鄰近既有橋墩處隧道基坑開挖變形控制方案探討

羅永磊

（上海市政工程設(shè)計研究總院集團(tuán)佛山斯美設(shè)計院有限公司，廣東 佛山 528200）

0 引言

隨著城市交通壓力的日益加重，為了改善城市擁堵的交通狀況，下穿隧道或跨線橋成為在交叉口處維持道路快速化的常用方案。當(dāng)一條現(xiàn)狀快速路主路是高架橋，輔路與改造路垂直平交時，改造的路若選用跨線橋方案勢必導(dǎo)致橋梁引橋長度過長，道路改造長度增加，增加工程造價，且高架橋?qū)Φ缆穬蓚?cè)地塊分割程度較大，顯然不是最優(yōu)方案。此時往往選擇隧道依次下穿既有快速路輔路及主路方案，該方案雖然克服了高架橋的缺點(diǎn)，但受既有橋跨度、隧道結(jié)構(gòu)寬度等影響，使得基坑距離既有橋墩較近，開挖卸荷過程中難免會對基坑周邊土體產(chǎn)生擾動，進(jìn)而使橋樁產(chǎn)生附加變形，設(shè)計時需評估出影響程度并采取針對性措施，保障橋梁的正常運(yùn)營安全[1]。通過研究基坑開挖對周邊的變形影響規(guī)律，做到在設(shè)計方案階段充分論證，做好附加措施，將基坑開挖對橋墩的影響降至最低。

國內(nèi)外很多學(xué)者研究了基坑開挖對周邊既有橋墩或者建（構(gòu)）筑物的影響規(guī)律，高東、汪東林[2]研究了既有高架橋樁距離基坑開挖邊線的平面距離在基坑開挖時對橋墩變形的影響，提出了在10m以內(nèi)影響較大，20m以上時影響較小。木林隆等[3]基于小應(yīng)變特性的基坑開挖對鄰近樁基影響分析中提出基坑開挖深度應(yīng)越小越好，樁基距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)越遠(yuǎn)越好，樁在距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)0.5倍的開挖深度時最危險，變形最大。馮虎[4]總結(jié)了上海地區(qū)58個開挖深度19m的基坑工程地下連續(xù)墻變形特性的規(guī)律，指出圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平向最大變形出現(xiàn)在0.89倍開挖深度處，且最大位移出現(xiàn)在開挖面以上的比例占到79%，僅在墻趾以下有軟土?xí)r基坑最大變形位于開挖面以下。

本文以某新建隧道工程下穿佛山一環(huán)快速路工程為例，通過研究基坑開挖對既有橋樁的變形影響規(guī)律，提出了減小橋墩及圍護(hù)樁變形的處理方案，以期為類似工程提供經(jīng)驗借鑒。

1 工程概況

某現(xiàn)狀路與佛山一環(huán)快速路兩側(cè)輔路平交，一環(huán)主線采用高架橋結(jié)構(gòu)，橋梁結(jié)構(gòu)為三跨一聯(lián)的簡支T梁，分幅式斷面，雙向八車道。現(xiàn)狀交叉口處橋梁底距離現(xiàn)狀路面凈空約6.5m，相鄰橋墩承臺間凈跨35.5m。為適應(yīng)交通快速化的需要，需在該交叉口處實施快速化改造，經(jīng)過比選確定采用新建隧道下穿佛山一環(huán)兩側(cè)輔道及主線，路線走向按現(xiàn)狀線位擬合并結(jié)合隧道與橋墩的關(guān)系合理優(yōu)化調(diào)整。下穿隧道采用雙向六車道，全長635m，輔道采用雙向四車道，現(xiàn)狀道路為雙向八車道，改造后規(guī)模基本匹配。距離右側(cè)橋墩邊約85m處現(xiàn)狀為一河涌，因其距離一環(huán)輔路較近，隧道尚未接順路面，需將河涌改為箱涵，使隧道下穿箱涵。隧道相對位置如圖1所示。

圖1 新建隧道及周邊環(huán)境平面圖（單位：m）

擬建場地地下水主要為潛水，勘察施工期間實測鉆孔地下水穩(wěn)定水位埋深為1.30～2.70m，地下水位受季節(jié)性影響，地下水主要靠地下水循環(huán)補(bǔ)給，其次靠大氣降水滲入補(bǔ)給及附近地表水體向下滲入補(bǔ)給。根據(jù)鉆孔揭露場地巖土層參數(shù)見表1。

表1 地質(zhì)參數(shù)

道路總體平縱確定好后的隧道結(jié)構(gòu)凈寬26.7m，結(jié)構(gòu)壁厚1.1m，結(jié)構(gòu)總寬28.9 m，橋墩處基坑開挖深度13.5m，隧道在橋墩間基本居中布置，結(jié)構(gòu)邊線距離現(xiàn)狀橋墩承臺僅3.3m，是橋墩處基坑開挖深度的0.24倍。可見基坑開挖過程中對橋墩的影響很大，因此合理控制基坑開挖過程中的變形，保證橋墩結(jié)構(gòu)安全是該項目的重中之重。受一環(huán)橋下凈空的影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)不能選用剛度大、止水效果好的地下連續(xù)墻，只能選用鉆孔灌注樁支護(hù)輔以高壓旋噴樁止水方案。根據(jù)擬建場地的水文地質(zhì)條件，圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用 ?1200@1400鉆孔樁，雙排?800@600高壓旋噴樁止水帷幕，四道內(nèi)支撐，第一道為混凝土支撐，第二至第四道為鋼管支撐。支護(hù)斷面如圖2所示。根據(jù)場地相對位置關(guān)系，建立整體有限元模型進(jìn)行計算分析，如圖3所示。

圖2 既有橋墩處基坑圍護(hù)斷面圖（單位：mm）

圖3 基坑整體有限元分析模型圖

2 基坑開挖周邊變形規(guī)律

2.1 圍護(hù)樁變形

經(jīng)計算，圍護(hù)樁變形如圖4所示，隨工況變形曲線如圖5所示。最大變形8.93mm，最大位置位于樁頂以下9.2～10.7m，在坑底以上約1/5開挖深度位置。開挖至坑底時，受基坑底土層土拱效應(yīng)[5-6]及空間效應(yīng)的影響，較大的變形已經(jīng)在靠前的開挖步中完成了，挖坑底附近時對應(yīng)位置圍護(hù)樁的變形較前階段小，因此控制圍護(hù)樁變形時應(yīng)注意對于軟弱土層卸荷時圍護(hù)樁變形的控制，以及坑底以上3～6m的土層開挖圍護(hù)樁變形的控制。

圖4 圍護(hù)樁變形云圖

2.2 橋樁豎向變形

根據(jù)計算，橋樁最大豎向變形為1.35mm，發(fā)生在基坑開挖至坑底標(biāo)高時。在接下來的拆撐工況時，橋樁的豎向變形變化不大，基坑開挖卸荷引起周邊鄰近土體的擾動，產(chǎn)生地表沉降，從而使鄰近橋樁側(cè)摩阻力減小，進(jìn)而引起橋樁沉降。

圖5 圍護(hù)樁隨工況變形曲線圖

2.3 橋樁向基坑方向變形

橋樁在基坑開挖過程中受周邊土體擾動的影響，產(chǎn)生一定的彎曲變形，最大變形位置隨開挖深度的加深逐步往下移動。根據(jù)圖6橋樁彎曲變形的規(guī)律，橋樁為類懸臂樁變形模式，水平位移最大值出現(xiàn)在樁端。由于承臺與承載單樁樁頂剛接，承臺約束了樁頂?shù)膹澢冃危虼藰驑兜乃阶冃挝挥跇俄斠韵履骋簧疃取Ｊ芑娱_挖深度、地質(zhì)、樁身剛度、樁長等因素綜合影響，若為群樁基礎(chǔ)，受近基坑樁的遮擋作用，后樁的變形較前樁小。根據(jù)計算，橋樁隨基坑開挖工況的變形規(guī)律如圖6所示，樁頂最大水平位移4.2mm，樁身最大水平位移6.0mm，出現(xiàn)在基坑深度7.5～10.7m。因該基坑自地面以下2.5～8.5m為淤泥質(zhì)土，橋樁的最大變形位置與圍護(hù)樁基本協(xié)調(diào)一致，最大位移出現(xiàn)在基坑開挖至底部及拆撐工況。

圖6 既有橋墩樁基向基坑方向變形曲線圖

3 減小基坑對既有橋墩影響方案

3.1 從總體方案入手，盡量減小橋墩處基坑開挖深度

基坑開挖深度越淺，周邊變形越小。距離一環(huán)橋墩右側(cè)約85m處為一現(xiàn)狀河涌，隧道沿道路縱向相繼穿越一環(huán)左幅輔道、左右幅高架橋墩、右幅輔道、箱涵（河涌改造為箱涵布置于隧道結(jié)構(gòu)頂）后出地面。從總體布置方案出發(fā)，為減小在現(xiàn)狀橋墩處的基坑開挖深度，需減小隧道位于橋墩處暗埋段的覆土厚度，因此將隧道最低點(diǎn)設(shè)置在河涌中線處。為減小隧道總體長度及深度，將箱涵斷面加寬，凈高壓縮，采用四孔斷面滿足水利過水?dāng)嗝嬉蟆Ｋ淼蓝温肪€縱坡自左至右先以3.6%的坡度下穿一環(huán)輔道進(jìn)入暗埋段，坡長201m；后以2.0%的坡度到最低點(diǎn)（期間經(jīng)過橋墩），坡長201m；最后以4.5%的坡度出地面與路基段接順，坡長250m。此時隧道在現(xiàn)狀橋墩處最大開挖深度13.5m，總體最大開挖深度16m，位于改造河涌中線處。

3.2 合理增加基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度

該項目中因既有高架橋下凈空僅有6.5m，不滿足地下連續(xù)墻的施工空間要求，因此選用鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁的圍護(hù)止水方案，圍護(hù)樁徑?1200@1400mm。比選了樁徑 0.8m、1.0m、1.2m時的變形情況，結(jié)論為基坑變形降幅較為明顯，圍護(hù)樁徑每增加0.2m，樁身最大水平位移平均降幅為2.0mm，坑外地表土體最大沉降平均降幅為1.0mm；在樁徑從1.2m增加至1.5m時，圍護(hù)樁變形降幅較小，圍護(hù)樁最大水平位移降幅為0.8mm，坑外地表土體最大沉降降幅為0.4mm。因此一味增加基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度來控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形并非最經(jīng)濟(jì)合理方案，甚至造成支護(hù)浪費(fèi)，加大樁徑引起圍護(hù)樁及止水帷幕距離既有橋墩更近，圍護(hù)樁及止水帷幕施工時對橋墩產(chǎn)生的擾動更大，對橋墩甚至產(chǎn)生更加不利的影響。

3.3 做好止水設(shè)計，嚴(yán)格控制基坑內(nèi)外地下水土流失

基坑開挖屬于打破地層既有平衡的過程，基坑開挖不可避免伴隨著坑外水土流失。坑外土流失導(dǎo)致樁周土體變得松散，特別是近基坑側(cè)土體流失較遠(yuǎn)離基坑側(cè)多，土對樁的圍壓作用減小，樁身兩側(cè)受力不平衡導(dǎo)致樁身產(chǎn)生水平位移；坑外水位降低導(dǎo)致土層產(chǎn)生壓縮固結(jié)，對樁身產(chǎn)生負(fù)摩阻力，引起樁身軸力的增加，因此應(yīng)做好坑內(nèi)外地下水的止水設(shè)計。該工程坑底位于透水性土層中，設(shè)計采用注漿處理，改良土體減小其滲透性，防止坑底突涌；因圍護(hù)樁距離既有橋樁較近，坑外土層應(yīng)在施工圍護(hù)樁之前進(jìn)行加固，采用袖閥管注漿，樁周對稱注漿，并嚴(yán)格控制注漿配合比和注漿壓力，避免對地面及地層擾動過大。

3.4 合理設(shè)計基坑開挖方案

根據(jù)時空效應(yīng)的原理，合理開挖空間尺寸，做到分塊分層開挖，隨挖隨撐，并做好坑底排水，減小基坑暴露時間。該工程基坑開挖至第四道支撐底并施加支撐后，剩余的約3.0m開挖深度范圍內(nèi)按分塊開挖考慮，按圖7中W1～W4的四塊開挖考慮，基坑縱向上按圖8先施工左側(cè)橋墩處基坑Q1，再施工右側(cè)橋墩處Q2，后施工Q3、Q4。在施工過程中加強(qiáng)對橋墩處圍護(hù)樁變形、周邊地表沉降、橋墩承臺沉降及水平位移的監(jiān)測，實時反饋監(jiān)測結(jié)果，并做好應(yīng)急預(yù)案。

圖7 既有橋墩處基坑分塊開挖斷面圖（單位：mm）

4 結(jié)語

基坑施工安全及施工時保證鄰近既有橋墩安全是一項系統(tǒng)工程，設(shè)計和施工均至關(guān)重要。設(shè)計應(yīng)更具有前瞻性，能夠預(yù)見基坑施工過程中對既有橋樁變形影響的關(guān)鍵點(diǎn)，并采取行之有效的措施，將對周邊環(huán)境的影響降至最低。施工應(yīng)按設(shè)計要求施工，并做好應(yīng)急預(yù)案。本文通過研究基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)、鄰近橋墩的變形規(guī)律，進(jìn)而針對性地提出減小既有橋樁變形的方案，希望對離既有橋樁較近范圍內(nèi)的基坑設(shè)計及施工帶來一些啟發(fā)。

圖8 既有橋墩處基坑分塊開挖平面圖（單位：m）