綜合管廊深基坑施工對鄰近橋梁的影響

徐建寧

(中鐵一局集團廈門建設工程有限公司，廈門 361000)

為提高城市綜合承載能力，中國許多城市陸續規劃修建地下綜合管廊，用于鋪設城市市政公用管線。地下綜合管廊施工方法形式多樣，主要有明挖法和暗挖法，其中明挖是較常采用的施工方法。因城市地下綜合管廊線路較長，開挖時常會遇到各種復雜的施工條件，諸如臨近既有橋梁、高邊坡或其它構(建)筑物等情況[1]。當基坑一側鄰近既有橋梁時，土體側移以及沉降會對鄰近橋梁樁基造成不利影響，甚至威脅既有橋梁的運營安全[2-3]。由于中國地下綜合管廊建設起步較晚，相關方面的課題研究成果較少，但在工民建和地鐵車站等方面，中外已有部分學者進行了研究。王恒等[4]結合廈門市某水閘深基坑工程，通過數值模擬研究鄰近的橋梁樁基受基坑開挖的響應情況，并提出相應的加固措施；汪智慧[5]以某地鐵車站深基坑工程為例，借助ABAQUS軟件模擬分析基坑開挖對坑外鄰近橋樁的內力變化；魏麗敏等[6]通過現場原型試驗結合有限元法，研究深厚軟土地區無支護開挖對鄰近橋梁樁基身變形與內力的影響規律；李兵等[7]依托沈陽市某地鐵站深基坑工程，通過數值模擬基坑支護體系-土體-高架橋共同作用模型，結合實測數據，研究基坑開挖對橋樁基的影響；張驍等[8]依托某地鐵高架線路上鄰近的基坑工程，采用有限元法研究基坑開挖對鄰近橋樁變形的影響分區。如何應用有限元軟件分析基坑開挖的空間效應對鄰近橋樁的影響，對實際工程意義重大[9-10]。盡管關于鄰近橋梁深基坑的相關研究報道不少，但與工民建基坑不同，綜合管廊開挖的基坑形式往往表現為“狹長”，基坑左右兩側的支擋結構無法四面閉合，易受到兩側土壓力不平衡的作用而影響基坑穩定性[11]。

基于此，依托平潭綜合管廊深基坑工程，采用有限元的方法模擬計算管廊基坑支護結構的受力變化以及鄰近橋梁的響應情況，結合對基坑的現場實測數據，分析基坑的安全穩定性，確保鄰近橋梁運營的安全，總結出對鄰近橋梁的綜合管廊深基坑支護設計及施工具有參考價值的結論。

1 工程概況

1.1 工程簡介

平潭綜合實驗區地下管廊干線工程中“壇西大道南段”總長約6.995 km，里程號為GK0+00～GK6+980；選取GK2+180～GK2+460(280 m)區間作為研究段，基坑寬度為12.15 m，開挖深度為8.0 m，該區間的管廊深基坑鄰近橋梁橋臺，且與橋梁平行，橋路過渡段的路堤擋墻距離基坑最小約3 m。

圖2 基坑支護結構剖面Fig.2 Cross section map of foundation pit supporting structure

1.2 鄰近橋梁結構

橋梁上部為三跨預應力混凝土箱梁，單箱三室結構，下部結構為直徑1.5 m鉆孔灌注樁；橋臺采用重力式U形橋臺，方形鋼筋混凝土承臺，主墩采用雙柱式花瓶墩；橋路過渡段路堤兩側采用重力式混凝土擋墻支護，橋臺設置漿砌錐坡。

1.3 工程地質與水文地質概況

根據地質補勘揭示(圖 1)可以看出，該區間段管廊基坑范圍主要地層為素填土、砂土狀強風化巖和碎塊狀強風化巖。素填土主要為筑路回填土，填筑時間為1～3 a，未完成自重固結，力學強度低；砂土狀強風化巖風化強烈，大部分風化成土狀，巖芯手捏易散，遇水軟化崩解；碎塊狀強風化巖的巖芯呈碎塊狀，錘擊易碎，塊徑為5～10 m。

該區段內地下水類型主要賦存和運移于素填土和砂土狀強風化巖的孔隙、網狀裂隙和下部風化基巖的裂隙中，地下水類型均為潛水，水位埋深約為0.8～1.5 m。

圖1 工程地質剖面Fig.1 Engineering geological profile

1.4 基坑支護設計

該管廊基坑支護鄰橋梁側采用φ800@1 200的灌注樁+1道預應力錨桿支護，另一側采用1∶1放坡開挖。坡面設60 mm厚噴射混凝土護面；灌注樁長12.1 m，深入坑底以下約6 m，嵌入風化巖約5 m；圍護樁內側掛φ8@200×200鋼筋網，并噴射厚100 mm的C20混凝土；在圍護樁頂部設置1 000 mm×800 mm鋼筋混凝土冠梁，穿過冠梁設置一道φT25@2 400的預應力錨桿，傾角30°，錨固段長10.5 m，自由段6.5 m，鉆孔直徑為150 mm，抗拔力設計值為220 kN。基坑支護結構剖面如圖2所示。

2 數值模擬

深基坑是一個復雜的三維空間結構，相關研究表明，深基坑存在著空間效應。因此，采用有限元法綜合考慮深基坑的三維空間效應，計算模擬管廊基坑-橋梁相互作用情況。

2.1 有限元模型設計

采用PLAXIS 3D巖土有限元數值分析平臺構建鄰近橋梁管廊基坑開挖支護三維有限元模型，如圖 3所示。考慮橋臺荷載及放坡開挖的影響，沿基坑橫剖面方向模型總長取為基坑開挖深度的10倍左右，沿基坑縱剖面方向考慮橋臺影響及錨桿間距取為54 m，坑底以下土體深度取基坑開挖深度的2倍，于是，模型總尺寸為基坑橫向(y)×基坑縱向(x)×基坑深度方向(z)=80 m×54 m×25 m。

模型的邊界條件為四周法向約束，底部固定約束，頂面為地表面，布設約束。土體網格劃分采用10節點高階四面體單元，共劃分43 889個單元，68 324個節點。材料本構模型根據土體性質和深度的不同，采用不同的本構。表層素填土和底部碎塊狀強風化巖采用理想彈塑性(mohr-coulomb，MC)模型，砂土狀強風化層采用小應變土體硬化(hardening soil-small，HSS)模型。

圖3 基坑開挖支護三維數值模型Fig.3 Three-dimensional numerical model for excavation and support of foundation pit

根據各土層物理參數綜合地勘報告及地區經驗得出巖土體物理力學參數，如表1所示，參數包括重度γ、楊氏模量E、泊松比μ、黏聚力c、內摩擦角φ。圍護樁、重力式擋墻、放坡噴混護面以及管廊結構均采用板單元模擬。橋臺基樁以及預應力錨桿錨固段采用embedded beam單元模擬，錨桿自由段采用點對點錨桿單元模擬。結構的力學特性均按線彈性材料考慮。基坑支護結構物理力學參數如表2所示。

表1 巖土體物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil

注：(*)表示砂土狀強風化巖模量數據依次為固結儀模量Eoed、割線模量E50、回彈模量Eur及小應變剛度G0和γ0.7。

表2 結構物理力學參數Table 2 Structural physical and mechanical parameters

2.2 計算工況

按照施工過程依次模擬分析，計算工況步驟如下：

(1)初始地應力平衡，記作CS0。

(2)模擬橋臺施工并施加相應荷載，記作CS1。

(3)開挖管廊基坑至-3.0 m，緊鄰橋梁側施工支護樁及預應力錨桿，另一側放坡，記作CS2。

(4)繼續開挖至-8.0 m，記作CS3。

(5)施工管廊并回填至-3.0 m，記作CS4。

(6)繼續回填至地表0.0 m，記作CS5。

3 結果分析

3.1 鄰橋臺側坑外土體水平位移分析

綜合管廊基坑開挖、管廊結構安裝以及回填施工過程中，鄰近橋臺側坑外土體的水平位移極值如表3所示。

表3 墻后土體水平位移極值Table 3 Extremum of horizontal displacement of soil behind walls

由表3可知，在整個施工過程中，鄰橋臺側坑外土體水平位移極值出現在CS4階段，即“施工管廊并回填至-3.0 m”，最大值為-6.04 mm。

隨管廊施工過程的鄰橋臺側坑外土體水平位移分布如圖4所示。

圖4 鄰橋臺側坑外土體水平位移云圖Fig.4 Horizontal displacement nephogram of soil outside side pit of adjacent abutment

從圖4可以看出，隨基坑開挖深度增大，坑外土體水平位移逐漸增加；當管廊施工完畢，回填至原地表標高時，坑外土體水平位移略有減小；橋臺側坑外土體水平位移極值出現在基坑開挖深度范圍內的中上部。

3.2 鄰橋臺側圍護墻深層水平位移分析

基坑鄰近橋臺側圍護墻在施工各個階段對應的水平位移極值如表4所示。施工管廊并回填至-3.0 m時(CS4)，圍護墻水平位移分布如圖 5所示。

表4 圍護墻最大水平位移Table 4 Maximum horizontal displacement of retaining wall

圖5 施工管廊并回填至-3.0 m時圍護墻水平位移Fig.5 Horizontal displacement of retaining wall when construction pipe corridor is backfilled to -3.0 m

由表 4和圖 5可知，圍護墻側移極值隨基坑開挖深度增大而增大；同坑外土體水平位移一樣，在管廊安裝完畢并回填至-3 m時圍護墻水平位移最大，為-6.07 mm；圍護墻的側移極值也出現在基坑開挖深度中上部。

3.3 橋臺基樁位移分析

3.3.1 橋臺基樁水平位移分析

橋臺基樁在施工各個階段對應的水平位移極值如表5所示。回填至地表0.0 m時(CS5)，橋臺基樁水平位移分布如圖 6所示。

表5 橋臺基樁水平位移極值Table 5 Extreme horizontal displacement of abutment foundation pile

從表5和圖6可以看出，基樁水平位移在基坑回填至地表時(CS5)達到最大值，為-2.32 mm，水平位移方向指向基坑內部。

3.3.2 橋臺基樁豎向位移分析

橋臺基樁在施工各個階段對應的豎向位移極值如表6所示。開挖至-8.0 m時(CS3)，橋臺基樁豎向位移分布如圖7所示，分布圖在樁單元右側(藍色)表示上浮，分布圖在樁單元左側(紅色)表示下沉。

圖6 橋臺基樁水平位移分布(CS5)Fig.6 Horizontal displacement distribution of abutment foundation pile(CS5)

表6 橋臺基樁豎向位移極值Table 6 Vertical displacement extreme value of abutment foundation pile

圖7 橋臺基樁豎向位移分布(CS3)Fig.7 Distribution of vertical displacement of abutment foundation pile(CS3)

由表6和圖7可知，基樁豎向位移在CS2～CS4施工階段表現為上浮，上浮量在CS3階段達到最大，最大值為1.68 mm；在基坑回填到地表后(CS5)，基樁豎向位移表現為下沉，最大沉降量為-0.74 mm。

3.4 橋臺位移分析

3.4.1 橋臺水平位移分析

橋臺在施工各個階段對應的水平位移極值如表7所示。回填至地表0.0 m時(CS5)，橋臺水平位移分布如圖 8所示。

表7 橋臺水平位移極值Table 7 Extremum of horizontal displacement of abutment

圖8 橋臺水平位移分布(CS5)Fig.8 Horizontal displacement distribution of abutment (CS5)

通過表7和圖8可以發現，隨著基坑的開挖，管廊施工和回填，橋臺水平位移逐漸增大，側移極值為-3.94 mm，出現在CS5施工階段，即回填至地表0.0 m；橋臺的水平位移分布云圖主要呈現出鄰近基坑側位移值大于遠離側，且位移方向表現為朝坑內。

3.4.2 橋臺豎向位移分析

橋臺在施工各個階段對應的豎向位移極值如表8所示。回填至地表0.0 m時(CS5)，橋臺豎向位移分布如圖9所示。

表8 橋臺豎向位移極值Table 8 Vertical displacement extreme value of abutment

圖9 橋臺豎向位移分布(CS5)Fig.9 Vertical displacement distribution of abutment (CS5)

從表8和圖9可知，橋臺在管廊基坑開挖到底時，還處于上浮狀態，隨著管廊施工和基坑回填，橋臺逐漸下沉，并于回填至地表時達到最大值，最大值為-4.04 mm。

綜上，橋臺和橋臺基樁水平位移在施工階段CS5即最終施工階段達到最大，橋臺基樁和橋臺豎向位移分別在CS3和CS5達到向上和向下的豎向位移最大值。

3.5 圍護樁長變化對鄰近橋梁的影響

考慮圍護樁樁長在[-1，+3]區間變化的情況下，圍護墻、橋臺基樁和橋臺水平位移以及橋臺基樁和橋臺豎向位移最大值如表9所示。取各施工階段中的位移最大值進行比較，繪制出橋臺水平位移和豎向位移隨圍護樁長的變化曲線，如圖10和圖11所示。表和圖中數值正負規定為：水平位移指向基坑方向為“-”，豎向位移向上為“+”，向下為“-”。

圖10 橋臺水平位移隨圍護樁長變化曲線Fig.10 Curve of horizontal displacement of bridge abutment with the length of enclosure pile

圖11 橋臺豎向位移隨圍護樁長變化曲線Fig.11 Curve of vertical displacement of bridge abutment with the length of enclosure pile

從表9、圖10和圖11可以看出：①圍護樁長度增加1 m，對橋臺、橋樁及圍護墻的水平位移和豎向位移影響很小。以橋樁水平位移為例，原圍護樁長12.1 m時橋樁向基坑方向水平位移-2.32 mm，圍護樁長增至13.1 m時，橋樁向基坑方向水平位移降至-2.28 mm，即圍護樁長增加1 m時鄰近橋樁水平位移僅減小1.7%，這說明原本圍護樁的嵌固深度是足夠的，繼續增加樁長對鄰近橋梁的位移限制作用很有限。②從樁長12.1 m分別減短至11.1、10.1和9.1 m，圍護樁自身水平位移從樁長12.1 m時的-6.03 mm增至樁長9.1 m時的-6.70 mm，3種變化圍護樁長下鄰近橋樁最大水平位移分別增至-2.42、-2.54和-2.75 mm，相比初始圍護樁長時，橋樁水平位移增幅分別為4.3%、9.5%和18.5%。圍護樁長減小時，橋臺水平位移從原樁長12.1 m時對應的-3.88 mm增至樁長9.1 m時的-4.58 mm，增幅18.0%，橋臺豎向位移則從原來的1.69 mm/-3.99 mm增至1.78 mm/-4.68 mm，增幅約為5.3%/17.3%。③總體來說，無論如何變化樁長，引起橋臺和橋樁的位移變化不顯著，由此可以推斷，鄰近管廊基坑的開挖對橋梁影響不大。

4 現場監測數據分析

為觀察管廊深基坑開挖過程中圍護結構及橋面的變形情況，選取里程號為GK2+400～GK2+440區間段的圍護樁深層水平位移、橋臺水平位移和豎向位移3項監測數據結果進行分析，測點平面布置如圖12所示。

圖12 監測平面Fig.12 Monitoring plan

表9 圍護樁長變化對鄰近橋梁的影響Table 9 Influence of length change of supporting pile on adjacent bridges

4.1 圍護樁深層水平位移數據分析

監測點CX1的圍護樁深層水平位移監測曲線(以向坑內移動為正)如圖 13所示。

圖 13 圍護樁深層水平位移監測曲線Fig.13 Monitoring curve of deep horizontal displacement of retaining pile

從圖13可知，樁體位移監測曲線表現出隨著基坑開挖深度增大，樁身位移增大的特點，在開挖后期以及回填階段呈現出的側移形態主要表現為近似“△”，最大值大多分布在基坑開挖深度中上部，出現于樁身的-4～-6 m，累計最大值為7.0 mm，與數值模擬計算結果相近，發生時間于施工管廊并回填至-3.0 m。

4.2 橋臺水平位移數據分析

監測點SP1～SP4的橋臺水平位移監測曲線(以向坑內移動為正)如圖 14所示。

圖14 橋臺水平位移監測曲線Fig.14 Horizontal displacement monitoring curve of abutment

由圖14可以看出，橋臺四周4個測點的水平位移時態曲線有著相同的變化規律。管廊基坑初步開挖時樁頂水平方向位移很小，趨于0；開挖深度3 m至回填過程，橋臺朝坑內側移趨勢明顯，待回填至地表后，橋臺位移于水平方向趨于收斂。SP1(東南側)的橋臺側移量最大，累計變化值為4.3 mm，SP4(西北側)最小，累計變化最大值僅2.1 mm。

4.3 橋臺豎向位移數據分析

監測點SX1～SX4的橋臺豎向位移監測曲線如圖 15所示。

圖15 橋臺豎向位移監測曲線Fig.15 Vertical displacement monitoring curve of abutment

通過圖15可以看出，橋臺南側(SX1和SX2)在管廊基坑開挖初期至開挖到底期間，橋臺發生緩慢上浮，在管廊施工完畢至回填過程中，橋臺快速下沉，在回填至地表后，橋臺的豎向位移隨即趨于穩定；橋臺北側的SX3和SX4測點則在-0.4 m上下來回擺動，待回填工程完畢趨于穩定。由此可見，相較于橋臺南側，橋臺北側受管廊基坑施工的影響可忽略不計。橋臺豎向位移累計最大值為-4.6 mm，與計算結果4.0 mm接近，出現在測點SX1(橋臺東南側)上。從監測數據可知，管廊基坑施工過程未導致橋臺的顯著沉降，總體上橋臺于豎直方向變化處于穩定狀態。

5 結論

針對平潭某區間段地下綜合管廊深基坑施工對鄰近橋梁的影響規律展開研究。通過建立三維數值模型，計算分析不同開挖及施工階段坑外土體和圍護墻側移、橋臺基樁及橋臺位移的變化規律，并結合監測數據分析，主要得到以下結論。

(1)由于鄰近橋臺的影響，基坑外側地層變形及圍護墻側移具有明顯的三維分布特征，在橋臺影響范圍內，地層變形和圍護墻側移明顯高于其他部位。

(2)管廊基坑明挖施工，會對鄰近橋臺及其樁基產生一定量的附加位移，橋臺及其樁基的位移分布顯示其越靠近基坑附加位移越大。在特定工程方案條件下，基坑施工引起的橋臺最大水平位移和沉降均為4 mm左右，且均發生于基坑回填完畢后。橋樁側移量在基坑回填完畢后也達到最大，為-2.32 mm(指向基坑內)，其豎向位移在基坑開挖到底時達到最大，為1.68 mm(上浮)。

(3)鄰近橋臺及其樁基位移隨基坑圍護樁樁長變化而有所變化，總體上是鄰近橋臺及其樁基位移隨基坑圍護樁樁長減小而增大，隨圍護樁長增加而減小。當圍護樁長增加1 m，橋臺樁基側移量僅減小1.7%，表明原圍護樁嵌固深度足夠，增大樁長對鄰近橋臺的變形限制作用很有限。當圍護樁長從12 m逐漸減小至9 m時，橋臺及其樁基的水平位移分別增加18%和18.5%，不過其水平位移總量仍然較小，分別為-4.58 mm和-2.75 mm。橋臺豎向位移隨圍護樁長的變化規律與其水平位移變化規律類似，最大上浮及沉降量分別為1.79 mm和-4.68 mm。總體來說，管廊基坑開挖對鄰近橋梁引起的位移變化不大。

(4)監測數據表明，管廊基坑圍護樁深層水平位移形態主要呈近似“△”，最大位移出現在基坑開挖深度中上部，累計最大值為7.0 mm；橋臺豎向位移累計最大值為-4.6 mm；橋臺水平位移隨基坑開挖-管廊施工-回填過程逐漸增大，最大值為4.3 mm。總體上，監測數據與數值模擬計算結果相近，數值模型可靠；管廊基坑施工過程也未導致橋臺出現顯著變形，可見管廊基坑處于安全穩定狀態，鄰近的既有橋梁運營安全。