軟土地基區域基坑開挖施工對輕軌高架橋結構的影響分析及變形監測

張月超，呂金輝，李支彬，張 磊，趙喜柱，呂春鳳

(1. 天津市地質工程勘測設計院有限公司 天津300191；2. 天津軌道交通運營集團有限公司 天津300382；3. 中海油海工船舶(天津)有限公司 天津300451)

0 引 言

在工程建設中，基坑開挖施工會對周圍土體產生位移影響，基坑施工的變形觀測是指導施工、避免土體失穩發生的必要措施[1]，基坑開挖的本質就是土體的位移，土體的位移必然會使土的自然應力狀態發生改變[2]。Peck 對基坑開挖引起的變形研究認為，在軟土地基環境中基坑開挖引起周圍環境的變化在2.5～4 倍開挖深度范圍內[3]。

軟土地基區域基坑開挖施工受地層特性限制，其影響范圍及強度將會增加，如何有效分析軟土地基區域基坑開挖施工對軌道交通結構的影響，以及如何有效監測控制結構變形、降低安全風險是本文將要探討的重點。

1 工程概況

擬建項目場地位于華北平原北部，屬濱海沖積平原，地貌單一?；诱w開挖深度為5.90 m?；訓|西向長度為333.5 m，南北向長度為180.3 m?；又ёo形式采用單排800(700)×1 000 鉆孔灌注樁+一道鋼筋混凝土支撐+700×1 000 止水帷幕，其中輕軌側采用800 的鉆孔灌注樁?；舆吘壘嚯x輕軌高架結構24 m，項目施工前進行了詳細的巖土工程勘察，獲取了詳盡的區域土層地質參數。

根據巖土勘察資料，該區域地貌單元屬海積低平原亞區，幾經海路變遷沉積了豐厚的沉積物，在深度75 m 范圍內的地基土屬第四系全新統人工填土層、濱海相沉積層。各土層分布較穩定，厚度及頂層、底板起伏變化不大。場地分布穩定，土質強度較均勻。鑒于篇幅，僅提供1 個典型地層，主要物理力學參數見表1，樁尖持力層為第6 層土，即粉質黏土。

表1 場地土主要物理力學參數Tab.1 Main physical and mechanical parameters of site soil

本場地分布有厚薄不均的素填土，場地中素填土主要由黏性土組成，其天然含水量大、壓縮性高、承載力低，軟可塑狀態；在埋深3.00～18.00 m 段分布有厚薄不均的淤泥質黏土，為典型的濱海軟土，其天然含水量大、壓縮性高、承載力低、流塑狀態。以上均為特殊性土。

2 軟土地基區域施工影響模擬分析

為保障工程施工的安全性，在完成基坑支護設計后需開展基坑開挖，并對周邊重要建筑物/構筑物的安全影響進行評估，針對可能發生的安全風險提前做好管控，并制定風險應急預案。

2.1 輕軌高架橋評估指標

參照地鐵沿線建筑施工保護管理相關規定，確定工程施工過程中高架橋結構的變形控制指標值[4-7]，具體如表2 所示。

表2 高架橋箱梁及橋墩變形控制值Tab.2 Deformation control value of viaduct box girder and pier

2.2 安全評估分析方法

用于地下結構理論計算的力學模型可歸納為2 種：①連續介質模型，即地層—結構模型；②作用—反作用模型，即荷載—結構模型。這2 種力學模型各有特點：地層—結構模型由于考慮地層與結構的共同作用，多用于結構的變形分析；荷載—結構模型只將結構作為計算對象，多用于結構內力及變形分析。具體到該工程項目，考慮到施工引起的輕軌線路結構沉降與地層關系密切，因此，采用地層—結構模型進行變形分析[8-11]。本文評估計算采用MIDAS-GTS 軟件實現。

第一步，評估假設：①輕軌高架橋結構僅考慮正常使用工況，由于施工期相對較短，故不考慮人防、地震等偶然荷載；②假定輕軌區間橋樁、基坑圍護樁、支撐等混凝土結構為彈性材料，土體為彈塑性材料并采用硬化土(小應變剛度)模型；③假定樁基結構與土體之間符合變形協調原理；④基坑周邊考慮施工荷載為20 kPa；⑤輕軌荷載以80 kPa 考慮；⑥施工處于正常良好的控制條件下。

第二步，建立模型：根據項目基坑支護設計資料和輕軌高架橋設計資料，建立有限元模型。其中基坑支護結構模型主要包括支護樁、冠梁、混凝土支撐、基坑底板等單元；圍護樁采用板單元模擬；冠梁采用梁單元模擬，模型尺寸材料均按照設計資料選?。惠p軌高架橋結構主要包括高架橋的樁基、承臺、橋墩、梁、軌道等結構。模型如圖1、圖2 所示。

圖1 基坑支護結構有限元模型Fig.1 Finite element model of foundation pit support structure

圖2 輕軌高架橋結構有限元模型Fig.2 Finite element model of light rail viaduct structure

第三步，確定計算參數：施工場地地基模型按照勘測報告資料選取，根據工程地質資料及地形狀況進行場地有限元模型建立。地基土的非線性結構與屈服力學特性層采用修正摩爾庫倫模型描述，土層材料摩擦角、黏聚力等參數按照地質勘測報告推薦的力學參數選取。

根據輕軌高架橋結構現狀檢測成果，高架橋墩柱混凝土強度推定值在40.4～42.4 MPa 之間，箱梁混凝土強度推定值在51.4～52.7 MPa 之間。區間道床混凝土強度推定值為44.9 MPa。綜合設計資料，確定箱梁混凝土等級為C50，橋墩及道床混凝土等級為C40，樁基混凝土等級為C30。

第四步，確定計算工況：模擬基坑開挖、基坑地下室結構施工等作業過程對輕軌高架橋結構的影響。選取典型工況如下：①降水施工；②第一層土開挖；③施工止水帷幕及圍護樁；④施工立柱樁及混凝土撐；⑤第二層土開挖；⑥施工地下室底板；⑦拆除混凝土撐；⑧施工地面結構。

第五步，變形影響分析：①輕軌高架橋豎向變形分析如圖3 和表3 所示，基坑開挖誘發輕軌結構豎向變形最大值發生在基坑南側10～11 號樁基承臺處，最大值為0.42 mm，發生在第一層土開挖時，并且隨著施工的進行有一定程度減小；②輕軌高架橋橫向變形分析如圖4 和表4 所示，基坑開挖誘發輕軌結構橫向變形最大值為1.08 mm，發生在地下室底板施工完成時，變形較大施工階段為第二層開挖—拆撐階段，該施工過程中，輕軌結構橫向變形在 1.07 ～1.08 mm，為整個施工過程的最危險階段，在第二層土開挖階段，輕軌結構橫向變形有較大增加，變形由0.42 mm 激增為1.07 mm，增幅155%，該階段為施工最危險時刻；③輕軌高架橋縱向變形分析如圖5 和表5 所示，基坑開挖誘發輕軌結構縱向變形最大值為0.31 mm，發生在第二層土開挖完成時，變形較大施工階段為第二層開挖—拆撐階段，輕軌結構橫向變形在0.29～0.31 mm，為整個施工的最危險階段。在第二層土開挖階段，輕軌結構縱向變形有較大增加，變形由0.15 mm 增至0.31 mm，該階段為施工最危險時刻。施工完成后，輕軌結構縱向變形有所減小。

圖3 輕軌結構豎向位移變化圖Fig.3 Vertical displacement change diagram of light rail structure

表3 不同工況下輕軌結構豎向變形值Tab.3 Vertical deformation value of light rail structure under different working conditions

圖4 輕軌結構橫向位移變化圖Fig.4 Variation diagram of lateral displacement of light rail structure

表4 不同工況下輕軌結構橫向變形值Tab.4 Lateral deformation value of light rail structure under different working conditions

圖5 輕軌結構縱向位移變化圖Fig.5 Longitudinal displacement change diagram of light rail structure

表5 不同工況下輕軌結構縱向變形值Tab.5 Longitudinal deformation value of light rail structure under different working conditions

綜合分析以上結果認為，基坑施工過程中輕軌結構變形滿足規范及設計要求，輕軌結構總體安全；變形均發生在第二層土開挖階段，該施工過程中地層卸載較大，對周邊影響較大；施工過程中結構變形主要集中在3～8 號橋墩之間，主要變形為靠近基坑的橫向位移。

3 工程影響監測與分析

根據現行的國家規范及地方標準，城市軌道交通的地面、高架車站和線路軌道結構外邊線外側30 m內為控制保護區[4]；對處于控制保護區內的關鍵外部作業，應對受其影響范圍的城市軌道交通結構進行全過程監測，監測工作不應影響城市軌道交通的正常運營[5]。結合上述安全影響評估分析，對受基坑施工影響的輕軌高架橋結構進行專項監測，重點監測內容包括橋墩豎向位移和墩頂水平位移[8]。

橋墩豎向位移監測點位在高架橋墩上按設計位置鉆孔，標明點號和保護標記，具體埋設方式如圖6所示。橋墩墩頂水平位移監測點布設在每個監測橋墩頂部，點位布設效果如圖7 所示。

圖6 橋墩豎向位移點位埋設示意圖Fig.6 Schematic diagram of burial of vertical displacement points of bridge piers

圖7 墩頂水平位移點位埋設效果圖Tab.7 Embedding effect diagram of horizontal displacement point on pier top

本工程屬于可能對城市軌道交通結構安全產生影響的外部施工，其對輕軌高架橋的影響區域約230 m，區域內共有10 個橋墩，外部作業影響等級評定為二級。對本工程涉及的輕軌高架橋結構變形監測采用自動化監測技術與人工監測技術相結合的方式，滿足監測頻率、精度及作業效率的要求。監測周期從施工進場開始至地下結構出土為止，累計監測時長13 個月。關鍵施工期如二步土開挖、拆撐等施工，監測頻率保持每天1 次，密切關注輕軌高架橋變形情況，保障現場施工及輕軌運營安全。整個監測周期內輕軌高架橋結構的位移變化如圖8、圖9 所示。

從監測數據變化圖可以看出輕軌高架橋結構豎向位移和水平位移變化主要分為3 個階段。第一階段，2019 年11 月至2020 年1 月，該階段主要為降水及基坑一步土開挖階段，橋墩豎向位移發生輕微擾動，橋墩水平位移發生向基坑施工一側偏移，最大水平偏移超過3 mm。第二階段，2020 年3 月至2020 年6 月，該階段主要為二步土開挖及底板施工階段，土方開挖采用分步開挖，底板施工采用分塊施工及封閉的作業方式，從數據變化情況可以看出在土方開挖到底、底板未封閉階段高架橋結構變形是最為劇烈的，此時的風險等級最高；在底板施工后期，隨著封閉區域的逐步增大，高架橋結構變形逐步平穩。第三階段，2020 年8 月至2020 年10 月，該階段主要為拆撐及主體結構施工，隨著拆撐完畢及主體結構荷載增加，高架橋豎向位移、水平位移變形量出現局部減小的趨勢，并最終趨于平穩。

根據實際監測結果可以看出軟土地基區域施工對輕軌高架橋結構的實際影響大于有限元模型分析結果，但施工影響的變形趨勢及節點是符合實際變化的。這從側面說明了有限元模型分析對應指導施工期間的安全監測是十分必要的，同時由于軟土地基區域土層力學性質的特殊性，現有的有限元模型分析方法尚不能完全體現其內部變化規律，在這方面的還有許多值得探討和研究的內容。

4 結 論

軟土地基區域施工對周邊結構物的影響程度受土質力學性能參數影響較大，施工前需詳細探明施工區域的地質結構及土層參數，這對后續施工影響評估及變形監測等工作十分重要。

對處于城市軌道交通結構控制保護區范圍內的外部施工作業，需嚴格控制其施工步驟及影響范圍，特別是在軟土地基區域，軌道交通結構受外部施工影響顯著。在外部施工過程中需重點加強對結構豎向位移、水平位移變化的監測，數據變化顯著時，軌道交通運營部門應聯合各單位采取相關措施保障運營安全。