某深基坑工程鄰近橋梁樁基施工影響分析

王世清， 林森斌

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 城交分院，天津 300251)

0 引言

地鐵車站基坑鄰近施工已成為地鐵建設(shè)工程的重要風(fēng)險(xiǎn)。隨著地鐵建設(shè)速度的提高，基坑深度逐漸增大，與周邊建(構(gòu))筑物的距離也在不斷縮減?；娱_(kāi)挖導(dǎo)致周邊地層位移變形，進(jìn)而對(duì)鄰近建(構(gòu))筑物(基礎(chǔ))產(chǎn)生不可忽略的影響。通常情況下，基礎(chǔ)形式較好(如樁基礎(chǔ))的建(構(gòu))筑物抵抗影響的能力較強(qiáng)，但對(duì)于鐵路、橋梁等重點(diǎn)建筑物，對(duì)變形控制標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的建(構(gòu))筑物，基坑開(kāi)挖對(duì)其的影響不容忽視。

對(duì)于橋梁樁基，基坑開(kāi)挖對(duì)其產(chǎn)生的影響主要包含兩個(gè)方面:一方面土體位移導(dǎo)致樁身受力不均勻產(chǎn)生彎曲變形，從而使樁身極限承載力變化;另一方面土體下沉對(duì)樁身產(chǎn)生負(fù)摩阻力荷載，使得樁身外荷載增大。

目前，隨著施工技術(shù)水平的提高，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐體系設(shè)置合理的基礎(chǔ)上，地層加固、隔離樁等措施已廣泛用于基坑周邊建(構(gòu))筑物的保護(hù)。在既有研究的基礎(chǔ)上，本文針對(duì)某深基坑鄰近橋梁樁基施工案例，利用平面有限元模型，對(duì)基坑開(kāi)挖、地基加固、隔離樁、鄰近樁基進(jìn)行整體模擬，研究基坑、加固體、樁基之間的相互作用關(guān)系，分析結(jié)果為本工程的設(shè)計(jì)及施工提供理論指導(dǎo)。

1 工程案例

1．1 工程概況

某地鐵車站主體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)176．3 m，為地下兩層三跨矩形框架結(jié)構(gòu)側(cè)式站臺(tái)車站。本站位于立交橋東側(cè)，主體結(jié)構(gòu)與立交橋平行布置，該橋建于2003 年，主橋部分為雙向通行。

本站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)距橋面邊緣距離為3．23 ～6．3 m，距橋墩承臺(tái)邊緣距離為7．03 ～14．76 m，橋梁下部承臺(tái)結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)采用4 根Φ1．2 m，L = 54 m 的鉆孔灌注樁，橋梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力35 m 跨連續(xù)箱梁，橋面寬度為12．75 m。

車站主體采用明挖法施工，基坑標(biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖深度為20．981 ～21．260 m，有效站臺(tái)中心里程處開(kāi)挖深度為21．129 m，基坑寬度27．1 m;小里程端頭井處開(kāi)挖深度為22．645 ～22．678 m，基坑寬度29．10 m;大里程端頭井處開(kāi)挖深度為22．964 ～22．997 m，基坑寬度30．15 m，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1．00 m 厚地下連續(xù)墻，靠近橋樁一側(cè)采用1．2 m 厚地下連續(xù)墻。

主體基坑與立交橋橋梁、樁基相對(duì)位置關(guān)系如圖1、圖2 所示。

圖1 主體基坑與立交橋橋梁樁基平面位置關(guān)系圖

圖2 主體基坑與立交橋立面關(guān)系圖

表1 內(nèi)支撐參數(shù)表

圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地連墻+內(nèi)支撐聯(lián)合支護(hù)形式，地連墻厚度為1 200 mm。內(nèi)支撐采用4 道混凝土支撐，支撐斷面尺寸見(jiàn)表1?？油獠捎蒙顚訑嚢铇都庸?，加固寬度3 m，深度為坑底下10 m;坑內(nèi)加固范圍為基坑靠近東風(fēng)橋側(cè)，B 軸至基坑邊段坑底采用攪拌加固，加固深度至坑底下4 m;隔離樁采用Φ600@1 000 鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)28．5 m(約坑底下5．5 m)。

1．2 模型概況

1．2．1 模型概述

模型計(jì)算采用MIDAS-GTS 4．0 有限元計(jì)算軟件，建立二維平面模型。為減小邊界約束對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，使模擬結(jié)果更接近實(shí)際情況，建模范圍取X 方向(橫向)95．78 m(取樁外側(cè)15 m，基坑邊外側(cè)30 m)，Y 方向(垂直向)80 m，地應(yīng)力場(chǎng)按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮。

模型模擬時(shí)，結(jié)構(gòu)與巖土之間的界面，采用虛擬接觸單元，單元特性為法向剛度較大，剪切剛度較小，以此來(lái)模擬接觸面滑動(dòng)特性。

1．2．2 約束及荷載

模型四周法向約束，頂面為自由面，底面為垂向約束。主要荷載:

(1)橋梁墩臺(tái)自重。橋梁自重:平均跨度35 m，橋面寬度8 m(0．5 m 防撞墻+15 m 行車道+0．5 m 防撞墻)，厚度2．5 m，連續(xù)箱梁截面面積約12．0 m2。橋墩自重:平均高度8 m，2 m(長(zhǎng))×1．5 m(寬);車輛荷載:根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)于城-A 級(jí)橋梁，標(biāo)準(zhǔn)載重汽車采用五軸式貨車加載。車道荷載均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值q = 10 kN/m，集中力P = 300 kN。

承臺(tái)總荷載:F = W橋梁+ W橋墩+ F車輛= 25 ×12 ×35 +25 ×8 ×2 ×1．5 +10 ×35 ×15 +300 ×4 =17 750 kN。P = F/A = 17 750/5．3/5．3 = 624．78 kPa，該荷載直接作用于承臺(tái)上。

(2)地面超載。盾構(gòu)井段30 kPa。

(3)坑底加固。加固厚度為4．000 m;加固土的物理指標(biāo):c = 50．00 kPa;φ = 40．00°;γ = 19．0 kN/m3;m = 33．0 MN/m4;Kmax= 40．0 MN/m3。

1．2．3 建模結(jié)果地層參數(shù)采用計(jì)算斷面附近地層，按地質(zhì)勘查報(bào)告建議參數(shù)取值。模型全景如圖3、圖4 所示。

圖3 模型全景

圖4 主要構(gòu)件圖

1．3 計(jì)算工況

主要計(jì)算參數(shù):基坑寬度30．150 m，深度22．996 m，4 道支撐，地連墻長(zhǎng)45．0 m，與承臺(tái)最小凈距7．03 m。方案一未采取加固措施，方案二坑底、坑外加固，設(shè)隔離樁。

1．4 計(jì)算及分析

主要計(jì)算結(jié)果如圖5 ～圖11 所示。

表3 加固前后變形控制對(duì)比

由以上計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

圖5 位移云圖

圖6 坑底位移

圖7 承臺(tái)豎向位移

圖8 承臺(tái)水平位移

1．4．1 隔離樁及坑內(nèi)、外土體加固措施

坑外加固、坑內(nèi)加固、隔離樁三個(gè)措施，提高了樁基與地連墻間的土體整體性，對(duì)既有樁基起到較好的保護(hù)作用。采用坑內(nèi)加固措施，能夠很好地控制基坑坑底位移(靠近樁基側(cè)地連墻最大水平位移出現(xiàn)在加固土體下部)，對(duì)控制基坑坑底位移、坑內(nèi)隆起，維持基坑穩(wěn)定起了重要的作用。樁基水平位移圖顯示，未采用任何措施時(shí)，基坑開(kāi)挖導(dǎo)致地層向基坑方向產(chǎn)生一定位移，樁基受到的影響較大;而采用坑外內(nèi)加固、隔離措施后，基坑工程對(duì)樁基的影響主要集中在坑底以下段落，該段落附近地層相對(duì)較好，對(duì)于地面承臺(tái)、橋墩及橋梁的影響較小。

圖9 樁基沉降

圖10 樁基水平位移

圖11 地面沉降

隔離樁及坑內(nèi)、外土體加固措施，極大程度控制了基坑自身及周邊土體的變形。采用相應(yīng)措施后，基坑坑底水平位移減小了7．6 mm，地面沉降減小了9．12 mm;對(duì)于樁基與承臺(tái)，其豎向位移(沉降值)減小幅度約為50%，水平位移由未加固工況下的10．36 mm(向基坑方向移動(dòng))減小至不足1 mm，樁基及承臺(tái)的變形得到極好的控制。

對(duì)于基坑工程自身，地連墻剛度較大，配合混凝土內(nèi)支撐體系，能夠較好地控制變形。根據(jù)一級(jí)基坑變形控制要求，地面沉降不超過(guò)0．1H% (22．996 mm)，坑底水平位移不超過(guò)0．14H% (32．194 mm)。本次計(jì)算中，在采取加固措施后，基坑的變形控制滿足規(guī)范要求。

1．4．2 基坑工程對(duì)樁基影響

采取加固及隔離措施后，樁基最大沉降值約3．76 mm，承臺(tái)最大沉降值約3．60 mm，水平位移0．92 mm，遠(yuǎn)小于橋梁墩臺(tái)變形控制要求。

2 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)計(jì)算分析，本工程鄰近立交橋樁基施工，基坑深度達(dá)22．996 m，屬深基坑工程。在未采取任何加固、隔離措施工況下，樁基、承臺(tái)變形位移超限，無(wú)法滿足建(構(gòu))筑物變形控制要求。因此，設(shè)計(jì)擬采用以下坑內(nèi)加固、坑外加固及隔離樁措施，采取措施后可將各種影響降至可接受范圍之內(nèi)。

對(duì)于近距離施工，目前的技術(shù)水平，主要采用隔離、保護(hù)兩種指導(dǎo)思想。對(duì)于無(wú)法躲避且又在影響范圍內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，其控制措施主要可分為三類:隔離、加強(qiáng)工程自身措施、加固被保護(hù)體。隔離控制技術(shù)是明挖法、盾構(gòu)法和淺埋暗挖法鄰近強(qiáng)烈影響區(qū)施工的最為有效的變形控制技術(shù)。而保護(hù)的方法有多種，需視具體情況而異，但就其保護(hù)對(duì)象而言，可分為兩種。一為加強(qiáng)工程自身措施，通過(guò)采用更強(qiáng)的工程措施，更先進(jìn)的工藝，減少工程對(duì)周邊土體的擾動(dòng)，常用措施有加強(qiáng)支護(hù)剛度、加固地基土體等。另一種為對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行加固保護(hù)，對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)建(構(gòu))筑物應(yīng)遵循“先加固、后施工”的原則。

［1］楊敏，朱碧堂． 超載軟土地基被動(dòng)加固控制鄰近樁基變形的分析［J］． 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(11):1912-1918．

［2］雷陽(yáng)．基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物影響的數(shù)值分析［D］．天津:天津大學(xué)，2006．

［3］鄭剛，顏志雄，雷華陽(yáng)，等． 基坑開(kāi)挖對(duì)臨近樁基影響的實(shí)測(cè)及有限元數(shù)值模擬分析［J］． 巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29(5)．

［4］胡承軍，劉燕，劉濤． 坑外攪拌樁加固對(duì)基坑變形的影響分析［J］． 巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(增刊):1858-1860．

［5］杜金龍，楊敏． 鄰近基坑樁基側(cè)向變形加固控制分析［J］． 結(jié)構(gòu)工程師，2008，24(5)．