城市深基坑開挖對高架橋的影響及控制分析

□文/楊曉猛 楊杰仁

城市深基坑開挖對高架橋的影響及控制分析

□文/楊曉猛 楊杰仁

文章以實(shí)際工程為例，通過對兩種工法進(jìn)行定性分析計(jì)算，確定采用蓋挖順作法作為鄰近高架橋一側(cè)的深基坑的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)擬定的設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用有限元軟件對開挖過程進(jìn)行了仿真模擬并在基坑開挖前對橋樁進(jìn)行預(yù)埋注漿等一系列加固控制措施。

蓋挖順作法；數(shù)值模擬；高架橋；監(jiān)控；量測；深基坑

隨著我國工程建設(shè)的大力發(fā)展，城市地鐵的修建對于解決人們出行問題顯得尤為重要。由于城市中建（構(gòu)）筑物密集，在地鐵基坑施工時(shí)不可避免會(huì)引起周圍土體的變形[1]，因此，如何有效地控制基坑鄰近建（構(gòu)）筑物的變形成為了工程成敗的關(guān)鍵。

1　工程概況

靖海公園地鐵站位于江蘇省無錫市上馬墩路與江海東路交界處，2號線沿上馬墩路縱向（東-西）布置，與設(shè)于沿江海東路布置的3號線形成T型換乘，車站西北側(cè)設(shè)置連接2號線與3號線的聯(lián)絡(luò)線。2號線車站基坑起始里程為SK11+536.379～SK11+874.179，全長337.8 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度為22.70 m，基坑深度為16.362～16.97m，東端盾構(gòu)井基坑最深處為18.016 m，西端左線盾構(gòu)井基坑最深處為18.342 m，西端右線盾構(gòu)井基坑最深處為18.471m。3號線基坑平行于江海路高架，左線基坑長度為145.78 m，右線基坑長度208.25 m，南段盾構(gòu)井處基坑寬度為26.8 m，基坑深度為25.13 m；標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度為22.9 m，基坑深度為23.3 m；北端窄段基坑寬度為10.7 m，一般段基坑深度為23.1 m，盾構(gòu)井段基坑深度為24.45 m；三角形基坑是在2、3號線主體結(jié)構(gòu)完成后再進(jìn)行開挖，最大開挖深度15.5 m左右，其中局部有深坑，局部深坑深度為7.5 m。江海高架橋?yàn)榉蛛x式雙向6車道，交通量大，最大跨為50 m，基坑高架橋基礎(chǔ)為φ1 200mm@3 100mm的鉆孔灌注樁，樁長38～52 m。基坑共分三期施工，其中一期主要包含2號線車站基坑；二期主要包含本站3號線車站基坑；三期主要包含聯(lián)絡(luò)線及三角商業(yè)開發(fā)區(qū)基坑。2號線基坑里程SK11+763.179～SK11+770.279段為橫穿高架橋區(qū)域，橋樁承臺距離2號基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最近處僅為3.74 m，為確保基坑在施工過程中高架橋的安全，本文特對此段里程基坑支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)專項(xiàng)分析研究。基坑平面見圖1。

圖1　靖海公園地鐵站周邊

2　地質(zhì)情況

靖海公園地鐵站地層屬江南地區(qū)江蘇部分，區(qū)內(nèi)第四系沉積物覆蓋廣泛，沉積連續(xù)，層序清晰，覆蓋厚度一般＞80m，場地位于太湖沖湖積平原區(qū)，地勢平坦，2號基坑周邊地質(zhì)條件主要以粉質(zhì)粘土、粉土為主，地表向下依次為雜填土、粉質(zhì)粘土、粘土、粉土、粉砂，見表1。

表1　土層物理力學(xué)參數(shù)

地質(zhì)條件結(jié)構(gòu)較為松散、固結(jié)時(shí)間短、存在空隙，在勘察深度內(nèi)沿線地下水類型主要為松散巖類孔隙水，地下水位埋深1.16～2.5 m，標(biāo)高1.81～2.5 m。由于開挖深度大于該含水層埋深，故該含水層對基坑施工影響較大。

3　基坑開挖支護(hù)方案

施工主要考慮明挖法及蓋挖順作法，兩者的優(yōu)缺點(diǎn)見表2。由于江海高架橋承臺距離2號基坑最近處僅有3.74m，開挖過程引起的卸荷作用極易造成高架橋的傾斜、外移甚至導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，因此，如何確保在施工過程中高架橋的安全，是施工的重中之重。

表2　工法優(yōu)缺點(diǎn)對比

由表2可知，明挖法在控制工期進(jìn)度、造價(jià)成本以及保證工程質(zhì)量等方面較蓋挖法有一定的優(yōu)勢，但是在控制地表變形方面，蓋挖法則更加有利。因此，運(yùn)用2D計(jì)算軟件分別對2號基坑里程SK11+763.179～SK11+770.279段采用明挖法及蓋挖順作法進(jìn)行模擬定性分析，對比兩者計(jì)算結(jié)果確定其開挖支護(hù)設(shè)計(jì)方案。結(jié)構(gòu)擬采用厚800mmC35連續(xù)墻+內(nèi)支撐的形式，基坑由上至下設(shè)置2道直徑為609mm壁厚16mm的鋼支撐及一道換撐，見圖2和圖3。

圖2　明挖法計(jì)算模型

圖3　蓋挖法計(jì)算模型

3.1計(jì)算結(jié)果比較

由表3可知，雖然在工期以及施工成本方面明挖法較蓋挖順作法有一定的優(yōu)勢，但是采用明挖法開挖導(dǎo)致高架橋樁基的水平變形量為蓋挖法的2倍，而豎向變形量也較蓋挖法多出1.72mm；同時(shí)模擬開挖并未考慮其開挖過程中水位的變化、以及時(shí)間效應(yīng)的影響，且是按理論標(biāo)準(zhǔn)情況設(shè)定條件，而實(shí)際施工過程則很難達(dá)到，在這樣的情況下明挖法造成周圍土體水平最大的變形量為15.2mm，已經(jīng)超出了設(shè)計(jì)規(guī)范控制范圍，因此，施工方案確定采用蓋挖順作法，同時(shí)蓋挖順作法相對明挖法在控制橋樁的內(nèi)力方面上也有明顯的優(yōu)勢，并且能夠盡快恢復(fù)路面，對道路交通帶來的影響降到最低。

表3　模擬結(jié)果對比表

3.2總體設(shè)計(jì)方案

經(jīng)以上對明挖法及蓋挖法進(jìn)行定性計(jì)算分析，確定采用蓋挖法作為里程SK11+763.179～SK11+770.279段的總體方案，但考慮到周邊環(huán)境復(fù)雜，高架橋樁距離基坑最近處僅有3.74 m等特殊因素，本工程具體施工方案及其相關(guān)措施如下。

1）對2號基坑影響范圍內(nèi)的高架橋基進(jìn)行斜向袖閥預(yù)埋注漿管進(jìn)行加固處理并在基坑周邊設(shè)置降水井，防止土壁坍塌，提高地基承載力，若在施工過程中發(fā)現(xiàn)異常情況立即對橋基采取跟蹤注漿加固的應(yīng)急措施。

2）在靠近江海高架橋基的基坑一側(cè)，采用φ1.2 m@ 1 350mm鉆孔灌注樁以及雙排φ800mm@600mm三重管旋噴樁進(jìn)行加固并起到隔離效果。

3）對于高架橋區(qū)域范圍內(nèi)基坑主體結(jié)構(gòu)采用蓋挖順作法施工，其他未有鄰近建筑物區(qū)域均采用明挖法施工；支護(hù)形式采用800mm厚連續(xù)墻+內(nèi)支撐，基坑由上至下設(shè)置3道直徑為609mm壁厚16mm的鋼支撐及一道換撐，連續(xù)墻深度約為29m，加固措施見圖4。

圖4　基坑及高架橋樁加固

4　3D數(shù)值模擬仿真分析

4.1基坑參數(shù)及模型的選取

采用有限元軟件對蓋挖順作法施工的工序及方案進(jìn)行模擬。由于土體是典型的彈塑性材料，卸載模量遠(yuǎn)大于加載模量，摩爾-庫侖模型將壓縮和卸載模量統(tǒng)一采用楊氏模量E來表示，不能很好地模擬卸荷情況下土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，因此采用修正的摩爾-庫侖本構(gòu)模型，該模型可以較好的模擬土體卸載時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。基坑支護(hù)鋼支撐采用桿單元，混凝土撐采用梁單元，橋梁樁采用樁單元，連續(xù)墻結(jié)構(gòu)采用板單元。計(jì)算各材料力學(xué)參數(shù)見表4。

表4　材料力學(xué)參數(shù)

4.2基坑開挖模擬分析

1）2號基坑模擬開挖。2號基坑模型長寬高為440 m×135 m×55 m，高架橋承臺施加荷載4 500～5 000 kN，計(jì)算共分為8個(gè)計(jì)算階段，分別模擬不同施工階段的開挖與支護(hù)，基坑及支護(hù)結(jié)構(gòu)模型見圖5和圖6。

圖5　2號基坑模型

圖6　2號基坑支撐結(jié)構(gòu)模型

2）結(jié)果分析。由圖7-圖9可知，2號基坑開挖引起江海高架橋最大沉降變形為3.42mm（JHZ119、JHY119），朝基坑內(nèi)方向最大水平位移為3.26mm，平行基坑方向最大水平位移為1.51mm（JHY119），承臺間最大的差異沉降量為3.206mm均小于設(shè)計(jì)規(guī)范要求承臺間最大差異沉降量的5mm以及樁基水平位移的6mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7　2號基坑開挖橋樁Z方向位移

圖8　2號基坑開挖X方向位移

圖9　2號基坑開挖Y方向位移

5　現(xiàn)場高架橋變形監(jiān)測與分析

5.1江海高架橋監(jiān)測等級

為有效地反饋基坑開挖對高架橋造成的安全性影響，針對高架橋進(jìn)行專項(xiàng)監(jiān)測方案。根據(jù)總體技術(shù)要求，本基坑變形控制保護(hù)等級為一級，具體變形控制值見表5。橋梁差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)：樁間差異沉降量10mm，其余橋樁間的差異沉降量控制在5mm。橋梁樁基水平變形控制標(biāo)準(zhǔn)是6mm，監(jiān)測布置點(diǎn)見圖10。

圖10　高架橋監(jiān)測平面布置

5.2高架橋現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

現(xiàn)場對鄰近基坑的4個(gè)橋樁進(jìn)行了沉降及水平位移變形監(jiān)控，沉降累計(jì)結(jié)果見圖11，水平位移最終變形量見表5。

圖11　高架橋現(xiàn)場監(jiān)測沉降

表5　高架橋水平位移最終變形量mm

在對高架橋樁進(jìn)行注漿加固的階段，承臺稍有隆起現(xiàn)象，隨著基坑的開挖進(jìn)行，造成了地應(yīng)力的卸荷作用，基坑周圍土體有向基坑內(nèi)方向變形的趨勢，承臺出現(xiàn)略微沉降，在對基坑進(jìn)行支護(hù)后，變形逐漸趨于穩(wěn)定，最大沉降變形量為3.12mm，最大水平變形量為2.24mm，均小于設(shè)計(jì)規(guī)范要求，說明此工法及優(yōu)化方案行之有效，確保了橋樁的安全穩(wěn)定。

5.3理論預(yù)測與實(shí)測結(jié)果分析對比

將實(shí)測基坑開挖造成高架橋的變形量與軟件預(yù)測變形量進(jìn)行對比，結(jié)果見表6。

表6　預(yù)測變形累計(jì)值與實(shí)測變形累計(jì)值比較mm

高架橋最終沉降預(yù)測值與實(shí)測沉降值誤差值分別為0.83、0.19、0.34、0.35mm，承臺最大差異沉降量誤差值為0.87、0.49mm，最大水平變形量誤差值為0.88mm，其誤差值均控制在1mm以內(nèi)，說明有限元模擬軟件對基坑開挖造成鄰近高架橋的影響分析較符合現(xiàn)場實(shí)際情況；此外實(shí)測變形數(shù)據(jù)均稍大于數(shù)值模擬預(yù)測數(shù)據(jù)，說明數(shù)值模擬計(jì)算過程較實(shí)際情況還有待更好地?cái)M合，同時(shí)，可為相關(guān)類似工程起到一定的安全預(yù)警作用。

6　結(jié)論

1）為確保鄰近高架橋在基坑開挖過程中的安全，從控制橋樁變形、土體變形、受力等方面綜合定性的對比了明挖法及蓋挖順作法，確定采用蓋挖順作法作為鄰近高架橋區(qū)域內(nèi)的基坑開挖支護(hù)方式，是確保高架橋安全的關(guān)鍵。

2）考慮到地層以粘土及粉砂為主并且地下水較為豐富的原因，在基坑開挖前對高架橋樁基礎(chǔ)進(jìn)行了預(yù)埋注漿加固處理并在靠近江海高架橋基的基坑一側(cè)，采用φ1.2 m@1 350mm鉆孔灌注樁以及雙排φ800mm@600mm三重管旋噴樁進(jìn)行加固并起到隔離效果，通過施工過程的監(jiān)控量測結(jié)果顯示，此優(yōu)化方案行之有效，很好地控制了橋樁及周圍土體的變形。

3）采用數(shù)值模擬軟件對基坑開挖進(jìn)行模擬預(yù)測，其誤差均控制在1mm以內(nèi)，說明此方法較符合現(xiàn)場開挖情況，可為今后類似的基坑工程提供了一定的理論參考和經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)。但由于對本工程基坑進(jìn)行模擬分析時(shí)未考慮到水以及時(shí)間效應(yīng)的影響，完全按照理論標(biāo)準(zhǔn)條件設(shè)定，因此，模擬結(jié)果均較實(shí)際結(jié)果略小，其模擬值可為實(shí)際工程起到一定的安全預(yù)警作用，如何將理論計(jì)算更好的與實(shí)際工程問題相擬合，是目前研究人員還需亟待解決的難題。

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□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.01.018

□楊杰仁/中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司。

□TU433

□C

□1008-3197（2015）01-51-04

□2014-10-20

□楊曉猛/男，1983年出生，工程師，中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，從事隧道與地下工程設(shè)計(jì)工作。