基坑開挖施工對(duì)既有城市橋墩安全影響研究

摘要 隨著城市化進(jìn)程的加速，基坑開挖施工在城市橋梁附近的頻率逐漸增加，基坑開挖對(duì)既有橋墩的安全性構(gòu)成潛在威脅。該文通過理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了基坑開挖施工對(duì)城市橋墩的影響。研究?jī)?nèi)容包括基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境和橋墩的潛在影響，數(shù)值模擬基坑開挖過程中橋墩的響應(yīng)，以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比。研究結(jié)果表明：基坑開挖過程中土體移動(dòng)、地下水位變化和施工振動(dòng)對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有顯著影響。通過優(yōu)化基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工藝，可以有效減小此類影響，保障橋墩的安全性。

關(guān)鍵詞 基坑開挖，樁基，有限元分析，基坑監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào) TU753 U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）04-0145-03

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加速，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)模和復(fù)雜性日益增加。城市橋梁作為城市交通系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著巨大的交通流量。然而，隨著城市建設(shè)的發(fā)展，基坑開挖等地下工程施工不可避免地在橋梁附近進(jìn)行，這對(duì)既有橋墩的安全性提出了新的挑戰(zhàn)[1，2]。基坑開挖過程中土體的移動(dòng)、地下水位的變化以及施工振動(dòng)等因素，都會(huì)對(duì)橋墩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生潛在影響。因此，研究基坑開挖施工對(duì)既有城市橋墩安全性的影響具有重要的理論和實(shí)際意義[3]。

該研究旨在通過理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)分析基坑開挖施工對(duì)既有城市橋墩安全性的影響機(jī)理，提出有效的安全防護(hù)措施。具體研究?jī)?nèi)容包括：基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境和橋墩的潛在影響，數(shù)值模擬基坑開挖過程中橋墩的響應(yīng)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比等。

1 基坑開挖對(duì)橋墩的潛在影響

1.1 基坑開挖的基本原理

基坑開挖是城市地下工程施工中的重要環(huán)節(jié)，廣泛應(yīng)用于地下建筑、隧道、地鐵等工程中。其主要目的是在地表下挖掘出一個(gè)或多個(gè)空間，以便進(jìn)行基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的施工。基坑開挖的過程復(fù)雜，涉及土體力學(xué)、地下水力學(xué)、巖土工程等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。基坑開挖的基本原理包括以下幾個(gè)方面[4]：

（1）土體應(yīng)力平衡的破壞：在自然狀態(tài)下，土體處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)行基坑開挖時(shí)，土體的一部分被移除，原有的應(yīng)力平衡被打破。開挖區(qū)域周圍的土體將向基坑方向移動(dòng)，產(chǎn)生土體應(yīng)力重分布。這種應(yīng)力重分布可能導(dǎo)致周圍土體變形和沉降，進(jìn)而對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)物（如橋墩）產(chǎn)生影響。

（2）地下水位變化：基坑開挖往往需要降低地下水位，以確保施工的干燥環(huán)境。這通常通過設(shè)置降水井或排水系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。地下水位的降低會(huì)改變土體的應(yīng)力狀態(tài)和孔隙壓力，可能導(dǎo)致土體的固結(jié)和沉降。同時(shí)，地下水位變化還可能引起鄰近結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的不均勻沉降，影響其穩(wěn)定性。

（3）基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)：為防止基坑開挖過程中土體坍塌，通常需要設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)。常見的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)包括圍護(hù)樁、連續(xù)墻、支撐體系等。這些支護(hù)結(jié)構(gòu)不僅起到支撐土體的作用，還能在一定程度上控制土體變形和基坑周邊地面的沉降。然而，支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量對(duì)基坑周邊環(huán)境的影響至關(guān)重要，若設(shè)計(jì)不當(dāng)或施工質(zhì)量不佳，反而可能引發(fā)新的安全隱患。

（4）施工振動(dòng)：基坑開挖過程中使用的機(jī)械設(shè)備和施工工藝（如打樁、挖掘、爆破等）會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。這些施工振動(dòng)可能對(duì)周圍土體和鄰近結(jié)構(gòu)物（如橋墩）造成影響，尤其是長(zhǎng)期振動(dòng)可能導(dǎo)致土體的累積變形和結(jié)構(gòu)物的疲勞損傷。因此，施工振動(dòng)的控制和監(jiān)測(cè)也是基坑開挖施工中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

1.2 基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境和橋墩的影響

基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境和既有城市橋墩的影響主要體現(xiàn)在土體位移、地下水位變化和施工振動(dòng)等方面[5]。這些因素會(huì)導(dǎo)致地表沉降、基礎(chǔ)不均勻沉降、橋墩結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化等問題，影響橋墩的穩(wěn)定性和安全性[6]。

1.2.1 土體位移和地表沉降

基坑開挖過程中，周圍土體的應(yīng)力平衡被打破，導(dǎo)致土體向基坑內(nèi)側(cè)移動(dòng)。這種土體位移會(huì)引起地表的沉降，尤其是在軟弱土層和地下水位較高的地區(qū)，地表沉降現(xiàn)象更加明顯。地表沉降可能導(dǎo)致橋墩基礎(chǔ)的不均勻沉降，進(jìn)而影響橋墩的穩(wěn)定性和承載力。具體影響包括[7]：

（1）不均勻沉降：不同部位的沉降量不同，可能導(dǎo)致橋墩傾斜、結(jié)構(gòu)變形。

（2）基礎(chǔ)應(yīng)力增大：基礎(chǔ)的不均勻沉降增加了橋墩底部的應(yīng)力集中，可能引起橋墩基礎(chǔ)的局部破壞。

（3）橋墩裂縫：地表沉降引起的基礎(chǔ)變形和應(yīng)力集中可能導(dǎo)致橋墩產(chǎn)生裂縫，影響結(jié)構(gòu)安全。

1.2.2 地下水位變化

基坑開挖往往伴隨著地下水位的降低，以確保施工過程中的干燥環(huán)境。地下水位變化對(duì)周圍土體和橋墩基礎(chǔ)的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）土體固結(jié)：地下水位下降會(huì)導(dǎo)致土體固結(jié)，增加土體的有效應(yīng)力，可能引起地表進(jìn)一步沉降。

（2）基礎(chǔ)承載力變化：地下水位的變化影響土體的承載力，可能導(dǎo)致橋墩基礎(chǔ)承載力的降低，增加結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)。

（3）孔隙水壓力變化：地下水位下降導(dǎo)致土體孔隙水壓力的變化，影響土體的穩(wěn)定性和力學(xué)性質(zhì)，可能引起橋墩基礎(chǔ)的不均勻沉降。

1.2.3 施工振動(dòng)

基坑開挖施工過程中使用的機(jī)械設(shè)備（如挖掘機(jī)、打樁機(jī)等）會(huì)產(chǎn)生施工振動(dòng)，這些振動(dòng)可能對(duì)周圍環(huán)境和橋墩產(chǎn)生影響。具體表現(xiàn)為：

（1）振動(dòng)引起的土體松動(dòng)：施工振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致土體顆粒重新排列，可能引起土體局部松動(dòng)和沉降。

（2）橋墩結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)：施工振動(dòng)對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)荷載，可能引起橋墩結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，長(zhǎng)期振動(dòng)可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞損傷。

（3）累積變形：反復(fù)的施工振動(dòng)可能導(dǎo)致土體的累積變形，進(jìn)一步加劇地表沉降和基礎(chǔ)不均勻沉降。

1.2.4 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量直接影響基坑開挖過程中對(duì)周圍環(huán)境和橋墩的影響。如果支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)或施工質(zhì)量不佳，可能出現(xiàn)以下問題：

（1）支護(hù)結(jié)構(gòu)失效：支護(hù)結(jié)構(gòu)失效可能導(dǎo)致基坑周圍土體的大量位移和地表沉降，嚴(yán)重影響橋墩的穩(wěn)定性。

（2）過度變形：支護(hù)結(jié)構(gòu)的過度變形會(huì)增加土體的移動(dòng)量，加劇地表沉降和基礎(chǔ)不均勻沉降。

（3）地下水滲漏：支護(hù)結(jié)構(gòu)如果不能有效阻止地下水滲漏，可能導(dǎo)致基坑內(nèi)水位難以控制，影響基坑周圍土體的穩(wěn)定性和橋墩基礎(chǔ)的安全。

綜上所述，基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境和既有城市橋墩的影響主要體現(xiàn)在土體位移和地表沉降、地下水位變化、施工振動(dòng)以及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)等方面。深入研究這些影響機(jī)制，采取有效的防護(hù)措施，是保障基坑開挖施工過程中橋墩安全性的關(guān)鍵。

2 數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)分析

2.1 案例概況

某城市民生工程因施工地下空間需要開挖基坑，基坑長(zhǎng)20 m，寬15 m，開挖深度5 m，在基坑西北方向距離基坑邊緣3 m處既有一個(gè)橋梁樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)為端承樁設(shè)計(jì)。開挖處地質(zhì)情況較好，上層素填土較淺，下層為砂質(zhì)土，排水良好。為減小對(duì)樁基的影響，靠近樁基側(cè)不放坡開挖。

2.2 數(shù)值模擬方法

2.1.1 模型建立及參數(shù)設(shè)置

為分析基坑開挖對(duì)既有樁基的影響，同時(shí)考慮地質(zhì)情況，采用有限元分析軟件MidasFEA進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬，樁基采用C30混凝土，范圍內(nèi)土體采用均質(zhì)材料進(jìn)行模擬，密度按照1 900 kg/m3考慮，彈性模量按照12 MN/m2，

泊松比按照0.25考慮。土體共劃分5 120個(gè)單元，樁基劃分為120個(gè)單元，同時(shí)計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)上部荷載，施加在樁基頂端。有限元單元?jiǎng)澐秩鐖D1所示。

2.1.2 模擬結(jié)果分析

既有樁基及土體在開挖后（工況1），豎向位移如圖2所示，主拉應(yīng)力如圖3所示。

從圖2中可以看出，在基坑開挖后，土體整體保持穩(wěn)定狀態(tài)，豎向位移均勻分布，但樁基由于上部荷載的作用，具有較大豎向位移。從圖3中可以看出，樁基及附件應(yīng)力較小，整體安全狀態(tài)未發(fā)生破壞，在基坑拐角處存在應(yīng)力集中，在開挖過程中應(yīng)特別注意，必要時(shí)可增加斜撐或切角開挖，釋放應(yīng)力。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地布局安排，在基坑右側(cè)距離基坑邊緣2 m處布置有一均布荷載（工況2），荷載面積約為6 m2，荷載大小為3 kN/m2，在該荷載影響下，土體豎向位移及應(yīng)力分布分別如圖4、5所示。

從圖4中可以看出在局部荷載作用下作用位置處豎向位移較大，容易引起局部土體失穩(wěn)。從圖5中可以看出，在局部荷載堆積的情況下，堆積區(qū)域下方的土體產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，且應(yīng)力消散較快，僅在約1倍長(zhǎng)寬范圍內(nèi)具有應(yīng)力附加。綜上，在開挖基坑時(shí)應(yīng)特別注意防止在基坑周邊堆載集中荷載。

2.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為保證基坑的穩(wěn)定性以及對(duì)既有樁基的影響，在基坑開挖過程中對(duì)樁基頂部橫向位移以及基坑頂部向基坑內(nèi)部的位移進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)與有限元分析進(jìn)行對(duì)比，判斷土體及樁基的整體安全性。

從圖6及圖7可以看出，實(shí)測(cè)的位移均小于有限元計(jì)算位移值，說明實(shí)際土體情況由于有限元模擬情況，同時(shí)在開挖4天之后，無論是樁基位移還是基坑橫向位移均趨于收斂，表明結(jié)構(gòu)整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)論

基坑開挖施工對(duì)既有城市橋墩的影響主要體現(xiàn)在土體位移、地下水位變化和施工振動(dòng)等方面。數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)分析結(jié)果顯示：基坑開挖會(huì)導(dǎo)致橋墩產(chǎn)生不均勻沉降和結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化。通過合理設(shè)計(jì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，控制地下水位和施工振動(dòng)，可以有效減小此類負(fù)面影響，確保橋墩的安全性。建議在實(shí)際施工中，結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和調(diào)整，進(jìn)一步提高基坑開挖施工的安全管理水平。

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收稿日期：2024-08-30

作者簡(jiǎn)介：肖寅冬（1975—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：市政工程管理。