深基坑開挖對鄰近高架橋影響及變形控制

高 麗

(中鐵十八局集團市政工程有限公司，天津 300222)

在大量的城市基礎設施建設中，涌現了很多環境復雜的基坑工程項目，特別是在市區修建地鐵時，不可避免對臨近構筑物造成影響[1-3]，甚至有可能造成開裂及倒塌現象。位于市區深基坑施工時，需要考慮多方面因素影響，如地質條件、與構筑物距離、施工保護措施等。

對于基坑變形機理的研究，主要集中在變形特征和控制措施上。劉燕等[4]研究了基坑變形與樁長、基坑深度、支護樁間距的關系，從支護體系協同變形角度出發，推導了排樁變形的表達式。受軟弱土體橫向流動作用，韓愛民等[5]研究了軟土地區基坑開挖后群樁的相互作用，結果表明，受前后排樁基的影響，樁基內力會發生重分布。

基坑對臨近高架橋梁的影響已有學者做了大量研究：楊敏[6]通過數值軟件對基坑開挖與樁基相互作用進行了分析，結果表明，設置隔離樁可有效減小墻后土體側向位移，臨近樁基附加彎矩與開挖深度呈正相關，并作了參數化分析。杜金龍[7, 8]考慮了軟土的特性，研究了軟土地區基坑開挖對鄰近構筑物的影響，并推導了軟土的本構模型。章榮軍[9]以武漢地鐵2號線為依托，通過流固耦合模型研究了降水作用下樁基的變形，并比較了降水方案對樁基變形的影響。

有限單元法作為一種成熟的數值計算方法，可以用于大體量基坑開挖分析。本文以南京某地鐵基坑工程為依托，開展深基坑開挖對鄰近高架橋的影響研究。

1 工程概況

1.1 基坑支護方案

某車站基坑工程，基坑長195 m、標準段寬24 m、開挖深度22 m，采用明挖法施工。基坑支護結構采用地下連續墻+內支撐體系，地連墻厚度0.8 m，基坑共分6次開挖，開挖深度分別為3.0、3.9、5.0、3.6、3.5、3.0 m，最后一次開挖至坑底后澆筑底板。支護結構材料及尺寸見表1。

表1 支護結構類型及尺寸

1.2 橋梁概況

地鐵基坑下穿城市公路橋梁，下穿處為60 m跨度簡支鋼箱梁，橋墩基礎為樁基礎，樁長32 m，樁徑1.0 m，強度等級為C30。承臺面積為5.5 m×5.5 m，為四樁基礎。下穿處橋梁樁基距離基坑最近僅9.8 m，基坑施工對鄰近橋梁樁基影響較大。

1.3 工程地質條件

擬建車站場地處于長江階地地貌單元，場區土層分布為素填土、粉質粘土、強風化巖、中風化巖，土層物理性質描述見表2。車站底板坐落于風化巖上，場區穩定水位埋深1.50～3.80 m。

表2 土層物理性質描述

2 工程難點及解決方案

在深基坑工程方面，雖然國內外已積累了豐富的理論經驗，但其施工風險較大，工程難點較為突出。對于本項工程，地鐵基坑下穿城市公路橋梁，基坑深度較大，工程地質條件較差，局部存在深厚軟黏土，場地富含地下水及承壓水頭，地鐵深基坑距離高架橋樁基較近，僅9.8 m。高架橋現狀交通流量大，無法中斷交通。

為降低深基坑施工對鄰近高架橋的影響，在前期專家論證基礎上，擬在地鐵深基坑與樁基之間設置一排隔離樁。隔離樁采用?1 000 mm鉆孔咬合樁或水泥土攪拌樁，深度穿過黏性土層進入強風化巖，至坑底位置，兼起止水作用，以降低基坑降水對鄰近橋樁的影響。下穿處結構、位置情況見圖1。

3 計算模型

3.1 模型建立

為簡化分析，建立橋樁—深基坑耦合模型。針對該工程設計方案，所建立三維實體計算模型的總長330 m，寬度為165 m，土層厚度取為65 m；土體采用四節點/八節點實體混合單元網格，模型底面設

圖1 下穿橋梁基坑結構(單位：mm)

置豎向約束，側面設置水平約束；水位埋深按-3.0 m考慮，水壓力以節點水頭荷載施加，由于基坑周邊荷載較小，按無超載考慮。三維有限元模型見圖2。

圖2 三維數值模型

3.2 參數選取

根據地勘報告相關資料，采用修正M—C模型，該模型考慮了土體的雙硬化準則，對大體量的基坑開挖較為適用。

表3 土體計算參數

地連墻嵌固深度為10 m，用板單元模擬；隔離樁等效厚度為0.8 m，按板單元考慮；支撐及圍檁用梁單元模擬，支護結構參數見表4。

3.3 計算工況

實際工程中，先施工地連墻，達到設計強度后進行基坑開挖，模擬具體施工工序見表5。

表4 支護結構計算參數

表5 開挖工況模擬

4 計算結果與分析

4.1 橋樁水平位移

考慮到對樁基的影響及抗裂性，結合相關文獻及專家論證，取水平位移控制值為15 mm。為研究基坑開挖對鄰近樁基水平變位的影響，圖3給出了基坑開挖過程中橋樁的水平位移沿深度變化曲線。

圖3 鄰近橋樁變形曲線

由圖3計算結果可知：

(1)基坑開挖過程中，由于側向土體的應力釋放效應，導致鄰近樁基受土壓力水平推力作用而發生變位，其變形特征為“樁頂大，樁底小”，隨深度增加而減小，呈拋物線形變化特征。

(2)隨著開挖深度增加，鄰近橋樁水平位移不斷增大，其最大值出現在開挖完成后，數值為10.6 mm；工況7、工況8施工時，開挖已進入強風化泥巖，樁基變形增幅不大。

4.2 橋樁彎矩計算

基坑開挖過程中，支護結構變形進而導致鄰近樁基受力狀態會發生改變。圖4給出工況3和工況8橋樁的彎矩云圖，圖5給出了基坑開挖過程中橋樁彎矩隨深度的變化曲線。

圖4 鄰近橋樁彎矩云圖

圖5 鄰近橋樁彎矩隨深度變化曲線

從圖4(a)計算結果可以看出，第一次開挖完成后，由于開挖深度淺，土壓力側向推力作用小，樁基彎矩較小，且存在多個反彎點。圖4(b)為開挖完成后的樁基彎矩云圖，其彎矩值較大，且僅有一個反彎點，反彎點位置靠近樁基下部位置，其反映的是土壓力強度的變化。

從圖5可以看出，隨著開挖深度增加，橋樁彎矩增大，樁基彎矩最大值為260 kN·m，靠近樁底附近。受中風化及強風化泥巖影響，在最后兩個工況下，橋樁彎矩增幅不大，相較于工況7，樁基彎矩最大值僅增加了3.2%。

4.3 隔離樁效果驗證

由于橋梁樁端已進入風化巖層，基坑開挖過程對其豎向承載力影響不大。以實測深層土體水平位移反映樁基變形。為驗證隔離樁效果，建立了兩個有無隔離樁工況，并與實測值比較。圖6給出了兩不同工況下橋樁變形及彎矩變化曲線。

從圖6中可以看出，對于無硬隔離工況，橋樁水平位移最大值為16.2 mm，有隔離樁情況下橋樁水平位移最大為10.6 mm，減小了34%，且模擬值與實測結果較為接近。

兩種工況下橋樁最大彎矩分別為335 kN·m、260 kN·m，相對于無隔離情況，其彎矩值減小了22.4%。可以看出，隔離樁可有效減少土體橫向水平推力，從而減小橋樁的水平位移及附加彎矩。

4.4 降水對橋樁影響分析

基坑降水時，由于坑內水位降低過快，在止水帷幕周圍會形成“降水漏斗”[10]。基坑降水對鄰近構筑物影響主要體現在兩個方面：①隨著坑內水位的降低，基坑內外形成壓力差，導致側向作用力增大；②降水井周圍發生滲流作用，在滲流力影響下，土體將沿著滲流的方向(即指向基坑的位置)發生運動。圖7給出了第1～4次降水前后橋樁水平位移變化曲線。

圖6 不同工況下橋樁變形及彎矩 圖7 降水影響下樁基變形曲線

由圖7可知，降水對鄰近橋樁的水平位移影響較大。第2次降水高差為5 m，降水前水平位移最大值為4.0 mm，降水后水平位移最大值為6.3 mm，增幅較大。由此可見，在滲流力和壓力差作用下，基坑降水會顯著增大樁基水平位移。

降水引起的滲流力，可以由下式計算：

J=γwi

(1)

式中：γw為水的重度；i為水力梯度。可見滲流力的大小與水頭差和滲透路徑有很大關系。

4.5 樁基水平承載力驗算

基坑開挖過程中，由于應力釋放，橋樁受橫向水平推力作用，需要對其水平承載力進行驗算，可按式(2)計算：

(2)

(3)

式中：Rha為樁水平承載力特征值；α為水平變形系數；m為土水平抗力系數的比例系數；EI為樁的抗彎剛度；b0為樁計算寬度；vx為樁頂水平位移系數；xa為樁頂水平位移。

m按經驗取15 MN/m4，樁頂按鉸接考慮，xa可按實測值計算。代入數據計算得：α=0.45，Rha=493.9 kN。

依據有限元計算結果，橋樁在基坑開挖過程中受到的最大橫向水平力為124.6 kN，水平承載力允許值大于橋樁實際受到的橫向水平力，橋樁水平承載力滿足要求。

5 結論

(1)深基坑開挖對鄰近構筑物影響較大，由于應力釋放，會增大橋樁的水平位移，導致附加彎矩產生，開挖后最大水平位移為10.6 mm。

(2)隔離樁對降低樁基水平位移和附加彎矩有顯著效果，相對于無硬隔離工況，隔離樁可使彎矩減小22.4%。實際施工過程中，可進行隔離樁厚度、隔離樁長度、空間位置等方面參數優化。

(3)基坑降水對鄰近構筑物有顯著影響，會顯著增大樁基水平位移。

(4)依據計算和實測結果，設計方案可行，橋樁最大水平承載力為493.9 kN，滿足水平承載力要求。