低矮凈空下軟土基坑施工對橋梁基礎變形影響分析

毛祖夏 李佳明 楊蘭強

1.寧波市鄞城集團有限責任公司 浙江 寧波 315010

2.寧波市城建設計研究院有限公司 浙江 寧波 315010

1 引言

隨著地下空間開發進一步發展，經常面臨低凈空建（構）筑物下方施工深基坑問題。針對低凈空下深基坑問題，需解決2個問題：即低凈空下圍護樁施工可行性和基坑開挖對鄰近建（構）筑物安全保護問題。

國內關于低凈空下基坑施工有一定報道但為數不多。如蘇建峰[1]在凈高只有6.9m條件下采用高壓旋噴樁進行圍護。張世宏[2]采用MJS工法樁對凈高只有4.8m情況下完成高架下穿基坑圍護。

在低凈空條件下，既要保證圍護樁順利實施，又要確保橋梁安全，開挖U型槽基坑顯得困難重重、風險性較大。故借助工程案例，采用三維有限元方法進行分析，研究軟土基坑施工對鄰近橋梁基礎的變形影響。

2 工程概況及支護方案

2.1 工程概況

U型槽下穿現狀鄞縣大橋西側橋孔。鄞縣大橋下方為30m簡支梁，蓋梁式橋墩，下部基礎采用1.5m樁接1.3m立柱的形式。

橋墩處基坑開挖深度為2.879～3.019m，橋下凈空僅2～2.5m。橋墩最近距離基坑邊線僅6.2m。現狀橋梁與U型槽相對位置如圖1所示。各土層厚度、主要土層力學參數詳見表1所示。

圖1 擬建U型槽與橋梁位置關系

2.2 基坑支護方案

國內大部分圍護樁施工機械高度均超過20m。為了解決超低凈空下圍護樁施工問題，可實現低凈空下施工的圍護樁主要有高壓旋噴樁、MJS工法等。

故橋梁下方基坑采用高壓旋噴樁+MJS工法的支護形式，MJS工法做隔離樁用途。

高壓旋噴樁加固寬度為2.85m，樁長6m。MJS工法采用φ2600@2000mm（全圓），樁長12m。上部按1:1坡率，一級放坡，坡高0.7m。

圖2 基坑支護豎向布置圖

2.3 橋墩基礎變形控制要求

根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》：相鄰墩臺間不均勻沉降差值，不應使橋面形成大于0.2%的附加縱坡[3]。

故橋墩沉降差不應大于60mm。考慮到鄞縣大橋已運營多年，故要求基坑開挖對橋梁橋墩的變形控制不應超過20mm。

3 基坑施工的有限元分析

3.1 有限元數值模型

采用三維有限元軟件MIDAS GTS進行數值模擬。本次模型按如下原則建立：

高壓旋噴樁、MJS工法樁、橋墩以及橋梁工程樁、基坑內外土體的模擬均采用四節點四面體單元模擬，如下圖3~4所示。

圖3 土體三維實體單元模型

模型邊界條件：對土體四周邊界法向方向進行約束以限制其法向上的位移；對土體底邊界x、y、z三個方向均固定，地面為自由面。荷載取自重，單個橋墩豎向壓力荷載取2580kN。

圖4 基坑支護結構、橋梁、河坎結構模型

3.2 本構模型與計算參數

選用HS模型作為土體本構模型。橋墩、河坎擋墻、MJS工法、高壓旋噴樁選用彈性模型。各土層參數見表1所示。橋墩、河坎擋墻、MJS工法、高壓旋噴樁結構參數見表2所示。

表1 土層物性參數表

表2 橋墩、河坎擋墻、MJS工法、高壓旋噴樁參數表

3.3 模擬工況

模擬工況根據實際施工工況進行設置，分為4個工況，見表3所示。

表3 基坑施工工況描述

4 模擬結果分析

圖6為基坑開挖至基坑底時，橋梁結構總位移云圖。結果表明，橋梁結構總位移最大為4.3mm，遠小于20mm控制值。說明當U型槽基坑開挖時，對鄰近橋梁結構的影響處于可控范圍，能夠保證基坑開挖期間，鄰近橋梁的安全性。

圖6 橋梁結構總位移云圖

5 結束語

借助MIDAS GTS有限元軟件，對低矮凈空下基坑及鄰近的橋墩的整個施工階段進行模擬分析。表明采用MJS工法+高壓旋噴樁重力式擋墻的支護方案在低矮空間下保護鄰近橋梁墩基起了良好效果。采用三維有限元分析評估軟土深基坑對周圍環境變形影響是一種較為有效的手段。