高架橋橋基與地下車站深基坑近距離施工相互影響分析

周 超，丁春林，李桂穎，朱海星

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804; 2.中鐵四局集團第四工程有限公司，安徽 合肥 230012）

國內外許多學者開展了基坑下穿高架橋施工的研究。木林隆[1]提出了基坑開挖對鄰近樁基豎向和水平向影響的兩階段分析方法。Zhang[2]基于HS-Small 本構模型建立了地鐵基坑緊鄰既有橋樁開挖的有限元模型，結合現場實測數據證明了數值模擬結果的準確性。胡軍[3]以深基坑鄰近高速鐵路橋基開挖為背景，發現深基坑開挖導致基坑底部隆起,圍護結構向坑內發生移動，且樁基上部變形較大,下部變形較小。現有研究主要圍繞既有橋基修建下穿基坑，通過對橋基周圍土體加固來控制基坑和橋基之間的相互影響。本文重點關注高架橋需要和深基坑同步施工，基于高鐵高架橋橋基穿越在建臺州某車站地鐵深基坑施工技術，利用Midas GTS NX 軟件，對高鐵橋基和地鐵深基坑全生命周期施工過程進行數值模擬，通過有限元分析得出兩者受力變形變化規律，為工程安全順利進行提供理論依據。

1 工程概況

1.1 場地土條件與車站結構

臺州某地下車站為市域鐵路S1 線與S2 線的換乘站。根據地質勘察報告，該工程場地屬沖海積平原區，地形平坦開闊，深厚層軟土為該工程的主要特殊巖土，深度可達70 m。軟土地基的強度低、穩定性差和不均勻沉降及變形大等，是主要工程地質問題。勘探深度范圍內的土層自上而下分為8 個主要土層，特殊巖土主要包括淤泥、淤泥質黏土和黏土。地層主要物理力學參數如表1 所示。

表1 地層物理力學參數表Tab.1 Physical mechanical parameters of soil layer

該車站為東西向布置的地下3 層車站。主體長約232 m，深度約31.41 m。基坑圍護結構采用地下連續墻和內支撐。地下連續墻厚度為1 150～1 250 mm，深度為67～71 m。基坑內部從上至下依次設有4 道混凝土支撐，2 道鋼支撐。混凝土支撐為900 mm×1 200 mm 的矩形截面，支撐采用C30 混凝土；鋼支撐采用直徑為800 mm 的鋼管，鋼管壁厚為16 mm。基坑底部為C20 混凝土墊層，厚度為20 cm。

高架橋橋基第22～23 跨穿越了S2 線在建深基坑，橋梁承臺距離基坑邊緣僅0.6 m。高架橋樁基為泥漿護壁法施工的鉆孔灌注樁，樁長77 m，直徑1.25 m，樁間距為3.6 m，距離承臺邊緣1 m，采用梅花形布置；承臺厚2.2 m，寬5.6 m，長7.7～30.8 m，為現澆施工。橋墩高11 m，橋梁待基坑和橋基施工完成后架設。高架橋橋基與S2 線基坑斷面如圖1所示。

圖1 高鐵橋基與基坑斷面示意圖（單位：m）Fig.1 Cross section of foundation pit and overpass bridge foundation（Unit：m）

1.2 施工過程介紹

工程地質為深厚軟土，為了保障開挖過程中基坑與高鐵橋基的穩定性，在開挖過程中嚴格依照“時空效應”理論[4-6]。主要施工步驟分為以下3個階段。

階段1：基坑在縱向分為6 層，每次開挖前都應該在對應位置及時設置支撐，待支撐達到設計強度85%以后，方可開挖基坑。基坑開挖過程中遵守“隨挖隨撐，嚴禁超挖”的原則，從上至下依次開挖。基坑開挖至基底后，應減少基底暴露時間，在清除完基底棄土后，盡早施作基坑底板，以保證基坑穩定性。

階段2：待基坑開挖完成并施作底板后，進行高鐵橋基施工。

階段3：待高鐵橋基施工完成后，進行基坑回筑與支撐的拆除工作。

2 施工數值模擬

2.1 計算理論

本文在施工模擬計算中，對深厚軟土層采用了修正Mohr-Coulomb 模型（MMC），該模型常用于淤泥軟土或砂土的數值分析[7]。MMC 模型中，土體的硬化可以分為兩個部分：剪切硬化和壓縮硬化。剪切硬化用于模擬主偏量加載產生的塑性應變，壓縮硬化用于模擬各向同性加載中主壓縮產生的塑性應變。

2.1.1 剪切硬化

MMC 模型為雙曲線模型，其屈服條件由剪切硬化和壓縮硬化組成，其相應的剪切硬化屈服函數f 表達式如

式中：E50為三軸壓縮試驗中的割線剛度；Eur為卸載彈性模量；γp為塑性切應變函數，和式（2）相同，也由E50和Eur決定；q 為偏應力，qa為MMC 雙曲線模型漸近線對應偏應力。

2.1.2 壓縮硬化

上述剪切硬化不能解釋土體在等向壓縮過程中產生塑性體積應變這一現象，因此在剪切屈服面基礎上引入壓縮硬化橢圓屈服面來包圍靠近水平軸向的彈性區域。壓縮屈服函數（橢圓形）如

式中：α 為相關的輔助參數，由正常固結下K0決定；為偏應力的一種特殊應力測量，和土體的φ 角有關；P 為平均應力；Pp為先期固結壓力，由切線剛度Eoed決定等。

E50、Eur、Eoed由決定。其中應力相關冪指數m，軟件中有推薦取值；本次計算中c、φ、ES按場地土勘察地質資料取值，其他各模量按經驗[8]取值如

2.2 計算模型

本計算模型如圖2 示。模型結合了工程場地實際地質情況，土層采用修正摩爾庫倫本構模型，土層參數按照地質勘測報告數據選取。用三維實體單元模擬土層，用板單元模擬地下連續墻，用結構單元模擬基坑樁基與支撐。

圖2 計算模型圖Fig.2 Calculation model

高架橋橋基施工模擬計算時，通過先后激活設置的樁基單元、承臺單元和橋墩單元，根據其自重應力場變化來模擬高架橋整體橋基施工。

結合實際情況，邊界條件的設置為：模型四周設置法向水平位移約束，底部設置X，Y，Z 方向的位移約束，頂部邊界為自由表面。

模型基坑寬為23.7 m，深度為30.8 m，土體選用實體單元進行模擬，計算模型沿S2 基坑長度方向為160 m，模型高度為100 m，沿基坑寬度方向為109.3 m。

2.3 計算工況模擬

數值模擬過程分為三個階段，11 個工況。階段1 進行基坑開挖，共7 個工況（S1～S7）；階段2 進行高鐵橋基，共1 個工況（S8）；階段3 進行基坑支撐拆除，共3 個工況（S9～S11）。

工況1（S1）：施作第1 道支撐，并開挖第1 層土；

工況2（S2）：施作第2 道支撐，并開挖第2 層土；

工況3（S3）：施作第3 道支撐，并開挖第3 層土；

工況4（S4）：施作第4 道支撐，并開挖第4 層土；

工況5（S5）：施作第5 道支撐，并開挖第5 層土；

工況6（S6）：施作第6 道支撐，并開挖第6 層土；

工況7（S7）：施作基坑底板；

工況8（S8）：高鐵橋基施工；

工況9（S9）：撤除第5、第6 兩道內支撐，施做基坑中二板和第3 層的內襯墻；

工況10（S10）：撤除第4、第3 兩道內支撐，并施做第2 層內襯墻以及中一板；

工況11（S11）：撤除第2、第1 兩道內支撐，并施做第一層內襯墻以及基坑頂板。

3 計算結果分析

3.1 基坑開挖結果分析

3.1.1 基坑地表沉降變形

當基坑開挖完成后取垂直基坑縱向跨中截面處數值模擬結果，將采樣點從工況1 開挖至工況7地表沉降變化繪制成圖3 所示。

圖3 基坑跨中截面地表沉降圖Fig.3 Settlement of foundation-pit mid-span section

分析可知，基坑地表最大沉降出現在距離基坑大約10 m 的位置。基坑開挖至坑底時，最大沉降為37.65 mm。工況2 沉降增幅為50%，工況3 增幅為58%，工況4 增幅為43%，工況5 增幅為16%，工況6 增幅為3%，工況7 增幅為5%。當基坑開挖至工況2～工況4 區間時，地表沉降增加幅度較大，這是因為工況4 之前土層主要為強度很低的淤泥，且土層性質變化較大，在施工時應注意監測。

3.1.2 地下連續墻側向變形

取地連墻跨中斷面為采樣截面，按采樣點結果將地下連續墻側向變形繪制成圖4 所示。

圖4 不同工況下地下連續墻側向變形圖Fig.4 Graph of lateral deformation of diaphragm wall under different working conditions

分析可知，隨著基坑開挖，地下連續墻的位移逐漸增大，且最大位移位置隨基坑開挖深度增加而下移，最終最大位移大致出現深度為25 m 處，距離基坑底部約5.8 m，位移量為38.5 mm。說明超深基坑地下連續墻位移發生在基底以上一定距離處，與普通基坑地連墻最大位移發生在基底以下不同。這是因為上部土層性質要比基底以下土層性質差，已產生較大變形[9]。當基坑開挖至工況2～工況4 區間時，地連墻側向位移發展明顯，在施工時應對相應位置做好加固措施，并定期監測。

3.2 高鐵橋基施工影響分析

3.2.1 基坑地表沉降變形

基坑開挖完成并封底后，需要進行高鐵橋基施工。高鐵橋基施工前后基坑地表采樣點位置處沉降數值模擬對比結果如圖5 所示。

圖5 橋基施工前后基坑地表沉降圖Fig.5 Surface settlement of foundation pit before and after bridge foundation construction

可以發現，基坑地表最大沉降為41.26 mm，距離基坑約10 m。相比高鐵橋基施工之前，沉降增大3.61 mm，說明基坑圍護結構效果較好。

3.2.2 地下連續墻側向變形

橋基施工完成后，按采樣點結果繪制地下連續墻位移如圖6 所示，發現橋基施工并未對地連墻側移產生明顯影響，峰值僅增大0.2 mm。

圖6 橋基施工前后地連墻側移圖Fig.6 Lateral deformation of diaphragm wall before and after bridge foundation construction

3.2.3 高鐵橋墩變形

高鐵橋基施工后，由圖7 所示的變形云圖可知，承臺外側沉降比內側大，這是因為深基坑開挖導致了周圍土體的變形，使得距離基坑邊緣10 m內，基坑地表沉降呈現出逐漸增大的趨勢，10 m 以外沉降開始減小。由于高鐵橋基承臺距離基坑邊緣僅0.6 m，因此承臺外側距離基坑邊緣距離較遠，其沉降比承臺內側沉降大。在施工高鐵橋基時，需注意周圍土體變形，以減小承臺的沉降差，同時需要注意土體沉降引起負摩擦力，從而加大樁身應力[10]。可以對樁基一定范圍內土層，采用高壓旋噴樁等措施進行加固，以減小樁基沉降[11]。

圖7 高鐵橋基豎向變形云圖Fig.7 Contour diagram of vertical deformation of highspeed railway bridge foundation

3.3 基坑支撐拆除變形分析

3.3.1 基坑變形

橋基施工完成后，基坑后期撤除內支撐，施做內襯墻和中隔板對基坑和高鐵橋基變形也會產生影響。拆撐過程中的跨中截面基坑地表變形隨施工推進變化趨勢如圖8 所示。

圖8 基坑拆撐回筑后基坑地表沉降Fig.8 Surface settlement of the foundation pit after braces demolition of foundation pit

由于地連墻的圍護作用和邊拆邊回筑的車站中隔板的支撐作用，且數值模擬忽略了混凝土拆撐過程機械破除對結構的擾動，該階段并未引起明顯基坑變形。但現場混凝土支撐常需要繩鋸切除和機械破除，有的支撐甚至需要爆破拆除，因此需要在支撐兩端圍檁靠近地下連續墻處設置好能量隔離孔，以減小爆破對地下連續墻的損害。

3.3.2 高鐵橋墩變形

支撐拆除后高鐵橋基變形云圖如圖9 所示。承臺外側最大沉降為4.1 mm。與拆撐之前相比，沉降有所增長。由拆撐完成后基坑地表變形和橋基承臺沉降可知，拆撐和車站回筑會導致基坑和橋基沉降增加，但由于車站結構也具有一定支撐作用，變形增長主要是由于施工擾動引起，結構物整體變形量不明顯，穩定性和安全性可以得到保證。

圖9 基坑拆撐回筑后高鐵橋基沉降Fig.9 Settlement of high-speed railway bridge foundation after braces demolition of foundation pit

4 現場實測結果分析

根據設計要求，現場測試斷面在相應的位置用鉆機鉆孔，先開孔做鋼管保護井（孔徑150 mm，深度50 mm），再鉆孔130 mm，深950 mm 的測孔，且必須破開結構性表層，然后打入標準螺紋鋼標志點，最后在測孔周邊填滿細砂石防止監測點左右擺動，并按照距離基坑1，6，11，16，21 m 布置測點。

根據現場實測結果，整理得到基坑地表沉降現場實測與數值模擬結果對比如圖10 所示。

圖10 地表沉降與現場實測對比圖Fig.10 Comparison graph of surface settlement between on-site measurement and numerical calculation results

現場實測基坑地表最大沉降為55.64 mm，相應數值模擬計算結果為42.83 mm, 數值模擬結果比實測結果地表沉降小23%左右，并且兩者反映出相同的規律，即隨著距基坑距離增大，地表沉降先增大后減小。實測結果略大是因為實際施工可能出現基坑超挖、基坑有一定暴露時間、支撐架設和開挖不是完全同步以及機具擾動等[12]。地表沉降最大處均發生在10～15 m 內，說明了數值模擬的準確性。

地連墻的現場實測與數值模擬的對比結果如圖11 所示。在基坑開挖完成后，地連墻最大側移位于25 m 深度左右。其中現場實測最大側移48.75 mm，數值模擬最大側移為39.4 mm，僅相差19.1%。現場實測沉降比數值模擬結果更大，是實際施工過程中存在各種施工機具擾動導致。兩者變化趨勢與拐點深度接近，可見數值模型結果具有較強的真實性和準確性。

圖11 地連墻側移現場實測與計算結果比圖Fig.11 Comparison graph of lateral displacement for diaphragm wall between on-site measurement and numerical calculation results

5 結論

1）基坑開挖階段，基坑最大沉降發生在距離基坑邊緣約0.4 倍基坑寬度，地表最大沉降為37.65 mm；地下連續墻最大位移出現在靠近基底上部，原因是基坑上部主要為黏土層，被動區土體性質很差，基坑內側設有支撐，導致地下連續墻側向位移峰值向下移動。

2）在高架橋橋基施工后，由于承臺外側基坑地表沉降處于發展階段，導致其外側沉降比承臺內側沉降大。為減小橋基和基坑施工之間的相互影響，可以對橋基周圍土體進行加固，以減小鄰近橋樁的內力。

3）基坑回筑與支撐拆除階段，基坑地表沉降和高鐵橋基沉降影響很小。需制定好拆撐方案，邊拆邊回筑，減小基坑的暴露時間，避免支撐拆除導致相鄰支撐軸力過大或損傷地下連續墻。

4）基坑地表最大沉降計算值比實測值約小23%，地連墻側移峰值計算值比實測值約小19.1%。這與實際開挖過程中基坑暴露時間、基坑排水以及機具擾動等因素有關；兩者反映出相同的變化規律，說明結果具有一定可靠性。