基于橋樁保護的帶撐雙排樁基坑支護實例及有限元分析

熊一帆，劉廣新，杜 威，應宏偉

（1.河海大學巖土工程科學研究所，江蘇 南京 210098；2.浙江省鐵投建設工程有限公司，浙江 溫州 325000；3.杭州鐵路設計院有限責任公司，浙江 杭州 310016；4.浙江大學濱海和城市巖土工程研究中心，浙江 杭州 310058；5.浙江工業大學土木工程學院，浙江 杭州 310023）

0 引 言

隨著城市建設的快速發展，地上空間的開發和利用已漸漸不能滿足人們的需求，大量的深基坑工程應運而生。近年來，基坑工程的施工規模和難度逐漸增大，周邊環境也越來越復雜，這對變形的控制提出了更高的要求。Clough等[1]研究了采用錨桿和內支撐的基坑土方開挖引起的圍護結構變形的3種形式；劉興旺等[2]對15個基坑工程的監測數據進行了分析，得出了軟土地區圍護結構的最大側向變形一般在0.002～0.009倍開挖深度。基坑施工過程中，不僅需要關注圍護結構本身的變形，也需要關注基坑卸荷導致的周邊環境的變形。上世紀90年代初期，Finno等[3]首先提出觀點：深基坑的施工中，土方開挖卸荷易引起相鄰建（構）筑物樁基的較大位移，從而對建（構）筑物產生不利影響。Poulos等[4]、Chen 等[5]、杜金龍等[6]、木林隆等[7]利用離心機試驗及數值分析等方法對此問題進行了更深入的研究，得到了一些重要的結論。當基坑鄰近既有橋梁樁基對變形控制要求較高時，雙排樁門架式結構常被作為支護結構，并設置水平內支撐，研究雙排樁支護結構的具體參數對鄰近樁基的影響具有十分重要的工程意義。

本文以某下穿市域鐵路橋梁的市政道路箱涵基坑工程為研究對象，介紹了雙排樁結合兩道內支撐和坑內地基土加固的支護方案，對實測數據進行了分析，并采用有限元軟件建立了數值模型，分析研究了有無支撐、支撐間距及排樁間距等因素對圍護結構及橋樁變形的影響。

1 工程概況

1.1 基坑與軌道交通的相對關系

某城市新建道路下穿市域鐵路立交工程，采用四孔分離式框架箱涵，該基坑南北方向長40.7 m，東西方向寬36 m，其平面如圖1所示。基坑與已運營的市域鐵路橋梁斜交，夾角為 88?。基坑圍護結構外側與北承臺結構凈距為3 m，距橋墩8.6 m；與南承臺結構凈距僅為1.9 m，距橋墩7.5 m。

圖1 基坑平面示意圖Fig.1 Plane diagram of foundation pit

1.2 基坑支護方案

基坑剖面如圖2所示，開挖深度8.6 m，輔道箱涵底標高?1.575 m，輔道箱身高度7.45 m，主道箱涵底標高?3.308 m，主車道箱身高度7.25 m。基坑圍護結構采用直徑1.0 m、樁間距1.2 m的雙排門架式鉆孔灌注樁加兩道內支撐和兩道換撐形式，樁長32～36 m。第一道內支撐梁采用1.2×1.2 m鋼筋混凝土梁支撐，第二道內支撐及兩道換撐均采用Φ609×16 mm鋼管支撐，支撐水平間距4.0～6.0 m。受場地限制，雙排樁的排距為2.5 m，小于3～5d（d為圍護樁直徑）的常規排距，屬小排距雙排樁。

圖2 基坑剖面示意圖Fig.2 Section of foundation pit

1.3 土層條件

表1給出了包括加固土在內的土層力學參數，開挖影響深度范圍內為深厚淤泥，呈流塑，厚層狀，偶含貝殼碎屑、粉砂薄層及有機質，土質不均，局部為淤泥質黏土或淤泥質粉質黏土，有光澤，干強度高，韌性高，該層力學性質極差，滲透性能弱。因缺少相關資料，將全風化基巖等效為上層粉質黏土層進行建模。地下水埋藏較淺，滲透性能弱，接受大氣降水與地下徑流補給，以蒸發或向低洼處徑流為排泄方式，受季節氣候變化影響較大，穩定水位埋深0.30～3.50 m。

表1 土層力學參數Table 1 Soil mechanical parameters

1.4 施工工況

基坑的施工分為11個階段，具體工況見表2。

表2 施工工況Table 2 Construction conditions

2 二維數值分析

2.1 計算模型

為了研究基坑開挖對鄰近橋樁的影響，本文以圖2為基礎構建了二維有限元模型。為了減小邊界效應對最終計算結果的影響，本文模型水平寬度取90 m，豎向邊界則取至粉質黏土層底部。

HSS土體本構模型能夠合理模擬土體小應變下的剛度和土體非線性、硬化等特性，因此本文選取HSS本構模型進行計算，部分模型參數采用王衛東等[8]的建議，具體數值見表3。

表3 部分HSS模型參數Table 3 Partial HSS model parameters

HSS土體本構模型的強度參數為有效應力指標，具體取值如表1所示。土體的剛度系數關系則由王衛東等[8]的建議及工程經驗得到。土體剛度參數取值見表4，圍護樁、橋樁等結構參數見表5。

表4 HSS模型的剛度參數Table 4 Stiffness parameters of HSS model kN/m2

表5 結構參數Table 5 Structural parameters

模型的網格劃分精度為中等，共生成3 711個單元、31 291個節點，網格劃分如圖3所示，施工步則按照實際工況模擬。

圖3 網格劃分Fig.3 Mesh subdivision

2.2 結果分析

實際工程中基坑測斜管、橋樁沉降以及坑外土體沉降監測點如圖3所示。工況11中后排樁和橋樁的監測數據、有限元結果及其對比見圖4和表6，圖 4中位移為正代表排樁向坑內變形（下同）。值得說明的是，所有數據均取自工況 11拆除輔道換撐，此時箱涵及回填混凝土已有一定的強度，形成了完整的支護體系，這對于變形控制極為關鍵。從后排樁水平位移的實測曲線可以看出，圍護樁最大位移24.2 mm，最大變形出現在坑底以上2.6 m，小于預警值35 mm，說明基坑處于安全狀態。至于橋樁變形，表6中橋樁沉降的監測值為2.2 mm，小于預警值4 mm，說明橋樁處于安全狀態。經過對比，有限元計算得到的圍護結構側向位移曲線形狀與實測側向位移曲線基本吻合，橋樁沉降值與實測值吻合，驗證了數值模型和計算參數的合理性，為下文的研究奠定了堅實的基礎。

圖4 排樁水平位移對比Fig.4 Comparison of row piles horizontal displacement

表6 橋樁沉降對比Table 6 Comparison of bridge pile settlement

地表沉降也是基坑施工時需要關注的重點，由于地表沉降監測剖面與數值模型選取的剖面并不一致，因此不將二者進行比較而只分析實測數據。地表沉降的監測數據如圖5所示。拆除輔道換撐時，坑外最大沉降出現在了距離后排樁約4.5 m處，數值為 22.53 mm，說明基坑施工對周邊環境影響不大。

圖5 地表沉降實測結果Fig.5 Measured results of surface subsidence

3 影響因素分析

以上述模型作為參考算例，進一步研究有無支撐、支撐間距以及排樁間距對圍護結構及樁基變形的影響。

3.1 算例1（有無支撐的影響）

不激活參考算例中的第一道和第二道支撐作為算例1來計算。算例1與參考算例的后排樁水平位移比較見圖6，樁基沉降對比見表7。由圖6和表7可知，懸臂式支護結構使后排樁水平位移及墻后樁基沉降明顯增大，不利于基坑整體變形的控制。因此，在設計中合理地布置內支撐可以明顯改善基坑支護的效果。

圖6 有無支撐對排樁水平位移的影響Fig.6 Influence of support on horizontal displacement of row piles

表7 不同算例的沉降對比Table 7 Settlement comparison of different examples

3.2 算例2（支撐間距的影響）

將參考算例中的支撐及臨時換撐的間距從5.06 m增大到10.12 m作為算例2。算例2與參考算例的后排樁水平位移比較見圖 7，樁基沉降對比見表7。由圖7和表7可知，相對參考算例，算例2的后排樁水平位移和樁基沉降增大，增大支撐間距起到了與減小支撐剛度同樣的作用，即降低了帶撐雙排樁支護結構的整體剛度，對變形控制不利[9]。但在支撐間距成倍增加的情況下，變形變化量并不大。

圖7 支撐間距對排樁水平位移的影響Fig.7 Influence of support spacing on horizontal displacement of row piles

3.3 算例3（排距的影響）

基坑常規設計中，雙排樁排距可取2～5d。將參考算例中的排距從2.5d增大到3.75d和5d作為算例3-1和3-2。算例3-1和3-2與參考算例的后排樁水平位移比較見圖 8，樁基沉降對比見表 7。由圖8和表7可知，相對參考算例，算例3-1和3-2的后排樁水平位移以及樁基沉降減小，增大排距即增大雙排樁支護結構的整體剛度[10]，可以有效地降低帶撐雙排樁支護結構的水平位移和鄰近樁基的沉降。然而，在整體剛度增大的情況下，算例 3-1中的樁基沉降反而要小于算例 3-2，這是因為改變排距會改變后排樁到樁基的距離，使兩個算例中的樁基處在了沉降三角影響區的不同位置，進而導致最終沉降的差異。

圖8 排距對排樁水平位移的影響Fig.8 Influence of row spacing on horizontal displacement of row piles

4 結 論

（1）結合某下穿既有市域鐵路的箱涵基坑工程，分別對后排樁水平位移、橋樁沉降以及地表沉降進行分析。實測結果表明，后排樁水平位移、橋樁沉降以及地表沉降都小于預警值，證明該工程變形控制得較好，小排距帶撐雙排樁支護結構的支護效果較為明顯。

（2）對監測數據和有限元結果進行對比，驗證了該模型的合理性。改變支護結構參數并進行分析，發現排樁間距越大，帶撐雙排樁整體剛度就越大，對于圍護結構變形的控制效果就越好，但改變排距的同時會改變排樁與樁基的間距，進而影響最終沉降量的大小，所以一味地增大排距并不一定能保證鄰近樁基沉降的減小。