考慮施工全過程的超近距鄰近既有橋影響

唐亮， 陳虹僑， 鄭霄陽， 戚小磊

(1.重慶交通大學土木工程學院， 重慶 400074； 2.中鐵二十二局集團第五工程有限公司， 重慶 400711)

伴隨著城市規模化進程的加速推進以及交通網的日益密集，新建工程與鄰近既有工程近接施工的情況愈發普遍，常見的有新建基坑與公路橋梁間、新建基坑與鐵路橋梁間，以及鐵路橋梁自身相互間等多種近接施工的情況。新建工程的施工在一定程度上會對鄰近既有工程產生不利的影響，從而給鄰近既有工程的正常運營帶來安全隱患。特別的是，高速鐵路具有速度快且載客量大的特點，若由于新建橋梁的施工使得鄰近既有高速鐵路橋樁發生傾斜、開裂甚至破壞，勢必會造成不可估量的經濟損失和負面的社會影響。

新建工程距離鄰近既有工程越近，對于安全施工的要求就越高，所帶來的安全隱患也越嚴重。中外工程界就新建施工對鄰近既有工程的影響已有很多有意義的研究。在對樁基施工影響分析基礎上，周樂平等[1]運用非線性通用有限差分軟件FLAC考慮樁基承載力對橋梁結構安全的影響；Zhang等[2]運用Benoto樁的方法考慮對鄰近高鐵橋梁的施工影響；徐永祥等[3]通過對隔離樁施工過程開展三維精細化數值模擬，系統分析了鉆孔灌注排樁施工鄰近高鐵橋梁樁基、承臺和橋面的變形特性。在對基坑施工的影響分析上，許四法等[4]考慮TRD施工對鄰近隧道存在擠土作用，根據基坑施工期間鄰近運營地鐵隧道變形監測數據，對隧道變形從基坑圍護結構施工開始至開挖結束進行全過程分析；Shi等[5]利用COMSOL Multiphysics 軟件建立相鄰施工模型，分析爆破動載、大斷面開挖、地下水及鄰近施工等多因素耦合；林楠等[6]采用Midas/GTS建立三維數值分析模型,通過對比單個基坑開挖工況和基坑群分期開挖工況,分析大型基坑群分期開挖對相鄰基坑的影響性。在對隧道施工的影響分析上，董建華等[7]通過ABAQUS軟件進行數值模擬，考慮土體的非均勻凍脹性，將路基結構視為彈性的Euler-Bernoulli連續梁，結合變形協調條件并引入隨機介質理論和疊加原理，評價水平凍結法隧道施工對鄰近正交路基的影響；辛亞輝[8]通過有限元ANSYS數值模擬分析,計算出重疊隧道盾構施工影響鄰近運營重疊隧道的位移及內力大小分布,以判斷重疊隧道盾構施工是否影響運營隧道的安全性；徐建寧[9]采用PLAXIS 3D巖土有限元分析軟件建立數值模型，研究綜合管廊基坑施工對鄰近橋梁的影響規律；Feng等[10]運用層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)和有限單元法(finite element method，FEM)相結合的方法考慮開挖過程中的不確定因素對周圍環境的潛在影響風險；田曉艷等[11]采用FLAC 3D數值模擬軟件對比分析隧道不同施工方法對既有橋梁樁基的影響，并綜合考慮各種因素,提出環形開挖預留核心土法作為該區間隧道的施工方法；卞榮等[12]通過數值方法計算預制樁靜壓施工對鄰近頂管電纜隧道的影響，分析樁長、樁與隧間距以及樁基擠土量對于隧道變形的影響。李智彥等[13]運用ABAQUS有限元軟件考慮到施工步序的影響且明確指出了重要的施工步序；林炳泉等[14]運用ABAQUS有限元軟件考慮到隔離樁施工對橋基變形和樁側摩阻力的影響。同時考慮施工步序和土體附加力對近接施工的耦合影響有著不可小覷的作用。

盡管研究樁基施工對既有橋梁不利影響的例子有很多，然而既有橋梁為高速鐵路橋的情況卻很少。為此，在理論分析復合因素影響機制的基礎上，數值分析了新建橋梁按有無施工步序、有無土體附加力3種情況，計算對周圍土體的應力變化和位移影響以及對鄰近既有橋的影響。

1 工程概況

新建南寧至崇左鐵路NCZQ1標淡新街雙線大橋第1～3跨為研究依托工程，位于既有南昆客運專線南寧站至南寧西區間，城市市區路網發達，其中既有南昆客運專線日間每小時會有3輛時速200 km/h的高鐵經過。淡新街雙線特大橋新建橋梁工程3#墩梁面距離既有南昆線聲屏障距離外側距離僅為5.63 m。淡新街雙線大橋3#墩與南昆客運專線新南寧邕江四線特大橋關系現場實景如圖1所示。

圖1 淡新街雙線大橋新建與既有橋梁工程Fig.1 New construction and existing bridge engineering of Danxinjie Double-lane Bridge

新建橋梁工程因受空間所限，需要在鄰近高速鐵路橋旁進行施工。新建橋梁樁基采用鉆孔灌注樁，且施工過程對鄰近既有橋梁樁基影響較大，故施工過程中應對周圍土體的應力變化與位移影響，以及鄰近既有高速鐵路橋的安全進行分析研究。通過數值分析的方法對新建橋梁樁基施工過程進行模擬，評估考慮施工步序且計入土體附加力的情況下對鄰近既有橋梁的影響，并依據計算結果與工程經驗相結合對本工程提出控制措施。

新建橋梁與鄰近既有高速鐵路橋的平面位置關系及監測點布置示意如圖2所示。

①～④為布置的監測點圖2 平面位置關系及監測點布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of plane position relationship and monitoring point layout

2 復合因素的影響機制

施工步序在研究中是易被忽略的影響因素，通常不考慮施工步序，即只給出施工開始和施工結束的研究方法會造成樁基豎向位移計算值嚴重偏小，導致錯誤的安全評估。考慮施工全過程即是計入施工步序對計算帶來的影響，同時也能夠監測和檢測每一步施工步序是否按照預期在有序進行，以及是否在現行的規范內安全施工，及時發現問題并對其進行調整指導。

土體附加力在實際工程中是一種常見且不容忽視的影響因素，它是樁側負摩阻力和不平衡水平力的總稱。其中樁側負摩阻力是隨著鉆孔灌注樁施工深度的增加，既有橋樁周圍土體會發生沉降，則周圍土體與既有橋樁之間就會產生負摩阻力。負摩阻力不但不能為承擔橋梁上部結構荷載做出貢獻，而且還會在橋樁產生下拉荷載加快橋樁的沉降；不平衡水平力是因新建橋梁樁周土體發生水平位移進而施加給既有橋樁的側向壓力，不平衡水平力會引起橋樁的水平變形，降低橋樁的垂直度，影響橋樁的承載能力。

負摩阻力對基樁而言是一種主動作用。對于樁基負摩阻力的計算方法，《建筑樁基技術規范》(JGJ94—2018)[15]規定：

qni=ktanφ′σ′i=ξnσ′i

(1)

式(1)中：qni為第i層土樁側負摩阻力的標準值；k為土的側壓力系數；tan為正切函數的縮寫；φ′為土的有效內摩擦角；σ′i為第i層土的平均豎向有效應力；ξn為負摩阻力系數，ξn與土的類別和狀態有關，對于粗粒土，ξn隨土的粒度和密實度增加而增大；對于細粒土，則隨土的塑性指數、孔隙比、飽和度增大而降低。

由于豎向有效應力隨上覆土層自重增大而增加，當qni=ξnσ′i超過土的極限側阻力qsk時，負摩阻力不再增大。故當計算負摩阻力qni超過極限側摩阻力時，取極限側摩阻力值。

(2)

(3)

對于鄰近施工而言，施工步序和土體附加力二者之間有著一定的聯系。施工步序和土體附加力對既有橋樁的影響關系如圖3所示。

圖3 影響機制圖Fig.3 Influence mechanism diagram

隨著鄰近鉆孔灌注樁施工工作的開展會引起既有橋樁周圍土體的沉降和新建橋樁周圍土體的水平位移，而樁周土體的沉降和水平位移會在既有橋樁樁身產生下拉荷載和側向荷載，這將會加速既有橋樁的變形破壞，影響鄰近既有工程的正常運營。若不計入施工步序和土體附加力必將會對結果造成影響，使得與實際情況有較大差異，所以對于鄰近施工而言施工步序和土體附加力都不可忽視。

3 考慮施工全過程的數值分析

3.1 模型及參數

作為通用的模擬計算工具ABAQUS能解決應力—位移的復雜問題，因此研究中運用ABAQUS軟件進行數值仿真建模，網格劃分情況如圖4所示。

結合現場的實際情況，總體模型應滿足空間尺度的要求。模型計算區域大小取為30 m×24 m×22 m，共劃分了68 190個實體單元，14 261個節點。

對性質相近的土體進行有效合并，根據地質勘察報告所提供的有效數據，將土層進行有效分層，土層物理力學參數如表1所示。

表1 土層參數Table 1 Soil parameters

圖4 模型網格劃分Fig.4 Model meshing

3.2 施工步序

施工步序的選取是建立在對現場地質條件的充分分析以及數值模擬計算和監測基礎之上的，施工步序的選取對加快施工進度有很大的影響，故選取如下的關鍵施工步序進行分步開挖，本工程的施工步序如表2所示。

表2 施工步序Table 2 Construction sequence

通過分析表2中施工步序，確定第5～10步為關鍵施工步序，后文結果分析中將考慮關鍵施工步序對鄰近既有橋樁基正常工作的影響。

4 結果與分析

在有限元分析模型中取新建橋樁和鄰近既有橋樁數據進行分析，同時為結果分析說明方便將關鍵施工步序第5～10步重命名為第1～6步。

4.1 考慮施工步序

在數值模擬的過程中，首先測量出未施工時新建橋樁周圍土體的初始應力值并定義此時新建橋樁周圍土體和既有橋樁的初始位移值為0，按照施工步序逐步對鉆孔灌注樁進行施工，實時測量出每一步施工步序完成后相應的位移值，直至最后一步施工步序完成。

與考慮施工步序的研究方法有所不同，不考慮施工步序僅需要在施工開始時和施工完成后，測量出新建橋樁周圍土體的應力值和位移值，以及既有橋樁的位移值即可。考慮施工步序的應力云圖如圖5所示，有無施工步序的豎向位移圖如圖6所示。

圖5 應力云圖(考慮施工步序)Fig.5 Stress cloud diagram (consider construction sequence)

圖6 周圍土體-既有橋樁位移圖(有無施工步序)Fig.6 Surrounding soil-displacement diagram of existing bridge piles (with or without construction steps)

可以看出，在考慮施工步序后其變形情況不僅是中間過程呈折線型的增長，而且其最終應力值和最終位移值也會產生約25%的增大。

4.2 考慮施工步序且計入土體附加力

土體附加力的大小與作用時間的長短有關，用相鄰兩步施工步序之間的施工時間作為此時土體附加力的作用時間，而在研究時認為每一步施工步序的銜接及時且沒有其他外在因素的影響屬于理想狀態。土體附加力的反作用力作用在橋樁周圍的土體上會對其應力和位移有所影響，同時計入土體附加力后會在既有橋樁形成下拉荷載和側向壓力，加速橋樁的沉降同時也會降低橋樁的垂直度，故應在其后一步施工步序計入土體附加力后，再測量應力值和位移值，考慮施工步序且計入土體附加力的應力云圖如圖7所示，有無土體附加力的豎向位移如圖8所示。

可以看出，計入土體附加力后變化曲線的基本走勢與不計入土體附加力時的大致相同。總體趨勢

圖7 應力云圖(考慮施工步序且計入土體附加力)Fig.7 Stress cloud diagram (consider the construction sequence and include the additional soil force)

圖8 周圍土體-既有橋樁位移圖(有無土體附加力)Fig.8 Surrounding soil-displacement diagram of existingbridge piles (with or without additional soil force)

均朝著變形加劇的方向發展，但計入土體附加力后會產生約70%的增大。

4.3 控制措施

在不同工程中鉆孔灌注樁的施工要求控制周圍土體的應力和位移以及鄰近既有橋樁的安全運營時可采取3種有效措施：改變鋼支撐的剛度、改變圍護墻體的剛度以及增加土體的強度。對于絕大多數工程來說，在施工鉆孔灌注樁的過程中周圍已有挖出來的土，因此更經濟實惠的措施是用挖的土就地進行土體加固。

采用控制變量的方法，分別在不考慮施工步序、考慮施工步序和考慮施工步序且計入土體附加力的三種情況下，分析不同的加固方案對控制鄰近既有橋樁變形的作用。

通過控制加固深度，變化加固寬度研究可知：周邊土體加固寬度對既有橋樁水平位移有明顯影響，隨著加固寬度的增加，既有橋樁水平位移降低，如圖9所示。

通過控制加固寬度，變化加固深度研究可知：周邊土體加固深度對既有橋樁水平位移有明顯影響，隨著加固深度的增加，既有橋樁水平位移并不是隨之有大幅度減少，而是存在一個臨界深度，如圖10所示。

通過控制變量法的分析研究可知，加固寬度和加固深度能有效降低對鄰近既有橋的不利影響。

之前的研究是在理想狀態情況下進行的，而實際情況往往會由于外在因素和人為因素導致施工步序之間的銜接不當，使得情況更加復雜，嚴格控制其作用時間是十分必要的，但很多時候施工步序之間的間隔時間無法達到計劃理想狀態。當銜接時間超出了預定時間后，可以預先測量出理想狀態的應力值和位移值，再計入超出的時間，按二次插值的方法推算出此時的大致值，并用此值作為下一步施工步序的初始值，以此來對數值進行修正。

圖9 不同加固寬度對既有橋樁位移的影響Fig.9 Influence ofdifferent reinforcement widths on the displacement of existing bridge piles

圖10 不同加固深度對既有橋樁位移的影響Fig.10 Influence of different reinforcement depths on displacement of existing bridge piles

5 結論

超近距施工時，施工步序和土體附加力均會對鄰近既有橋造成不利影響。考慮施工全過程能更好地反映鄰近既有橋的受影響程度，土體附加力負向作用會給鄰近既有橋帶來沉降超限的危害。通過數值分析的方法研究了新建橋梁施工對超近距鄰近既有高速鐵路橋的影響，著重考慮施工步序且計入土體附加力的情況下對周圍土體的應力變化和位移影響、鄰近既有橋樁的位移影響以及控制措施的方面進行模擬分析，得出如下結論。

(1)施工步序對周圍土體應力和位移影響較大，靠近鄰近既有橋樁的下部土體擠入值相比于其他位置會更大。隨著深度的增加對應力的影響呈現負相關趨勢，距離鄰近既有橋樁越近則所受到的影響就越大。

(2)考慮施工步序對鄰近既有高速鐵路橋的位移值會產生約25%的增大；同時考慮土體附加力對位移值會產生約70%的增大。

(3)對土體加固進行控制變量分析可知，加固寬度和深度能降低既有橋樁的水平位移值，且既有橋樁水平位移存在一個最佳加固深度值，即臨界深度。對于本依托工程最佳加固深度值為9 m。

可通過以下措施改善超近距鄰近施工帶來的影響：①減小單次開挖深度，分多步進行開挖施工，且每次開挖之后，及時進行數值測量以保證其穩定性；②對鄰近既有高速鐵路橋樁的周圍土體進行加固處理；③對于施工步序繁多且步序之間銜接不緊密的新建工程，在評價施工超近距鄰近既有橋影響時更應該將施工步序和土體附加力計入考慮。