地下綜合管廊穿越橋梁引起樁基變形控制研究*

陳 靜，羅良瑞，姚愛軍，翟玉新，李曉閣 ，曹秀玲

(1.中鐵建設集團有限公司，北京 100040；2.北京工業大學城市建設學部，北京 100124；3.河北地質大學，河北 石家莊 050031)

地下綜合管廊逐漸成為城市建設不可或缺的一部分，其建設時通常會鄰近既有結構，由于基坑開挖和管廊箱涵的施作會改變周圍土體原有應力，導致周圍既有結構產生不同程度位移從而引起災變，研究穿越時既有結構位移變形規律及不同防控措施對其保護程度十分關鍵。

木林隆等[1]建立了基坑圍護墻變形與樁基變形的關系，進一步通過對基坑與樁基的主要相關參數分析提出了變形影響因子。胡斌等[2]提出在基坑施工過程中可通過BP神經網絡進行動態預測，掌握基坑施工在下一個階段的變形趨勢。李龍劍等[3]采用彈塑性有限元方法模擬無支撐基坑開挖對鄰近高架基礎的影響，分析了不同加固方案對控制橋梁樁基變形的作用。李智彥等[4]分析了在鉆孔灌注樁施工時各步序施工條件下對周圍土體應力和變形的影響，從而討論其對鄰近樁基應力、變形的影響。一些學者利用有限元軟件對實際工程進行建模，模擬施工過程，研究不同施工參數對既有結構位移影響規律，在復雜地質條件及特殊結構、特殊工況下將各因素進行綜合考慮，通過對比不同工況下樁基位移，總結出控制既有結構變形的有效措施[5-9]。

本文依托益州大道南二段綜合管廊杭州路支線管廊穿越杭州路跨線橋實際工程，采用有限元方法分析綜合管廊穿越工程對既有橋體結構造成的影響。通過對施工全階段進行模擬，分析支護結構及橋體結構變形規律，并討論支護樁、地下連續墻、土體注漿加固等不同措施的控制水平[10-15]，為類似工程提供參考。

1 工程概況

益州大道南二段綜合管廊項目起于武漢路南側，止于南寧路南側，其中杭州路支線管廊從杭州路跨線橋5，6號橋樁既有結構中間穿過，如圖1所示，管廊施工采用明挖法，基坑深度為9～14m，基坑邊緣距離兩側橋樁約10m，在開挖時為減小對既有橋樁的影響，基坑與橋樁中間布置鉆孔灌注樁，基坑開挖時采用分層放坡開挖，隨著基坑開挖進行噴射混凝土及土釘施作。

圖1 管廊與橋樁位置平面

該綜合管廊為兩艙結構，寬9.4m、高4m，頂板、側壁、底板均厚0.5m，箱涵內凈高3m。其中，1艙架上方設有10kV電纜及通信線纜，下方設有DN400配水管和DN300再生水管；2艙設有預留再生水管DN300和預留能源管，管廊橫斷面如圖2所示。

圖2 綜合管廊結構斷面(單位：cm)

經勘察報告說明，該工程所在地層為第四系全新統人工填土層、第四系全新統湖積層、第四系上更新統沖洪積地層、第四系中下更新統冰水堆積層、白堊系上統灌口組泥巖層及泥質砂巖層，地表水主要為魚塘積水，水深1.8m，場地地下水主要為上層滯水和基巖裂隙水及第四系孔隙型潛水，施工前采用基坑降水方法以防止其危害。

2 模型建立

根據實際工程,利用MIDAS GTS NX進行原尺寸建模，模型將土層分為6層，整體模型如圖3所示，模型長170m、寬170m、高52m，內部結構如圖4所示。分4種工況，即基坑兩側鄰近既有橋樁部位分別設有支護樁、地下連續墻、土體注漿加固及未采取任何措施。施工工序為先施作既有橋樁，然后進行基坑支護，再以1m為單位進行基坑開挖，開挖的同時進行混凝土噴射，每開挖2m施作1層土釘，共開挖9次，施作管廊后進行回填。模型共38 884個單元，20 438 個結點，土體及結構參數分別如表1，2所示。

圖3 整體模型

圖4 模型內部結構

表1 土體參數

表2 結構參數

3 變形規律與控制措施

3.1 變形規律

先對未采用任何隔離防護措施的工況進行計算，主要對既有橋樁承臺中心點進行水平位移監測，所取位移為xOy平面內x，y軸水平位移矢量和。該模擬前3道工序為既有結構施作及位移清零，從工序4開始進行基坑開挖，當開挖完成后于工序12進行管廊施作，工序12后為回填土體。5，6號橋樁承臺中心點水平位移如圖5所示。由于5號橋樁處于管廊開挖基坑拐角處，兩側受基坑開挖作用影響，而6號橋樁僅一側受基坑開挖影響，經數值模擬，5號橋樁承臺中心點水平位移大于6號橋樁承臺。

圖5 橋樁承臺中心點水平位移(無措施)

由圖5可知，開挖開始時，土體由于基坑處應力缺失，開始產生內力從而導致位移，位移隨土體傳遞至橋樁處，使兩橋樁承臺中心點水平位移均有所增加，直至開挖完成位移達到最大，此時5號橋樁承臺中心點位移為9.79mm，6號橋樁承臺中心點位移為7.95mm。開挖完成后開始施作管廊箱涵，由于管廊的壓重作用，使基坑開挖產生的應力缺失得到補充。當進行到工序13時位移發生突變，然后在土體逐層回填過程中橋樁承臺中心點位移逐漸恢復，恢復過程由慢到快，這是由于前段回填過程為回填管廊兩側土體，影響較小，當回填土層超過管廊頂部后單次回填土量較大，故造成的位移恢復速度更快，回填完成時承臺中心點位移趨于0。

由模擬結果可知，施工過程中開挖完成時承臺位移量最大，此時最危險，基坑開挖過程中逐層開挖支護對土體本身應力場的維持起到了重要作用，但未采取措施的情況下，承臺中心點位移較大，對橋體上公路鐵路造成較大危害。

3.2 控制措施

3.2.1支護樁支護

本工程原方案采用支護樁，即在基坑兩側鄰近5，6號橋樁的位置施作樁體，樁身截面為圓形，直徑為800mm，樁間距為2m。支護樁及承臺位移如圖6所示，施作支護樁對橋樁位移有明顯控制效果，承臺中心點位移較無措施而言，5號橋樁由9.79mm變為5.26mm，位移減小46%，6號橋樁由7.95mm變為4.01mm，位移減小50%。5號橋樁一側支護樁位移更大，最大值為8.41mm，另一側最大值為7.87mm。

圖6 結構水平位移云圖(支護樁)

承臺中心點水平位移曲線如圖7所示。由圖7可知，在相同施工工序下，承臺中心點位移趨勢與無措施時幾乎相同，但在支護樁隔離的條件下，開挖完成時的最大位移明顯減小，在回填完成時其位移也更接近原始值，施工過程中對橋樁位移的控制起到了顯著效果。

圖7 橋樁承臺中心點水平位移(支護樁)

3.2.2地下連續墻支護

工況3采用地下連續墻代替支護樁，地下連續墻厚度為1m，與支護樁設置為同一位置，施工階段保持不變。經求解計算，基坑開挖完成時，橋樁承臺水平位移達到最大，其中5號承臺中心點位移為5.40mm，比無措施相比減小45%；6號承臺為3.88mm，比無措施相比減小51%。地下連續墻最大位移為6.59mm。結構水平位移如圖8所示。

圖8 結構水平位移云圖(地下連續墻)

承臺中心點水平位移如圖9所示。由圖9可知，相比無措施而言，地下連續墻在施工過程中對土體位移控制也起到了顯著作用，因此，采用支護樁和地下連續墻在減小土體位移方面作用突出，而對于結構隨施工產生的位移規律影響很小。模擬中，地下連續墻和支護樁所起到的作用相似，在相同工況下均可將既有橋樁承臺位移減小約50%，但地下連續墻相比支護樁而言，耗費材料更多，在實際工程中需全面考慮以制定方案。

圖9 橋樁承臺中心點水平位移(地下連續墻)

3.2.3土體注漿加固

土體注漿加固采用高壓旋噴注漿形成水泥土，開挖前進行旋噴注漿可有效填充土體空隙，達到加固效果。設置加固厚度為1m，位置緊鄰基坑兩側，結構水平位移如圖10所示。當開挖達到最大時，注漿區最大位移達9.91mm，注漿土體水平位移相比支護樁及地下連續墻略大，而5，6號橋樁承臺中心點位移分別達6.42，4.34mm，兩承臺相比無措施位移減小分別為34%，45%。兩承臺中心點水平位移曲線如圖11所示，位移趨勢在土體注漿加固方案下相比無措施變化不大。因此，采用高壓旋噴注漿雖然比前2種方案施工更快，也更節約成本，但其對于既有結構位移的控制效果較差，更易造成危害，在實際工程中應在施工前評估方案是否可行。

圖10 結構水平位移云圖(土體注漿加固)

圖11 橋樁承臺中心點水平位移(土體注漿加固)

4 結語

1)地下綜合管廊施工過程通常涉及基坑開挖，基坑開挖中土體側面卸荷會造成土層應力場發生改變，使土體發生較大位移，從而導致周圍既有結構變形。本工程既有5，6號橋樁鄰近管廊基坑，水平位移隨基坑開挖發生相應變化，位移最大值發生在基坑開挖完成時。不采取控制措施時，5號橋樁承臺中心點位移為9.79mm，6號橋樁承臺中心點位移為7.95mm，而后隨著基坑回填位移逐漸減小，回填完成時幾乎達到原有水平，該過程會導致橋體發生較大偏移，造成危害。

2)基坑開挖過程中，通過對基坑和既有結構施加防控措施可有效減小既有結構位移。分別對施加支護樁、地下連續墻及土體注漿加固3種方案展開研究，得出支護樁可使5號承臺中心點原有位移減小46%，6號承臺減小50%；地下連續墻可使5號承臺中心點原有位移減小45%，6號承臺減小51%；而注漿加固可使5號承臺中心點原有位移減小34%，6號承臺減小45%。通過對比3種方案，采取支護樁和地下連續墻方案更有效，在基坑開挖支護、管廊施作、基坑回填過程中，支護樁和地下連續墻對于既有橋樁水平位移均起到了有效控制效果，而土體注漿加固也在一定程度上減小了橋樁位移，有效降低了施工風險。在實際工程中應合理運用此類防控措施，以減小施工可能產生的危害。