深基坑開挖對(duì)鄰近高鐵橋墩的影響分析

王 軍

(無錫市軌道交通發(fā)展有限公司,江蘇無錫 214043)

隨著國內(nèi)城市化進(jìn)程的快速發(fā)展,大批的地下工程不斷涌現(xiàn)。在城市環(huán)境中,高層建筑、高架橋梁等密布云集,而深基坑開挖有時(shí)會(huì)不可避免要位于橋梁下方或建(構(gòu))筑物鄰近位置,基坑開挖時(shí)必定會(huì)引起周邊土體的變形,過量的變形將影響鄰近建(構(gòu))筑物的正常使用,甚至導(dǎo)致破壞。因此,必須在整個(gè)基坑施工期間對(duì)其變形進(jìn)行監(jiān)測,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整開挖和支護(hù)措施,以保護(hù)鄰近建(構(gòu))筑物不因過量變形而影響它們的正常使用或破壞。

1 工程及設(shè)計(jì)情況

1.1 工程概況

無錫市地鐵N號(hào)線與滬寧城際某站地下配套工程為地下二層鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu),位于無錫市境內(nèi)滬寧城際鐵路某高架站下方,平面上與城際線路成正十字交叉,高架橋墩樁長約43 m,距基坑兩側(cè)邊緣各6.12 m?；幼冃慰刂票Ｗo(hù)等級(jí)為一級(jí),深約14 m,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用長25 m,直徑 φ1200 mm鉆孔灌注樁,樁間采用高壓旋噴樁止水帷幕,外加1排高壓旋噴樁隔水帷幕,支撐系統(tǒng)為一道鋼筋混凝土支撐 +兩層鋼管支撐。由于滬寧城際臨近試運(yùn)營期,對(duì)本基坑開挖所引起的墩臺(tái)沉降要求控制在 ±2.5 mm以內(nèi)。

本基坑工程采用明挖順筑法施工,分三段三層依次開挖,2010年3月3日開始開挖,3月22日開挖全部完成,4月30日頂板澆筑完成。

1.2 地質(zhì)及水文情況

根據(jù)地質(zhì)剖面圖,基坑開挖揭露地層自上而下主要為：人工填土層、硬塑為主的黏土、稍密飽和的粉土和軟塑為主的粉質(zhì)黏土等。基底位于軟塑為主的粉質(zhì)黏土中,該土層工程力學(xué)性能較差。

場地地下水主要有：上層滯水、微承壓水及承壓水,上層滯水含水層主要埋藏在淺部人工填土層中,水位埋深雖很淺(1～2 m),但滲透性差,對(duì)本工程建設(shè)產(chǎn)生的不利影響較小。

微承壓含水層主要分布在稍密飽和的粉土層中,該層土屬富水性中等的有壓含水層。當(dāng)?shù)叵鹿こ淌┕r(shí),在挖至粉土層時(shí)坑底及坑壁易會(huì)產(chǎn)生管涌、冒砂等現(xiàn)象,引起坑壁坍塌。

2 沉降機(jī)理分析

基坑工程的施工引起建(構(gòu))筑物的沉降一般認(rèn)為是由基坑土方開挖造成坑外土體位移和坑外水位降低,導(dǎo)致土體固結(jié)引起的。

基坑開挖的過程實(shí)際上是基坑開挖面上豎向卸載、坑壁水平卸載的過程?；娱_挖后,圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外的土體將由初始的靜止土壓力狀態(tài)向被動(dòng)和主動(dòng)土壓力狀態(tài)轉(zhuǎn)變,應(yīng)力狀態(tài)的改變引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受荷載并導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形,而圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形使坑外主動(dòng)壓力區(qū)和坑內(nèi)壓力區(qū)的土體發(fā)生位移,圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生水平位移,使圍護(hù)墻背后土體水平應(yīng)力減小,導(dǎo)致剪力增大,出現(xiàn)塑性破壞,引起土層出現(xiàn)沉降。該沉降是受基坑開挖深度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、支撐強(qiáng)度、支撐架設(shè)速度、地表荷載和地質(zhì)條件等多種因素影響的。

眾所共知,土體一般由土體顆粒、孔隙水和氣體三相組成,而土體的變形主要是由孔隙水排出、氣體體積減小和土體骨架發(fā)生錯(cuò)動(dòng)造成的。在飽和土中孔隙水壓縮量很小,孔隙體積變化主要是孔隙水排水引起的,當(dāng)坑外水位降低時(shí),孔隙壓力消散,土體有效應(yīng)力增加,土體骨架產(chǎn)生瞬時(shí)和蠕動(dòng)變形,引起土體的固結(jié)沉降,對(duì)建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生向下的負(fù)摩阻力,而在基坑開挖過程中,如圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)出現(xiàn)滲漏水的同時(shí)還伴隨著坑外的土體流失?？油馔翆訐p失后,又加大坑外土體土層產(chǎn)生位移,一定程度上也加劇了周邊建(構(gòu))筑物的沉降。

3 橋墩沉降計(jì)算值與實(shí)測值對(duì)比分析

鑒于基坑開挖對(duì)城際高鐵沉降影響的重要性,設(shè)計(jì)單位在基坑開挖前建立模擬基坑開挖的Hardening Soil模型,在最不利工況下進(jìn)行計(jì)算,估算基坑各施工階段引起城際高鐵橋墩的沉降值,將計(jì)算值和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,以分析基坑施工不同工況下對(duì)橋墩沉降影響。

在整個(gè)基坑施工期間,城際橋墩沉降較為穩(wěn)定,基坑開挖第一層土墩臺(tái)平均沉降至-0.05 mm；開挖第二層土墩臺(tái)平均沉降至-0.60 mm；開挖第三層土墩臺(tái)平均沉降至-0.58 mm；底板澆筑完畢后墩臺(tái)平均沉降至-0.13 mm；中板澆筑完畢后墩臺(tái)平均沉降至-0.27 mm；頂板澆筑完畢后墩臺(tái)平均沉降至-0.28 mm。如圖1所示。

圖1 各施工階段橋墩沉降曲線

城際橋墩沉降計(jì)算值與實(shí)測值對(duì)比如表1所示。

表1 橋墩沉降計(jì)算值和實(shí)測值對(duì)比

從表1中可以看出,實(shí)測值和計(jì)算值差異不大,整個(gè)基坑施工期間對(duì)橋墩沉降影響較小,而對(duì)沉降影響相對(duì)較大的階段均為土方開挖階段,其中主要集中在第二層土方開挖后,對(duì)橋墩沉降影響占整個(gè)沉降量的80%左右。

從實(shí)際施工情況、地質(zhì)條件和監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析各施工階段橋墩沉降情況及相關(guān)影響因素：

(1)基坑第一層土方開挖較淺,涉及土層主要為硬塑為主的黏土,工程力學(xué)性質(zhì)較好,抗剪切能力較強(qiáng),圍護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)偏移較小,坑外土層相應(yīng)損失較小。此外,該基坑首層支撐采用鋼筋混凝土支撐,而鋼筋混凝土支撐整體性、抗變形能力相比鋼支撐較強(qiáng),對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形約束能力也相應(yīng)加大,間接地減小了坑外土體的變形。

(2)隨著基坑開挖至下層飽和、稍密狀粉土,該層土工程性質(zhì)較差,并富含微承壓水,開挖后基坑內(nèi)側(cè)出現(xiàn)較多滲漏點(diǎn),并有個(gè)別較大涌水點(diǎn),坑外水位下降達(dá)報(bào)警指標(biāo)(如圖2),而施工單位堵漏、排水工作相應(yīng)滯后,坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)受涌水長時(shí)間的泡槽影響工程力學(xué)性能迅速下降,圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外水土壓力差加大,推動(dòng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)產(chǎn)生更大的變形。此外,因基坑部分區(qū)域位于高架下方,吊車受凈高限制,鋼支撐架設(shè)進(jìn)度也相應(yīng)滯后,一定程度上加大了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形,從而加劇了坑外土體的損失。

圖2 各施工階段地下水位變化曲線

(3)從實(shí)測值中可以看出,基坑開挖第三方土方后,橋墩基礎(chǔ)有輕微的上升。根據(jù)現(xiàn)場施工情況分析,基坑出現(xiàn)較大涌水點(diǎn)后,施工單位在坑內(nèi)進(jìn)行注漿堵漏,同時(shí)在坑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)與橋墩基礎(chǔ)之間進(jìn)行注漿加固,注漿壓力較大,漿液的擴(kuò)散對(duì)周圍的土體產(chǎn)生壓縮,致使周圍土體產(chǎn)生膨脹、隆起等現(xiàn)象。通過及時(shí)的注漿加固,有效的控制了橋墩基礎(chǔ)的沉降速率,但在進(jìn)行坑外注漿加固的同時(shí),注漿壓力過大也會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域圍護(hù)結(jié)構(gòu)像坑內(nèi)產(chǎn)生較大的偏移,這也是開挖第三層后期少數(shù)樁體向坑內(nèi)偏移顯著的主要原因。如圖3所示。

圖3 各施工階段樁體變化曲線

(4)從整個(gè)基坑施工階段橋墩實(shí)際平均沉降值后分析,滬寧城際高架橋墩基礎(chǔ)受基坑施工影響較小,一方面由于基坑在施工過程中得到了有效的施工控制,圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境受施工影響較為穩(wěn)定；另一方面是城際橋墩樁基采用了大直徑的43 m較長樁基,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大,對(duì)基坑兩側(cè)潛在滑裂土體的抗滑能力較強(qiáng),樁基變形較小。同時(shí),基坑兩側(cè)大直徑高架橋墩長樁基承擔(dān)了兩側(cè)較大的土體主動(dòng)土壓力,起著第一道隔斷作用,很大程度上減小了圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)與橋墩樁基之間的深層土體的變形。

4 結(jié)論

深基坑內(nèi)支撐系統(tǒng)采用鋼筋混凝土支撐 +鋼支撐組合體系,充分發(fā)揮了鋼筋混凝土支撐整體性好、抗變形能力強(qiáng)和鋼支撐架設(shè)進(jìn)度快、可多次加力的優(yōu)點(diǎn),減小前者時(shí)空效應(yīng)差、后者變形大等帶來的負(fù)面影響,兩種類型支撐相輔相成、互補(bǔ)不足,從而有效地控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊土體在整個(gè)基坑施工期間的的變形,這種組合體系在以后類似深基坑工程中應(yīng)普遍予以應(yīng)用。

本工程因工期緊縮的影響,圍護(hù)樁外隔水帷幕未達(dá)到強(qiáng)度即進(jìn)行開挖,造成開挖到富含微承壓水的粉土層后出現(xiàn)了較大的涌水點(diǎn),這也是導(dǎo)致坑外高架墩臺(tái)在這一階段沉降較大的主要原因。建議在以后類似基坑工程須待圍護(hù)體系達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再進(jìn)行后繼的土方開挖。同時(shí)施工單位應(yīng)合理安排好施工工期,并充分做好注漿堵漏、抽排積水的應(yīng)急準(zhǔn)備措施。

在基坑周邊建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)外側(cè)進(jìn)行注漿加固,可以有效控制基坑施工期間周邊建(構(gòu))筑物的沉降量,但在加固地基的同時(shí)也加劇了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。因此,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)注漿加固機(jī)理的研究,使其更好的為深基坑開挖、盾構(gòu)施工以及建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)加固保護(hù)等工程服務(wù)。

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[3]王夢恕.隧道與地下工程技術(shù)及其發(fā)展[M].北京：北京交通大學(xué)出版社,2004