鄰近高架橋樁基的 地鐵深基坑變形控制研究

畢成雙，王欣杰

（1. 上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092； 2. 上海軌道交通十四號(hào)線發(fā)展有限公司，上海 200030）

1 研究背景

軌道交通在城市的飛速發(fā)展與城市建筑對(duì)地下空間的極大需求，導(dǎo)致鄰近高架橋的深基坑工程不斷出現(xiàn)[1-2]。深基坑開(kāi)挖會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生水平位移，鄰近高架橋也產(chǎn)生變形，影響高架橋的穩(wěn)定性，對(duì)行車產(chǎn)生安全隱患[3]。現(xiàn)利用數(shù)值模擬軟件MIDAS GTSNX 320，建立模擬基坑開(kāi)挖全過(guò)程的三維模型，根據(jù)模擬結(jié)果分析深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近橋樁的影響，提出控制基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和鄰近橋樁變形的有效工程措施，再結(jié)合深基坑現(xiàn)場(chǎng)的信息化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)工程施工，為類似工程提供參考。

2 工程概況

歇浦路站為地下3層雙柱三跨島式車站，車站采用明挖順作法施工，主體基坑長(zhǎng)208.5 m，寬25.7 m，開(kāi)挖深度為22.43 m，基坑底位于⑤1灰色粘土層，圍護(hù)墻底位于⑦2粉砂層。車站主體橫穿楊浦大橋引橋，橋下凈空約34 m，引橋上部結(jié)構(gòu)為立柱、預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支T梁，跨徑45 m，下部結(jié)構(gòu)橋墩采用雙柱式蓋梁的結(jié)構(gòu)形式，基礎(chǔ)采用8根鉆孔灌注樁(D=1.0 m)承臺(tái)基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)約43 m。主體基坑距引橋北側(cè)承臺(tái)最近約為4.7 m，距南側(cè)承臺(tái)最近約3.9 m，歇浦路站與楊浦大橋平面位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 歇浦路站與楊浦大橋平面位置關(guān)系 Figure 1 Layout of station and viaduct base slab

3 數(shù)值模擬

3.1 模型尺寸選取

考慮模型的邊界效應(yīng)，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊線到模型邊界的距離宜為3～5倍的基坑開(kāi)挖深度，基坑的影響深度宜為基坑開(kāi)挖深度的2倍，以滿足基坑開(kāi)挖所引起影響范圍的要求[4]。因此，結(jié)合基坑開(kāi)挖深度和周邊建(構(gòu))筑物布置，計(jì)算模型尺寸選取為330 m(平行線路方向)×200 m(垂直車站方向)×80 m(深度方向)，計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 三維數(shù)值計(jì)算模型 Figure 2 Three-dimensional analysis model

3.2 數(shù)值模型建立

土體選用實(shí)體單元模擬，采用修正摩爾—庫(kù)倫模型，修正摩爾—庫(kù)倫模型由非線彈性模型與彈塑性模型組合而成，可以同時(shí)考慮剪切硬化和壓縮硬化[5]，通過(guò)割線剛度(E50)、初始剛度(Eoed)和卸載模量(Eur) 3個(gè)主要參數(shù)來(lái)表示土體在不同階段的剛度，能夠較好地模擬加卸載過(guò)程中土體的剛度差異，使模擬開(kāi)挖過(guò)程更加符合實(shí)際施工情況，其中E50=Eoed≈1.5Es，Eur= 5E50[6]，主要參數(shù)見(jiàn)表1。其他參數(shù)根據(jù)《MIDAS GTSNX軟件手冊(cè)》和上海地標(biāo)《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(DG/TJ08-61-2018)來(lái)取值。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo) Table 1 Mechanical parameters of soils

高架橋、圍護(hù)結(jié)構(gòu)相對(duì)周圍土體的強(qiáng)度和剛度均很大，一般不出現(xiàn)塑性變形，因此模擬時(shí)采用彈性本構(gòu)模型[8]，主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 主要結(jié)構(gòu)參數(shù) Table 2 Main structural parameters

模型土體上表面為自由邊界，底部采用垂直約束，各側(cè)邊采用水平向約束。地下連續(xù)墻采用板單元，橋樁采用樁單元模擬，砼支撐采用梁?jiǎn)卧瑤в兴欧到y(tǒng)的鋼支撐，由于考慮伺服軸力的穩(wěn)定，采用施加集中力的方式來(lái)模擬[9]，各道支撐的設(shè)計(jì)軸力及預(yù)加軸力見(jiàn)表3。坑底加固土通過(guò)修改土體單元參數(shù)來(lái)模擬，加固土的水泥摻量為20%，水灰比為1.2，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得加固土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu≈1.0 MPa。

表3 支撐軸力 Table 3 Support axial force

3.3 模擬基坑的開(kāi)挖工序

車站主體基坑長(zhǎng)208.5 m，根據(jù)交通疏解和工期的需求，基坑可一次開(kāi)挖或分次開(kāi)挖，因此對(duì)兩種開(kāi)挖方案進(jìn)行比選。主體基坑分次開(kāi)挖方案見(jiàn)圖3，開(kāi)挖順序?yàn)橄仁┕ぼ囌緰|、西兩部分基坑，再施工車站中部基坑，數(shù)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4～6。

圖3 基坑分次開(kāi)挖平面 Figure 3 Plan for parting and dividing the excavation

圖4 地連墻水平位移云圖 Figure 4 Horizontal displacement nephogram of the enclosure wal

圖5 承臺(tái)豎向位移云圖 Figure 5 Vertical deformation of the base slab

計(jì)算結(jié)果表明：一次開(kāi)挖地連墻的最大水平位移為23 mm，承臺(tái)的豎向位移為5.3 mm，承臺(tái)的水平位移為4.2 mm；分次開(kāi)挖地連墻的最大水平位移約18.7 mm，承臺(tái)的累計(jì)豎向位移為4.6 mm，承臺(tái)的累計(jì)水平位移為3.9 mm。基坑分次開(kāi)挖地連墻和承臺(tái)的變形小于一次開(kāi)挖，說(shuō)明分次開(kāi)挖可利用時(shí)空效應(yīng)減少基坑和承臺(tái)的變形。

3.4 模擬基坑的支撐布置

支撐豎向間距和剛度的調(diào)整對(duì)控制基坑變形的效果較為明顯，筆者對(duì)中坑豎向設(shè)置6道支撐和7道支撐兩種方案進(jìn)行比選。6道支撐方案：第1、4道為砼支撐，其余為鋼支撐；7道支撐方案：第1、3、5道為砼支撐，其余為鋼支撐。6道支撐方案的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7，7道支撐方案的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6(b)。

圖6 承臺(tái)水平位移云圖 Figure 6 Horizontal deformation of the base slab

圖7 承臺(tái)水平位移云圖 Figure 7 Horizontal deformation of the base slab

計(jì)算結(jié)果表明：6道支撐方案的承臺(tái)水平位移為4.8 mm，7道支撐方案的承臺(tái)水平位移3.9 mm。減小支撐豎向間距和增加支撐剛度可有效控制基坑變形，減小對(duì)高架橋的變形影響。

3.5 模擬基坑的土體加固

基坑常用的土體加固方法有水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁和注漿加固。中坑采用三軸水泥土攪拌樁對(duì)坑底土體進(jìn)行加固，加固形式為裙邊寬8 m+抽條寬5 m、間距5 m，加固范圍從第三道砼支撐底至坑底以下3 m。坑底不加固方案的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8，坑底加固方案的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6(b)。

圖8 承臺(tái)水平位移云圖 Figure 8 Horizontal deformation of the base slab

計(jì)算結(jié)果表明：坑底土體不加固的承臺(tái)水平位移為4.5 mm，坑底土體進(jìn)行三軸攪拌樁加固后的承臺(tái)水平位移為3.9 mm。對(duì)坑底土體進(jìn)行加固，改善了被動(dòng)區(qū)土體的強(qiáng)度和變形特性，增大了被動(dòng)區(qū)抗力來(lái)抑制基坑變形，達(dá)到減少高架橋變形的效果。

4 變形控制措施

4.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)措施

根據(jù)上述不同保護(hù)措施的分析結(jié)果，基于在保障鄰近高架橋安全的前提下，確定了中坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，見(jiàn)圖9。中坑采用1 m厚銑接頭地連墻，墻長(zhǎng)55 m，基坑豎向設(shè)7道支撐，其中第1、3、5道為砼支撐，其余為帶有伺服系統(tǒng)的鋼支撐，第3道砼支撐底至坑底以下3 m采用三軸攪拌樁裙邊+抽條加固。

圖9 中坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面圖 Figure 9 Cross section of the middle excavation

4.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)措施

本工程因承壓水含水層⑦層與⑨層連通，圍護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)法隔斷承壓水，基坑內(nèi)進(jìn)行減壓降水勢(shì)必引起周邊地面和楊浦大橋承臺(tái)的沉降變形。為減少對(duì)楊浦大橋的變形影響，對(duì)中坑地連墻墻底以上4 m土體進(jìn)行封底加固，相當(dāng)于人工加設(shè)4 m厚的隔水層，切斷了⑦層承壓水與外界的水力聯(lián)系，如圖9所示。

考慮封底加固深度在地面以下51～55 m，且成樁質(zhì)量和止水效果要求都很高，因而選用一種新型大直徑超高壓噴射攪拌成樁(N-Jet工法)技術(shù)。中坑的封底加固選用樁徑2.4 m，按1.4 m×1.4 m梅花型布置，共設(shè)置702根，見(jiàn)圖10。

圖10 中坑N-Jet樁位平面布置 Figure 10 Plan for N-Jet pile in middle excavation

5 變形控制標(biāo)準(zhǔn)及效果

5.1 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)基坑外土體位移的傳遞規(guī)律和土體破裂面對(duì)數(shù)螺旋形位移模式[10]，結(jié)合基坑施工對(duì)周圍土體擾動(dòng)和周邊環(huán)境影響的程度，將基坑工程的影響區(qū)劃分為主要影響區(qū)和次要影響區(qū)，如圖11所示。

圖11 基坑工程影響分區(qū) Figure 11 Influence of partition of excavation

從圖11中可知：高架橋位于基坑的主要影響區(qū)，根據(jù)《城市軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》(DG/TJ08-109-2017)、《城市橋梁、隧道安全保護(hù)區(qū)域技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(2010)和楊浦大橋管理部門(mén)的要求，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和高架橋承臺(tái)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表4 變形控制標(biāo)準(zhǔn) Table 4 Deformation control criteria

5.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

為及時(shí)掌握基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)、高架橋的變形情況，對(duì)地連墻深層水平位移和高架橋承臺(tái)豎向位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其中承臺(tái)的四個(gè)角部均設(shè)有1個(gè)測(cè)點(diǎn)。主體基坑開(kāi)挖完成后圍護(hù)結(jié)構(gòu)和高架橋的變形監(jiān)測(cè)曲線如圖12～14。

圖12 地連墻水平位移監(jiān)測(cè)曲線 Figure 12 Curves of horizontal displacement for the enclosure wall

圖13 承臺(tái)豎向位移監(jiān)測(cè)曲線 Figure 13 Curves of vertical displacement for the base slab wall

由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出：1) 主體中坑開(kāi)挖期間，圍護(hù)墻體的深層水平位移值隨深度的增加而增大，最大水平位移為23.47 mm(深度20.5 m處)；2) 中坑開(kāi)挖期間，楊浦大橋引橋承臺(tái)的豎向和水平位移有明顯的增大趨勢(shì)，最大豎向位移為5.69 mm、最大水平位移為4.30 mm。以上實(shí)測(cè)結(jié)果表明：數(shù)值模擬中的地連墻及高架橋承臺(tái)的變形情況與實(shí)測(cè)值基本吻合，地連墻及高架橋承臺(tái)的變形量均小于變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖14 承臺(tái)水平位移監(jiān)測(cè)曲線 Figure 14 Curves of horizontal displacement for the base slab

5.3 封底加固效果

中坑封底加固完成后，抽取8根N-Jet高壓旋噴樁進(jìn)行鉆孔取芯檢測(cè)，單樁抗壓強(qiáng)度的檢測(cè)結(jié)果為1.51～1.54 MPa，N-Jet工法成樁質(zhì)量好。中坑開(kāi)挖期間坑外2口⑦層承壓水水位觀測(cè)井的最大水位降深0.11～0.18 m，表明坑內(nèi)降水對(duì)坑外承壓水影響很小，封底加固效果較好，有效隔斷了坑底以下承壓水的水平向補(bǔ)給。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以上海地鐵14號(hào)線歇浦路站工程為依托，采用有限元軟件MIDAS GTSNX 320模擬分析了基坑的施工過(guò)程，研究了不同變形控制措施下基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近高架橋的影響，得出以下結(jié)論：

1) 把數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比表明：隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)和高架橋承臺(tái)的變形都逐漸增大，在開(kāi)挖至基坑底時(shí)變形均達(dá)到最大值，且計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值變化規(guī)律基本一致，數(shù)值模擬可作為分析基坑開(kāi)挖對(duì)高架橋的變形影響的重要手段。

2) 鄰近高架橋樁基的深基坑變形控制指標(biāo)主要為水平位移，根據(jù)基坑的影響分區(qū)、規(guī)范以及楊浦大橋管理部門(mén)的要求，綜合判定本基坑工程地連墻的水平變形控制指標(biāo)為31.3 mm，高架橋樁基的水平變形控制指標(biāo)為5 mm。

3) 通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析，可知基坑分次開(kāi)挖、減小支撐的豎向間距、坑內(nèi)土體加固3種變形控制措施對(duì)降低基坑開(kāi)挖對(duì)高架橋樁基變形影響的效果良好。車站主體基坑施工完成后，地連墻和高架橋樁基的變形均小于變形控制指標(biāo)，本基坑工程的變形控制措施合理可行，類似工程可以參考。

4) 在圍護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)法隔斷承壓水、楊浦大橋保護(hù)等級(jí)高的情況下，采用N-Jet工法對(duì)基坑進(jìn)行封底加固，可有效地切斷坑內(nèi)承壓水與外界的水力聯(lián)系，減小降承壓水對(duì)高架橋的變形影響，保證楊浦大橋的安全運(yùn)行。