深基坑開挖對鄰近高鐵橋墩的影響分析

王 軍

(無錫市軌道交通發展有限公司,江蘇無錫 214043)

隨著國內城市化進程的快速發展,大批的地下工程不斷涌現。在城市環境中,高層建筑、高架橋梁等密布云集,而深基坑開挖有時會不可避免要位于橋梁下方或建(構)筑物鄰近位置,基坑開挖時必定會引起周邊土體的變形,過量的變形將影響鄰近建(構)筑物的正常使用,甚至導致破壞。因此,必須在整個基坑施工期間對其變形進行監測,根據監測數據及時調整開挖和支護措施,以保護鄰近建(構)筑物不因過量變形而影響它們的正常使用或破壞。

1 工程及設計情況

1.1 工程概況

無錫市地鐵N號線與滬寧城際某站地下配套工程為地下二層鋼筋混凝土箱形結構,位于無錫市境內滬寧城際鐵路某高架站下方,平面上與城際線路成正十字交叉,高架橋墩樁長約43 m,距基坑兩側邊緣各6.12 m。基坑變形控制保護等級為一級,深約14 m,基坑圍護結構采用長25 m,直徑 φ1200 mm鉆孔灌注樁,樁間采用高壓旋噴樁止水帷幕,外加1排高壓旋噴樁隔水帷幕,支撐系統為一道鋼筋混凝土支撐 +兩層鋼管支撐。由于滬寧城際臨近試運營期,對本基坑開挖所引起的墩臺沉降要求控制在 ±2.5 mm以內。

本基坑工程采用明挖順筑法施工,分三段三層依次開挖,2010年3月3日開始開挖,3月22日開挖全部完成,4月30日頂板澆筑完成。

1.2 地質及水文情況

根據地質剖面圖,基坑開挖揭露地層自上而下主要為：人工填土層、硬塑為主的黏土、稍密飽和的粉土和軟塑為主的粉質黏土等。基底位于軟塑為主的粉質黏土中,該土層工程力學性能較差。

場地地下水主要有：上層滯水、微承壓水及承壓水,上層滯水含水層主要埋藏在淺部人工填土層中,水位埋深雖很淺(1～2 m),但滲透性差,對本工程建設產生的不利影響較小。

微承壓含水層主要分布在稍密飽和的粉土層中,該層土屬富水性中等的有壓含水層。當地下工程施工時,在挖至粉土層時坑底及坑壁易會產生管涌、冒砂等現象,引起坑壁坍塌。

2 沉降機理分析

基坑工程的施工引起建(構)筑物的沉降一般認為是由基坑土方開挖造成坑外土體位移和坑外水位降低,導致土體固結引起的。

基坑開挖的過程實際上是基坑開挖面上豎向卸載、坑壁水平卸載的過程。基坑開挖后,圍護結構內外的土體將由初始的靜止土壓力狀態向被動和主動土壓力狀態轉變,應力狀態的改變引起圍護結構承受荷載并導致圍護結構變形,而圍護結構的變形使坑外主動壓力區和坑內壓力區的土體發生位移,圍護結構向基坑內側發生水平位移,使圍護墻背后土體水平應力減小,導致剪力增大,出現塑性破壞,引起土層出現沉降。該沉降是受基坑開挖深度、圍護結構強度、支撐強度、支撐架設速度、地表荷載和地質條件等多種因素影響的。

眾所共知,土體一般由土體顆粒、孔隙水和氣體三相組成,而土體的變形主要是由孔隙水排出、氣體體積減小和土體骨架發生錯動造成的。在飽和土中孔隙水壓縮量很小,孔隙體積變化主要是孔隙水排水引起的,當坑外水位降低時,孔隙壓力消散,土體有效應力增加,土體骨架產生瞬時和蠕動變形,引起土體的固結沉降,對建筑物基礎產生向下的負摩阻力,而在基坑開挖過程中,如圍護結構內側出現滲漏水的同時還伴隨著坑外的土體流失。坑外土層損失后,又加大坑外土體土層產生位移,一定程度上也加劇了周邊建(構)筑物的沉降。

3 橋墩沉降計算值與實測值對比分析

鑒于基坑開挖對城際高鐵沉降影響的重要性,設計單位在基坑開挖前建立模擬基坑開挖的Hardening Soil模型,在最不利工況下進行計算,估算基坑各施工階段引起城際高鐵橋墩的沉降值,將計算值和實測數據進行比較,以分析基坑施工不同工況下對橋墩沉降影響。

在整個基坑施工期間,城際橋墩沉降較為穩定,基坑開挖第一層土墩臺平均沉降至-0.05 mm；開挖第二層土墩臺平均沉降至-0.60 mm；開挖第三層土墩臺平均沉降至-0.58 mm；底板澆筑完畢后墩臺平均沉降至-0.13 mm；中板澆筑完畢后墩臺平均沉降至-0.27 mm；頂板澆筑完畢后墩臺平均沉降至-0.28 mm。如圖1所示。

圖1 各施工階段橋墩沉降曲線

城際橋墩沉降計算值與實測值對比如表1所示。

表1 橋墩沉降計算值和實測值對比

從表1中可以看出,實測值和計算值差異不大,整個基坑施工期間對橋墩沉降影響較小,而對沉降影響相對較大的階段均為土方開挖階段,其中主要集中在第二層土方開挖后,對橋墩沉降影響占整個沉降量的80%左右。

從實際施工情況、地質條件和監測數據綜合分析各施工階段橋墩沉降情況及相關影響因素：

(1)基坑第一層土方開挖較淺,涉及土層主要為硬塑為主的黏土,工程力學性質較好,抗剪切能力較強,圍護結構向坑內偏移較小,坑外土層相應損失較小。此外,該基坑首層支撐采用鋼筋混凝土支撐,而鋼筋混凝土支撐整體性、抗變形能力相比鋼支撐較強,對圍護結構的變形約束能力也相應加大,間接地減小了坑外土體的變形。

(2)隨著基坑開挖至下層飽和、稍密狀粉土,該層土工程性質較差,并富含微承壓水,開挖后基坑內側出現較多滲漏點,并有個別較大涌水點,坑外水位下降達報警指標(如圖2),而施工單位堵漏、排水工作相應滯后,坑內被動區受涌水長時間的泡槽影響工程力學性能迅速下降,圍護結構內外水土壓力差加大,推動圍護結構向坑內產生更大的變形。此外,因基坑部分區域位于高架下方,吊車受凈高限制,鋼支撐架設進度也相應滯后,一定程度上加大了圍護結構的變形,從而加劇了坑外土體的損失。

圖2 各施工階段地下水位變化曲線

(3)從實測值中可以看出,基坑開挖第三方土方后,橋墩基礎有輕微的上升。根據現場施工情況分析,基坑出現較大涌水點后,施工單位在坑內進行注漿堵漏,同時在坑外圍護結構與橋墩基礎之間進行注漿加固,注漿壓力較大,漿液的擴散對周圍的土體產生壓縮,致使周圍土體產生膨脹、隆起等現象。通過及時的注漿加固,有效的控制了橋墩基礎的沉降速率,但在進行坑外注漿加固的同時,注漿壓力過大也會導致該區域圍護結構像坑內產生較大的偏移,這也是開挖第三層后期少數樁體向坑內偏移顯著的主要原因。如圖3所示。

圖3 各施工階段樁體變化曲線

(4)從整個基坑施工階段橋墩實際平均沉降值后分析,滬寧城際高架橋墩基礎受基坑施工影響較小,一方面由于基坑在施工過程中得到了有效的施工控制,圍護結構及周邊環境受施工影響較為穩定；另一方面是城際橋墩樁基采用了大直徑的43 m較長樁基,結構強度大,對基坑兩側潛在滑裂土體的抗滑能力較強,樁基變形較小。同時,基坑兩側大直徑高架橋墩長樁基承擔了兩側較大的土體主動土壓力,起著第一道隔斷作用,很大程度上減小了圍護結構以及圍護結構與橋墩樁基之間的深層土體的變形。

4 結論

深基坑內支撐系統采用鋼筋混凝土支撐 +鋼支撐組合體系,充分發揮了鋼筋混凝土支撐整體性好、抗變形能力強和鋼支撐架設進度快、可多次加力的優點,減小前者時空效應差、后者變形大等帶來的負面影響,兩種類型支撐相輔相成、互補不足,從而有效地控制圍護結構和周邊土體在整個基坑施工期間的的變形,這種組合體系在以后類似深基坑工程中應普遍予以應用。

本工程因工期緊縮的影響,圍護樁外隔水帷幕未達到強度即進行開挖,造成開挖到富含微承壓水的粉土層后出現了較大的涌水點,這也是導致坑外高架墩臺在這一階段沉降較大的主要原因。建議在以后類似基坑工程須待圍護體系達到設計強度后再進行后繼的土方開挖。同時施工單位應合理安排好施工工期,并充分做好注漿堵漏、抽排積水的應急準備措施。

在基坑周邊建(構)筑物基礎外側進行注漿加固,可以有效控制基坑施工期間周邊建(構)筑物的沉降量,但在加固地基的同時也加劇了圍護結構的變形。因此,應加強對注漿加固機理的研究,使其更好的為深基坑開挖、盾構施工以及建(構)筑物基礎加固保護等工程服務。

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