如图2a所示，渡槽施工区域内的土层分布包括重粉质壤土、粉质黏土，中、重粉质壤土夹细砂，全～强风化粉、细砂岩及中等风化～新鲜粉、细砂岩。土体采用考虑区分加卸载的修正摩尔—库伦本构模型，土层物理力学参数如表1所示，材料参数根据地质勘察报告提供的参数及相关工程经验进行取值。

图2 土体有限元模型

表1 土层物理力学参数

主墩及临时支架结构(包括临时墩、钢联系梁等)有限元模型如图3所示。桥墩、扩大基础、混凝土桩采用三维实体单元模拟，钢管桩、钢联系梁采用一维梁单元模拟。材料模型采用线弹性本构模型。结构材料参数及截面尺寸如表2所示。

图3 临时支架结构有限元模型

表2 临时墩计算参数

土体和结构网格划分分别如图2和图3所示。结构实体单元与其相邻土体单元耦合，与土体直接接触的结构一维单元通过析取土体单元得到，不与土体接触的一维单元结构直接进行1D单元划分。由于渡槽结构及地层分布总体对称，且桥墩结构对称施工，为简化计算，本文建立的数值计算模型为1/4模型。

土体边界施加沿边界法线方向的平动自由度约束。为避免边界范围对有限元计算结果精度的影响，本文基于郑颖人[11]建议的计算范围，综合考虑渡槽实际情况，建立整体三维模型尺寸为180 m×20.4 m×78 m(长×宽×高)。由于模型为1/4模型，因此需设置对称边界条件。

为更直接地体现基坑开挖对主墩及临时支架施工过程中应力和变形的影响，将渡槽主体结构自重及其上主要荷载转换为集中力加载到支架及墩柱上。渡槽桥梁主体结构施工过程中的主要荷载包括:各土层的重力(含开挖过程的荷载释放)、支护结构的重力和各墩施工阶段荷载(包括渡槽自重及其上施工荷载)。

模型主要分为35个施工阶段:设初始应力场为工况1(如图2a所示)，其余共包含8个开挖步骤和31个加载步骤。8个开挖步骤对应工况2～14，31个加载步骤对应工况5～35(其中工况2～4对应开挖步骤1～3，工况5～14对应开挖步骤4～8和加载步骤1～10，即每两个工况对应1个开挖步骤)。主要工况有限元模型如图4所示，具体荷载如表3所示。表3中各墩施工阶段荷载主要为各阶段渡槽自重及其上施工荷载。由于桥梁结构对称施工，Z1与Z4、Z2与Z3步骤相同，加载一致。

表3 桥墩在各施工阶段荷载布置

图4 主要工况有限元模型

3 有限元结果分析

土体和渡槽临时支架结构在主要工况下水平和竖向位移云图如图5～图7所示。各个工况下土体和支架结构的水平和竖向位移量汇总于图8。

图5 主要工况土体位移云图

图6 主要工况临时支架水平位移云图

图7 主要工况临时支架竖向位移云图

图8 各施工阶段最大位移

对于土体，从工况2(即开挖步骤1)至工况14(即开挖步骤8和加载步骤10)，水平变形不断增大达到最大值12.19 mm，满足«建筑基坑支护技术规程»(JGJ 120—2012)[12]对于基坑、边坡工程施工水平变形规定的控制值，土体最大变形位置位于临时支架结构处，图5b所示。此外，由于边坡开挖卸载，坡体处的土体主要表现为整体隆起变形，最大竖向变形为16.64 mm，图5d所示。

从工况15(即加载步骤11)至工况35(即加载步骤31)，土体水平变形呈减小趋势。最终土体最大水平变形和竖向隆起变形分别稳定在11.38 mm和16.70 mm，如图8a所示。

对于主墩及临时支架结构，在工况2(即开挖步骤1)和工况3(即开挖步骤2)最大水平与竖向变形分别出现在主墩Z1和临时支架P′1处，最大水平变形值分别为0.80 mm和7.28 mm，最大竖向变形值分别为1.44 mm和13.41 mm，如图6a、图6b、图7a和图7b所示。从工况4(即开挖步骤3)至工况35(即加载步骤31)，最大水平和竖向变形均出现在桥墩P′2处，如图6c、图6d、图7c和图7d所示。 从工况4至工况14(即开挖步骤8和加载步骤10)，临时支架水平变形不断增大，最大水平变形值为12.19 mm；后续的施工阶段，临时支架最大水平变形呈减小趋势，最终稳定至11.38 mm。由于边坡开挖卸载，桥墩及临时支架结构主要表现为竖向向上隆起变形。在工况7(即开挖步骤5和加载步骤3)竖向变形达到最大值13.89 mm，如图7c所示。随后的施工阶段，结构最大竖向变形最终稳定在13.40 mm，如图8b所示。

4 结论

本文基于MIDAS GTS NX有限元软件，对“W”型渡槽基坑边坡开挖及临时支架施工全过程进行精细化模拟，得到的结论总结如下:

(1)对于深大边坡基坑开挖，“W”型断面基坑底部预留土体可有效抵抗两侧边坡部分土压力，增大边坡稳定性且对基坑底部土体隆起变形起到一定抑制作用；此外，预留土体为中跨渡槽临时支架的架设提供施工平台，降低支架高度，提高了施工安全性，节省了材料使用。

(2)土体开挖施工阶段，土体水平和竖向变形持续增大，坡体处的土体主要表现为整体隆起变形，土体最大水平和竖向变形值分别为12.19 mm和16.70 mm；后续施工工况的土体水平变形呈减小趋势；最终土体水平和竖向变形分别趋于稳定值11.38 mm和16.70 mm。

(3)土体最大水平变形位置位于临时支架结构处，水平变形最大值小于«建筑基坑支护技术规程»规定的控制值。

(4)土体开挖施工阶段，临时支架结构的水平变形同样持续增加；隆起土体处对应的临时支架呈现向临空面隆起变形；临时支架最大水平和竖向变形值分别为12.19 mm和13.89 mm；后续施工工况临时支架最大水平和竖向变形趋于稳定值11.38 mm和13.40 mm。