地鐵基坑開挖對既有高架橋樁影響分析

王焰華，王 鵬

（天津市政工程設計研究總院有限公司，天津300392）

隨著城市建設的快速發展，軌道交通項目沿線周邊環境日趨復雜，在緊鄰城市高架橋附近建設地鐵車站，如何既保證地鐵基坑施工安全，又使城市高架橋變形控制在允許范圍內是需要重點研究的問題［1］。本文結合大連地區巖石地層地鐵基坑鄰近高架橋樁情況，分析基坑施工與橋樁變形規律，提出針對性處理措施，保證基坑施工及高架橋安全。

1 工程概況

大連某地鐵車站為地下雙層分離島式，高架橋位于路中，與車站方向平行，左右線主體結構分別位于道路兩側，中間采用通道相連。車站所處地層小里程端上部為素填土及全風化輝綠巖，下部為中風化輝綠巖；大里程端上部為素填土、全風化鈣質板巖、強風化鈣質板巖，下部為中風化鈣質板巖。場地地下水以基巖裂隙水為主，坑內明排處理［2］。

車站左右線主體結構基坑采用明挖圍護樁加內支撐的支護形式，深20.5～22 m，橋樁與主體結構圍護樁凈距1.55 m。受高架橋底凈空影響，圍護樁采用人工挖孔方式施工。見圖1。

圖1 車站主體結構橫剖面

高架橋為三跨連續箱梁結構，一柱一樁，樁基為直徑2.5 m的嵌巖樁，樁底嵌入中風化鈣質板巖2 m，樁底標高隨基巖面起伏變化。為明確地鐵基坑施工對高架橋造成變形影響限值，對橋梁進行安全評估［3］，地鐵施工影響下高架橋順橋向和相鄰橋墩之間單墩差異沉降限值為3 mm。

2 地鐵開挖風險點及應對措施

高架橋樁大部分樁底位于基坑底部以上，開挖勢必影響周圍土體及橋樁，從而對高架橋安全造成影響；同時，高架橋樁傳遞給基坑的附加荷載也將給基坑安全帶來不利影響。

高架橋墩與橋面結構間設置橡膠支座，橋墩傾斜對橋梁安全影響相對較小，橋墩豎向沉降對橋面結構影響較大，因此將減小橋墩的豎向沉降作為主要控制目標。針對高架橋風險源，結合評估報告相關建議，采取如下加強措施：將基坑第一道支撐設置為混凝土支撐，增強基坑整體性；在普通段基坑支護設計基礎上，對橋樁附近支護參數進行加強，在橋樁底附近增設一道鋼支撐并加密支撐間距，同時加大圍護結構配筋；兩個分離島基坑采取分層對稱開挖，控制橋樁差異沉降；基坑施工期間控制爆破，減小爆破振動對橋梁的不利影響；加強對基坑及橋樁的變形監測。

3 基坑開挖對高架橋樁影響分析

3.1 模型建立

分別選取橋樁對應的主體圍護結構橫剖面進行數值分析，如實輸入其對應位置的橋樁及地質情況。

中風化鈣質板巖層采用德魯克-普拉格（D-P）準則，素填土、強風化鈣質板巖采用摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）破壞準則。隧道圍巖按均質巖土材料考慮，支護結構按彈性材料考慮，采用梁單元模擬圍護灌注樁、橋樁、箱體、混凝土支撐及鋼支撐結構，底板、混凝土支撐、鋼支撐及箱體都采用線彈性模型。鋼支撐兩邊鉸接采用釋放梁端約束來實現。

模型尺寸135 m×35 m，有限元模型的邊界條件：上部地表為自由邊界，沿x軸方向兩個側面約束模型的水平方向位移，底邊界約束模型的豎向位移。初始應力場按自重應力場考慮。基本可變荷載主要為地面超載，取20 kN/m2。考慮高架橋橋面汽車荷載并將高架橋傳來荷載作為集中荷載作用在橋樁上。

3.2 計算結果

橋樁的最大豎向沉降為4.91 mm，相鄰橋樁最大差異沉降值3.09 mm。橋樁樁底越深，基坑開挖過程帶來的橋樁變形值越小。見圖2。

圖2 橋樁豎向位移

發生最大豎向沉降量的橋樁底最淺，該處兩側基坑同時開挖時，橋樁樁底豎向沉降在開挖完第四層土時（約為橋樁底荷載擴散至基坑處深度）達到2.2 mm，為總沉降量的44%；開挖至基坑底部時樁底豎向沉降達到3.4 mm，為總沉降量的69%；進行拆撐、換撐施作完中板及中板以下側墻后，樁底的沉降達到約4.1 mm，為總沉降量的84%；施工完成后最終沉降值達到4.9 mm。

部分橋樁單根計算沉降量大于橋樁差異沉降限值，施工中需進行過程控制，采用左右線基坑分層對稱開挖，減小施工中橋樁差異沉降值。計算差異沉降最大值超過單墩允許差異沉降限制（3 mm）3%，基本能滿足橋梁安全需要。

4 施工過程中橋樁變形監測

為加快施工進度，在中風化巖層挖孔時采用了爆破作業。基坑圍護樁施工完成，尚未進行土方開挖時，監測顯示部分橋墩的最大沉降量已達到或接近3 mm。

基坑開挖到樁底前，橋樁沉降變形極小；開挖樁底至基坑底部分基坑時，樁底變形逐漸加大，變化趨勢與理論計算一致，但該階段發生的變形值整體低于理論計算值。

監測結果顯示，橋樁最小沉降值3.8 mm，發生于樁底最深處樁基；最大沉降值6.7 mm，發生于樁底最淺處樁基。橋樁沉降規律與理論計算變化趨勢一致，即橋樁樁底越深，橋樁變形值越小。

橋樁的最大沉降量6.7 mm大于理論計算值4.9 mm，相鄰橋樁最大差異沉降量2.9 mm，差異沉降量滿足橋梁安全要求。

5 結論及建議

1）鄰近高架橋的地鐵明挖基坑在施工中采取針對性的處理措施，可以保證高架橋及地鐵基坑的安全。

2）對樁底標高位于基坑底部以上的端承樁，基坑開挖對橋樁的變形主要集中于基坑開挖至樁底附近及以下區段，在基坑內針對樁底及以下部分采取加強內支撐的方式減小橋樁豎向沉降措施是可行的。

3）為保證高架橋安全，需重點控制橋墩差異沉降值，兩側基坑需采取分層對稱開挖的處理措施，否則施工過程中，差異沉降值存在超限可能。

4）鑒于圍護樁成樁過程中樁基發生較大沉降問題，初步判斷可能是成樁過程中爆破對樁底基巖帶來損傷，地層內力重新分布造成。建議在鄰近橋樁處進行巖石地層開挖時，盡量避免爆破作業，減小因地層振動給樁基造成不利影響。