橋墩附近基坑開挖對橋墩基礎影響的數值分析

張海東

0 引言

隨著城市規模的不斷擴大，城市交通設施不斷向外延伸，城市交通設施和城際高鐵的交叉增多，給工程造成困難，特別是高鐵對變形和位移影響要求高，鄰近基坑施工對其影響較大，隨著計算理論的不斷完善，空間計算軟件的不斷推出，采用有限元對基坑施工影響進行分析指導。

本文就上海軌交12號線下穿滬杭高鐵為工程背景，采用巖土工程軟件PLAXIS模擬分析。其結果為基坑工程的施工提供了指導性的數據，對施工進行控制。同時對類似的設計具有指導意義。

1 工程概況

上海軌交12號線中春路停車場出入線下穿滬杭高鐵的支撐圍護設計。本工程呈東西走向，基坑寬18.7 m，長(最長處)29.01 m，基坑開挖深度由西至東為9.2 m～9.6 m?；酉麓┰诮ǖ臏伎蛯Ｋ山卮髽?6 m連續梁段及滬昆鐵路。滬杭客專在本段施工時已完成土建部分的主要工程;基坑南側邊緣至滬杭客專松江特大橋Pm37號橋墩承臺最近處約為5.85 m，基坑北側邊緣至滬杭客專松江特大橋Pm36號橋墩承臺最近處約為18.63 m。

工程主體結構圍護結構采用1.0 m和1.2 m鉆孔灌注樁和高壓旋噴樁止水帷幕，靠近橋墩側采用1.2 m鉆孔灌注樁;其余采用1.0 m鉆孔灌注樁，樁長22 m，插入比約為1.2;鉆孔灌注樁外面設置一排φ600@400高壓旋噴樁止水帷幕，深16.0 m，插入不透水層⑤1a粘土層。沿深度方向設置三道支撐，第一道支撐位于地面下0.7 m處，第二道支撐位于地面下4.5 m處，第三道支撐位于地面下7.5 m處，除第一道為混凝土支撐外其余皆為609 mm鋼管支撐。

主要工程地質概述:擬建場地較為平坦，屬濱海平原地貌，地面標高約在 4.4 m ～4.7 m。

各土層自上而下為:

第②層為褐黃～灰黃色粉質粘土。

第③層為淤泥質粉質粘土，流塑，抗剪強度低，對基坑支護結構穩定性不利，③夾層砂質粉土，開挖時局部可能會產生管涌、流砂。

第④層為灰色淤泥質粘土，流塑，抗剪強度低，具流變特性和觸變特性。

第⑤層分布較為穩定，分為三個亞層，⑤1a層為灰色粘土、⑤1b層為灰色砂質粉土和⑤1c層為灰色粉質粘土。

第⑥層為暗綠～草黃色粉質粘土。

第⑦層砂性土層埋藏較深，可分為兩個亞層，⑦1層粘質粉土層和⑦2層粉砂層，土性較好。

本場地淺部地下水屬潛水類型，地下水位埋深0.5 m。

2 數值分析

2.1 有限元計算模型

為了評價影響段范圍內基坑開挖對滬杭客專松江特大橋(Pm37號橋墩)的影響，我們選取基坑最不利A—A斷面建立有限元數值模型進行分析。

數值計算采用巖土工程軟件PLAXIS模擬，幾何對象采用平面應變模型，有限元網格基于15節點單元。對于橋墩和鉆孔灌注樁，按彈性受力狀況來考慮，在計算中采用彈性梁單元模擬。φ600 mm高壓旋噴樁加固采用置換土層參數方式模擬，基坑圍護結構與周圍土體之間的摩擦力通過設置接觸面單元并選取虛擬厚度因子及強度折減因子(Rinter)的值來模擬;支撐結構采用錨桿單元模擬。

模型邊界條件:底部施加完全固定約束，兩側施加豎直滑動約束，表面取為自由邊界?；佑嬎阃翆訁^域橫向115 m，縱向80 m，基坑深度按10 m考慮，南側基坑地下水位線取地表以下0.5 m，土層參數按地勘報告實際選取。

2.2 計算參數

1)土體的物理力學參數。

數值計算模型按照實際分層情況模擬，基坑土體自上而下分為10層;西側基坑分為9層。為反映初次加載和卸載—再加載之間的剛度差別，基坑開挖過程中土體采用強化巖土模型(HS模型)來模擬，土體的物理力學參數按照地勘報告實際選取。

2)圍護結構的剛度參數。

既有滬昆鐵路和滬杭客專(Pm37號墩)邊采用1 200 mm鉆孔灌注樁圍護和高壓旋噴樁止水帷幕，其余地段采用1 000 mm鉆孔灌注樁圍護和高壓旋噴樁止水帷幕，基坑內坑底采用高壓旋噴樁加固土體。

在平面應變計算中，將樁簡化成樁墻。報告將空間問題簡化成平面問題計算，采用對樁身彈性模量進行折減的方法模擬樁。

φ1 000 mm鉆孔灌注樁換算剛度EI=1.667×106kN·m2/m，抗壓剛度EA=2.0×107kN/m。

φ1 200 mm鉆孔灌注樁換算剛度EI=3.629×106kN·m2/m，抗壓剛度EA=3.024×107kN/m。

3)支撐結構參數。

基坑支撐采用鋼筋混凝土支撐和鋼管支撐，φ609 mm鋼管支撐的抗壓剛度EA=5.96×106kN，鋼支撐水平間距為3 m。

1 000 mm×1 000 mm鋼筋混凝土支撐的抗壓剛度EA=3.0×107kN，頂部混凝土支撐水平間距為6 m。

4)基坑施工超載。

基坑橫向超載一側取至Pm37橋墩邊緣，另一側橫向取15 m范圍，大小為20 kN/m。

2.3 數值分析工況

在分工況連續計算中，位移和應力是逐次累加的，上一工況的位移和應力將作為下一工況的初始應力和位移狀態?；佑嬎愎r見表1。

表1 基坑數值分析工況

2.4 有限元計算結果

1)基坑開挖完成、拆除臨時支撐后土體變形。開挖完成后土體最大橫向位移8.5 mm。開挖完成后土體最大豎向位移17 mm。

2)基坑影響橋墩樁基第一根樁不同特征點隨開挖步驟水平位移曲線見圖1。由圖1可以看出受影響樁基水平位移隨開挖深度增加而加大，第四步開挖完成后水平位移增加至最大值，底板澆筑完成后水平位移有所減少，開挖完成后最大水平位移2 mm。

圖1 基坑影響Pm37號橋墩第一根樁不同開挖步驟水平位移曲線

圖1中及相關簡圖中開挖步驟分別為:步驟1:基坑第一次開挖(開挖至第一道混凝土支撐下0.5 m)，并施工第一道支撐。步驟2:基坑第二次開挖(開挖至第二道鋼支撐下0.5 m)，并施工第二道支撐。步驟3:基坑第三次開挖(開挖至第三道鋼支撐下0.5 m)，并施工第三道支撐。步驟4:基坑第四次開挖，并澆筑底撐。步驟5:拆除第三、第二道支撐。

3)基坑影響Pm37號橋墩第一根樁隨不同開挖步驟豎向沉降曲線見圖2。由圖2可以看出受影響橋墩豎向沉降隨開挖深度增加而加大，第四步開挖完成后沉降值增加至最大值，開挖完成后最大沉降3.4 mm。

圖2 基坑影響Pm37號橋墩第一根樁不同開挖步驟樁頂豎向沉降曲線

4)基坑開挖完成、拆除臨時支撐后，左、右側圍護樁水平及沉降左側最大水平位移4 mm、最大沉降約10 mm;右側最大水平位移2 mm、最大沉降9 mm(右側樁頂水平位移是由地表超載壓縮土體引起)。

5)基坑開挖完成、拆除臨時支撐后地表沉降曲線見圖3。其中地表最大沉降17 mm，發生在均布超載曲線中間部位，基坑斷面左右兩側部分略微隆起，最大隆起量10 mm，這是由于基坑超載偏壓及坑底隆起共同作用的結果。

圖3 地表沉降曲線

2.5 結果分析

1)數值計算結果表明，設計圍護結構體系及加固方案能保證基坑開挖的安全;基坑開挖對Pm37號橋墩承臺影響較小，基坑安全處于受控狀態。

2)基坑開挖地表最大沉降量17 mm，基坑左側圍護樁最大水平位移4 mm、最大沉降10 mm;右側最大水平位移2 mm、最大沉降9 mm。左側圍護樁影響略大于右側，施工中應密切關注基坑超載的影響。

3)數值分析結果表明基坑影響區域橋墩最大水平位移2 mm、最大沉降3.4 mm，設計維護體系滿足結構安全要求。

3 結語

工程鄰近高鐵橋墩又位于軟土地區，變形控制難度大，高鐵橋墩對于變形要求較高，通過有限元方法分析采用鉆孔樁圍護開挖基坑時對鄰近在建高鐵橋墩的影響。根據分析結果對工程施工的風險點和影響程度做到了心中有數，提前預防。地下工程風險大，地下工程設計人員應該保持嚴謹的態度，根據勘察報告細致分析，采用合理的措施保證施工安全，杜絕安全事故隱患。

由于地質勘察的特點使地下工程具有不確定性，數值模擬分析是極難做到完全真實的反映現場實際，需要根據施工過程中的實際監控量測數據進行反分析控制，保證工程安全可靠的實施。

[1]DG/T J08-61-2010，上海市工程建設規范基坑工程技術規范[S］.