鄰近既有橋墩處隧道基坑開挖變形控制方案探討

羅永磊

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)佛山斯美設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 佛山 528200）

0 引言

隨著城市交通壓力的日益加重，為了改善城市擁堵的交通狀況，下穿隧道或跨線橋成為在交叉口處維持道路快速化的常用方案。當(dāng)一條現(xiàn)狀快速路主路是高架橋，輔路與改造路垂直平交時(shí)，改造的路若選用跨線橋方案勢(shì)必導(dǎo)致橋梁引橋長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，道路改造長(zhǎng)度增加，增加工程造價(jià)，且高架橋?qū)Φ缆穬蓚?cè)地塊分割程度較大，顯然不是最優(yōu)方案。此時(shí)往往選擇隧道依次下穿既有快速路輔路及主路方案，該方案雖然克服了高架橋的缺點(diǎn)，但受既有橋跨度、隧道結(jié)構(gòu)寬度等影響，使得基坑距離既有橋墩較近，開挖卸荷過(guò)程中難免會(huì)對(duì)基坑周邊土體產(chǎn)生擾動(dòng)，進(jìn)而使橋樁產(chǎn)生附加變形，設(shè)計(jì)時(shí)需評(píng)估出影響程度并采取針對(duì)性措施，保障橋梁的正常運(yùn)營(yíng)安全[1]。通過(guò)研究基坑開挖對(duì)周邊的變形影響規(guī)律，做到在設(shè)計(jì)方案階段充分論證，做好附加措施，將基坑開挖對(duì)橋墩的影響降至最低。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者研究了基坑開挖對(duì)周邊既有橋墩或者建（構(gòu)）筑物的影響規(guī)律，高東、汪東林[2]研究了既有高架橋樁距離基坑開挖邊線的平面距離在基坑開挖時(shí)對(duì)橋墩變形的影響，提出了在10m以內(nèi)影響較大，20m以上時(shí)影響較小。木林隆等[3]基于小應(yīng)變特性的基坑開挖對(duì)鄰近樁基影響分析中提出基坑開挖深度應(yīng)越小越好，樁基距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)越遠(yuǎn)越好，樁在距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)0.5倍的開挖深度時(shí)最危險(xiǎn)，變形最大。馮虎[4]總結(jié)了上海地區(qū)58個(gè)開挖深度19m的基坑工程地下連續(xù)墻變形特性的規(guī)律，指出圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平向最大變形出現(xiàn)在0.89倍開挖深度處，且最大位移出現(xiàn)在開挖面以上的比例占到79%，僅在墻趾以下有軟土?xí)r基坑最大變形位于開挖面以下。

本文以某新建隧道工程下穿佛山一環(huán)快速路工程為例，通過(guò)研究基坑開挖對(duì)既有橋樁的變形影響規(guī)律，提出了減小橋墩及圍護(hù)樁變形的處理方案，以期為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

某現(xiàn)狀路與佛山一環(huán)快速路兩側(cè)輔路平交，一環(huán)主線采用高架橋結(jié)構(gòu)，橋梁結(jié)構(gòu)為三跨一聯(lián)的簡(jiǎn)支T梁，分幅式斷面，雙向八車道?，F(xiàn)狀交叉口處橋梁底距離現(xiàn)狀路面凈空約6.5m，相鄰橋墩承臺(tái)間凈跨35.5m。為適應(yīng)交通快速化的需要，需在該交叉口處實(shí)施快速化改造，經(jīng)過(guò)比選確定采用新建隧道下穿佛山一環(huán)兩側(cè)輔道及主線，路線走向按現(xiàn)狀線位擬合并結(jié)合隧道與橋墩的關(guān)系合理優(yōu)化調(diào)整。下穿隧道采用雙向六車道，全長(zhǎng)635m，輔道采用雙向四車道，現(xiàn)狀道路為雙向八車道，改造后規(guī)?；酒ヅ洹＞嚯x右側(cè)橋墩邊約85m處現(xiàn)狀為一河涌，因其距離一環(huán)輔路較近，隧道尚未接順路面，需將河涌改為箱涵，使隧道下穿箱涵。隧道相對(duì)位置如圖1所示。

圖1 新建隧道及周邊環(huán)境平面圖（單位：m）

擬建場(chǎng)地地下水主要為潛水，勘察施工期間實(shí)測(cè)鉆孔地下水穩(wěn)定水位埋深為1.30～2.70m，地下水位受季節(jié)性影響，地下水主要靠地下水循環(huán)補(bǔ)給，其次靠大氣降水滲入補(bǔ)給及附近地表水體向下滲入補(bǔ)給。根據(jù)鉆孔揭露場(chǎng)地巖土層參數(shù)見表1。

表1 地質(zhì)參數(shù)

道路總體平縱確定好后的隧道結(jié)構(gòu)凈寬26.7m，結(jié)構(gòu)壁厚1.1m，結(jié)構(gòu)總寬28.9 m，橋墩處基坑開挖深度13.5m，隧道在橋墩間基本居中布置，結(jié)構(gòu)邊線距離現(xiàn)狀橋墩承臺(tái)僅3.3m，是橋墩處基坑開挖深度的0.24倍。可見基坑開挖過(guò)程中對(duì)橋墩的影響很大，因此合理控制基坑開挖過(guò)程中的變形，保證橋墩結(jié)構(gòu)安全是該項(xiàng)目的重中之重。受一環(huán)橋下凈空的影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)不能選用剛度大、止水效果好的地下連續(xù)墻，只能選用鉆孔灌注樁支護(hù)輔以高壓旋噴樁止水方案。根據(jù)擬建場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件，圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用 ?1200@1400鉆孔樁，雙排?800@600高壓旋噴樁止水帷幕，四道內(nèi)支撐，第一道為混凝土支撐，第二至第四道為鋼管支撐。支護(hù)斷面如圖2所示。根據(jù)場(chǎng)地相對(duì)位置關(guān)系，建立整體有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，如圖3所示。

圖2 既有橋墩處基坑圍護(hù)斷面圖（單位：mm）

圖3 基坑整體有限元分析模型圖

2 基坑開挖周邊變形規(guī)律

2.1 圍護(hù)樁變形

經(jīng)計(jì)算，圍護(hù)樁變形如圖4所示，隨工況變形曲線如圖5所示。最大變形8.93mm，最大位置位于樁頂以下9.2～10.7m，在坑底以上約1/5開挖深度位置。開挖至坑底時(shí)，受基坑底土層土拱效應(yīng)[5-6]及空間效應(yīng)的影響，較大的變形已經(jīng)在靠前的開挖步中完成了，挖坑底附近時(shí)對(duì)應(yīng)位置圍護(hù)樁的變形較前階段小，因此控制圍護(hù)樁變形時(shí)應(yīng)注意對(duì)于軟弱土層卸荷時(shí)圍護(hù)樁變形的控制，以及坑底以上3～6m的土層開挖圍護(hù)樁變形的控制。

圖4 圍護(hù)樁變形云圖

2.2 橋樁豎向變形

根據(jù)計(jì)算，橋樁最大豎向變形為1.35mm，發(fā)生在基坑開挖至坑底標(biāo)高時(shí)。在接下來(lái)的拆撐工況時(shí)，橋樁的豎向變形變化不大，基坑開挖卸荷引起周邊鄰近土體的擾動(dòng)，產(chǎn)生地表沉降，從而使鄰近橋樁側(cè)摩阻力減小，進(jìn)而引起橋樁沉降。

圖5 圍護(hù)樁隨工況變形曲線圖

2.3 橋樁向基坑方向變形

橋樁在基坑開挖過(guò)程中受周邊土體擾動(dòng)的影響，產(chǎn)生一定的彎曲變形，最大變形位置隨開挖深度的加深逐步往下移動(dòng)。根據(jù)圖6橋樁彎曲變形的規(guī)律，橋樁為類懸臂樁變形模式，水平位移最大值出現(xiàn)在樁端。由于承臺(tái)與承載單樁樁頂剛接，承臺(tái)約束了樁頂?shù)膹澢冃?，因此橋樁的水平變形位于樁頂以下某一深度。受基坑開挖深度、地質(zhì)、樁身剛度、樁長(zhǎng)等因素綜合影響，若為群樁基礎(chǔ)，受近基坑樁的遮擋作用，后樁的變形較前樁小。根據(jù)計(jì)算，橋樁隨基坑開挖工況的變形規(guī)律如圖6所示，樁頂最大水平位移4.2mm，樁身最大水平位移6.0mm，出現(xiàn)在基坑深度7.5～10.7m。因該基坑自地面以下2.5～8.5m為淤泥質(zhì)土，橋樁的最大變形位置與圍護(hù)樁基本協(xié)調(diào)一致，最大位移出現(xiàn)在基坑開挖至底部及拆撐工況。

圖6 既有橋墩樁基向基坑方向變形曲線圖

3 減小基坑對(duì)既有橋墩影響方案

3.1 從總體方案入手，盡量減小橋墩處基坑開挖深度

基坑開挖深度越淺，周邊變形越小。距離一環(huán)橋墩右側(cè)約85m處為一現(xiàn)狀河涌，隧道沿道路縱向相繼穿越一環(huán)左幅輔道、左右幅高架橋墩、右幅輔道、箱涵（河涌改造為箱涵布置于隧道結(jié)構(gòu)頂）后出地面。從總體布置方案出發(fā)，為減小在現(xiàn)狀橋墩處的基坑開挖深度，需減小隧道位于橋墩處暗埋段的覆土厚度，因此將隧道最低點(diǎn)設(shè)置在河涌中線處。為減小隧道總體長(zhǎng)度及深度，將箱涵斷面加寬，凈高壓縮，采用四孔斷面滿足水利過(guò)水?dāng)嗝嬉蟆Ｋ淼蓝温肪€縱坡自左至右先以3.6%的坡度下穿一環(huán)輔道進(jìn)入暗埋段，坡長(zhǎng)201m；后以2.0%的坡度到最低點(diǎn)（期間經(jīng)過(guò)橋墩），坡長(zhǎng)201m；最后以4.5%的坡度出地面與路基段接順，坡長(zhǎng)250m。此時(shí)隧道在現(xiàn)狀橋墩處最大開挖深度13.5m，總體最大開挖深度16m，位于改造河涌中線處。

3.2 合理增加基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度

該項(xiàng)目中因既有高架橋下凈空僅有6.5m，不滿足地下連續(xù)墻的施工空間要求，因此選用鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁的圍護(hù)止水方案，圍護(hù)樁徑?1200@1400mm。比選了樁徑 0.8m、1.0m、1.2m時(shí)的變形情況，結(jié)論為基坑變形降幅較為明顯，圍護(hù)樁徑每增加0.2m，樁身最大水平位移平均降幅為2.0mm，坑外地表土體最大沉降平均降幅為1.0mm；在樁徑從1.2m增加至1.5m時(shí)，圍護(hù)樁變形降幅較小，圍護(hù)樁最大水平位移降幅為0.8mm，坑外地表土體最大沉降降幅為0.4mm。因此一味增加基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度來(lái)控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形并非最經(jīng)濟(jì)合理方案，甚至造成支護(hù)浪費(fèi)，加大樁徑引起圍護(hù)樁及止水帷幕距離既有橋墩更近，圍護(hù)樁及止水帷幕施工時(shí)對(duì)橋墩產(chǎn)生的擾動(dòng)更大，對(duì)橋墩甚至產(chǎn)生更加不利的影響。

3.3 做好止水設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制基坑內(nèi)外地下水土流失

基坑開挖屬于打破地層既有平衡的過(guò)程，基坑開挖不可避免伴隨著坑外水土流失?？油馔亮魇?dǎo)致樁周土體變得松散，特別是近基坑側(cè)土體流失較遠(yuǎn)離基坑側(cè)多，土對(duì)樁的圍壓作用減小，樁身兩側(cè)受力不平衡導(dǎo)致樁身產(chǎn)生水平位移；坑外水位降低導(dǎo)致土層產(chǎn)生壓縮固結(jié)，對(duì)樁身產(chǎn)生負(fù)摩阻力，引起樁身軸力的增加，因此應(yīng)做好坑內(nèi)外地下水的止水設(shè)計(jì)。該工程坑底位于透水性土層中，設(shè)計(jì)采用注漿處理，改良土體減小其滲透性，防止坑底突涌；因圍護(hù)樁距離既有橋樁較近，坑外土層應(yīng)在施工圍護(hù)樁之前進(jìn)行加固，采用袖閥管注漿，樁周對(duì)稱注漿，并嚴(yán)格控制注漿配合比和注漿壓力，避免對(duì)地面及地層擾動(dòng)過(guò)大。

3.4 合理設(shè)計(jì)基坑開挖方案

根據(jù)時(shí)空效應(yīng)的原理，合理開挖空間尺寸，做到分塊分層開挖，隨挖隨撐，并做好坑底排水，減小基坑暴露時(shí)間。該工程基坑開挖至第四道支撐底并施加支撐后，剩余的約3.0m開挖深度范圍內(nèi)按分塊開挖考慮，按圖7中W1～W4的四塊開挖考慮，基坑縱向上按圖8先施工左側(cè)橋墩處基坑Q1，再施工右側(cè)橋墩處Q2，后施工Q3、Q4。在施工過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)橋墩處圍護(hù)樁變形、周邊地表沉降、橋墩承臺(tái)沉降及水平位移的監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)反饋監(jiān)測(cè)結(jié)果，并做好應(yīng)急預(yù)案。

圖7 既有橋墩處基坑分塊開挖斷面圖（單位：mm）

4 結(jié)語(yǔ)

基坑施工安全及施工時(shí)保證鄰近既有橋墩安全是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，設(shè)計(jì)和施工均至關(guān)重要。設(shè)計(jì)應(yīng)更具有前瞻性，能夠預(yù)見基坑施工過(guò)程中對(duì)既有橋樁變形影響的關(guān)鍵點(diǎn)，并采取行之有效的措施，將對(duì)周邊環(huán)境的影響降至最低。施工應(yīng)按設(shè)計(jì)要求施工，并做好應(yīng)急預(yù)案。本文通過(guò)研究基坑開挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)、鄰近橋墩的變形規(guī)律，進(jìn)而針對(duì)性地提出減小既有橋樁變形的方案，希望對(duì)離既有橋樁較近范圍內(nèi)的基坑設(shè)計(jì)及施工帶來(lái)一些啟發(fā)。

圖8 既有橋墩處基坑分塊開挖平面圖（單位：m）