鉆孔灌注樁開挖對緊鄰既有橋梁影響研究

葛鵬，黃方林，溫偉斌，馮帆，何彬

鉆孔灌注樁開挖對緊鄰既有橋梁影響研究

葛鵬1，黃方林1，溫偉斌1，馮帆1，何彬2

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2. 中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430064)

舟山市新城大橋改擴建工程新建提籃拱橋緊鄰既有橋，由于鉆孔灌注樁與既有橋樁基最近距離僅為6.3 m，為研究鉆孔灌注樁開挖對既有橋樁基變形的影響，在鉆孔灌注樁開挖過程中對既有橋的變形進行監(jiān)測，并結(jié)合有限元對鉆孔灌注樁開挖過程進行仿真模擬。實測數(shù)據(jù)分析表明：對于單根鉆孔灌注樁開挖和多根鉆孔灌注樁同時開挖這2種工況，測點橫向位移最大值分別為1.96 mm和3.26 mm，縱向位移最大值分別為1.70 mm和2.57 mm，鉆孔灌注樁開挖過程中除需考慮開挖帶來的影響外，還應(yīng)該考慮既有橋周圍環(huán)境如臺風(fēng)、人群和車輛荷載的影響。數(shù)值計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合較好，開挖不影響既有橋的正常運營，變形監(jiān)測和數(shù)值計算為現(xiàn)場開挖提供了重要指導(dǎo)。本研究成果可為類似工程提供參考。

拱橋；鉆孔灌注樁；現(xiàn)場監(jiān)測；有限元法；受力分析

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，橋梁建設(shè)規(guī)模不斷擴大，城市中新建橋梁鄰近既有橋梁建造的情況愈發(fā)常見。鉆孔灌注樁具有開挖時無振動、無擠土、噪音小等優(yōu)點，在樁基開挖中得到廣泛的應(yīng)用，但是鉆孔灌注樁開挖對周圍土體的影響范圍能達到1.5倍樁深[1]，對5倍樁徑范圍之內(nèi)土體有較大影響[2]，既有大橋如果距離太近，鉆孔灌注樁開挖不可避免的會引起周圍土體的擾動，繼而還會對既有橋梁樁基產(chǎn)生一定的應(yīng)力擾動[3?6]，嚴重的會導(dǎo)致既有橋梁傾斜、開裂，甚至導(dǎo)致破壞，從而造成巨大的經(jīng)濟損失。目前，有大量既有橋梁樁基是處于水面以下，工程地質(zhì)條件復(fù)雜多變，鉆孔灌注樁開挖對于這類既有橋梁影響難以評定，且監(jiān)測存在一定困難。當(dāng)前，國內(nèi)外關(guān)于工程施工對既有橋樁基位移影響的研究主要集中在隧道施工和基坑開挖2個方面[7?13]，而關(guān)于鉆孔灌注樁開挖對既有橋樁基位移影響的研究較少，相關(guān)實測數(shù)據(jù)缺乏，且少有實際工程經(jīng)驗可供借鑒。為此，本文以舟山市新城大橋改擴建工程新建提籃拱橋工程為背景，新建大橋橋跨布置為(36+148+36) m，主橋全長220 m。通過在既有大橋上布置測點以監(jiān)測新橋鉆孔灌注樁開挖過程中既有大橋的水平位移，結(jié)合有限元軟件，建立鉆孔灌注樁開挖的三維有限元模型，分別研究單獨1根鉆孔灌注樁和多根鉆孔灌注樁同時開挖對鄰近既有大橋位移影響的變形規(guī)律，為新建提籃拱橋鉆孔灌注樁開挖期間緊鄰的既有大橋安全、正常運營提供重要數(shù)據(jù)，為今后類似工程施工提供參考。

1 工程簡介和測點布置

1.1 工程概況

既有大橋為中承式提籃拱橋，橋跨布置為(36+148+36) m，主橋全長220 m。既有大橋主橋墩為16號墩、17號墩，過渡墩為15號墩、18號墩，既有橋梁主橋基礎(chǔ)采用直徑1.2 m的B2型預(yù)應(yīng)力混凝土大管樁，主墩采用分離式基礎(chǔ)，每個基礎(chǔ)采用12根預(yù)應(yīng)力大管樁，過渡墩亦采用分離式基礎(chǔ)，每個基礎(chǔ)采用4根預(yù)應(yīng)力大管樁，15號和18號過渡墩樁長約40 m，16號和17號主墩樁長約60 m。

新建大橋與既有橋平面圖見圖1，新建大橋主橋基礎(chǔ)采用直徑1.8 m鉆孔樁，本文主要以既有大橋17號主橋墩旁的鉆孔灌注樁開挖區(qū)域為研究對象，2號和3號鉆孔灌注樁開挖區(qū)域距離既有大橋樁基直線距離僅為6.3 m。

圖1 新建大橋與既有大橋平面圖

1.2 監(jiān)測點布置

因既有橋梁樁基處于水下，工程地質(zhì)條件復(fù)雜多變。為監(jiān)測既有大橋整體位移變化，在既有大橋靠近鉆孔灌注樁開挖一側(cè)的16號主墩和17號主墩拱座，過渡墩15號和18號墩身布置測點(測點距離承臺頂面1.5 m)，以掌握鉆孔灌注樁施工對既有大橋位移影響的規(guī)律。每個測點位置設(shè)置棱鏡，測點布置如圖2所示。測量以首次測得數(shù)據(jù)為原始基準數(shù)據(jù)，開挖中監(jiān)測頻率一天一次。

2 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析

本文主要針對以下3種情況展開研究，1) 無鉆孔灌注樁開挖；2) 單根鉆孔灌注樁開挖+泥漿灌注；3) 多根鉆孔灌注樁同時開挖+泥漿灌注?，F(xiàn)場監(jiān)測時間從2017年6月14號開始，2017年9月10號結(jié)束，提取3種工況數(shù)據(jù)：1) 6月16號至20號，這時無鉆孔灌注樁施工，且土體受鉆孔灌注樁開挖影響??；2) 8月1號至5號，這時只有2號鉆孔灌注樁開挖，無其他鉆孔灌注樁開挖干擾；3) 6月29號至7月6號，3號鉆孔灌注樁開挖期間，8號和11號鉆孔灌注樁同時在開挖。

(a) 16號和17號主墩拱座測點位置示意圖；(b) 15號和18號墩測點示意圖；(c) 棱鏡布置

(a) 無灌注樁開挖；(b)單根灌注樁開挖

注：橫向位移：“+”表示遠離鉆孔樁，“?”表示靠近鉆孔樁；縱向位移：“+”表示正北方向，“?”表示正南方向。

2.1 無灌注樁施工和單根灌注樁施工影響研究

通過1)和2)的實測數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，單根鉆孔灌注樁開挖期間，測點橫向位移變化量最大值為1.96 mm(遠離鉆孔樁)，縱向位移變化量最大值為1.70 mm(正南方向)。單根鉆孔灌注樁開挖對既有大橋的位移是有影響的。

2.2 單根灌注樁施工和多根鉆孔灌注樁同時施工影響研究

通過2) 和3) 的實測數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，多根鉆孔灌注樁同時開挖期間，測點橫向位移變化量最大值為3.26 mm(靠近鉆孔樁)，縱向位移變化量最大值為2.57 mm(7月1號，為?2.57 mm正南方向；7月2號，為2.57 mm正北方向)。多根灌注樁同時開挖要比一根灌注樁單獨開挖對既有大橋的位移影響大。

進一步分析，灌注樁開挖過程中，所測的既有大橋位移變化量最大值在16號墩測點，橫向位移變化量最大值3.26 mm(靠近鉆孔樁)，這是由于除了鉆孔灌注樁開挖會對鄰近既有大橋位移產(chǎn)生影響外，如車輛荷載、溫度、臺風(fēng)、漲落潮等環(huán)境影響因素也會對既有大橋位移產(chǎn)生影響。

單根鉆孔灌注樁開挖期間，橫向位移累積最大值為1.89 mm(靠近鉆孔樁)，縱向位移累積最大值為3.19 mm(正北方向)；多根鉆孔灌注樁同時開挖期間，橫向位移累積最大值為4.24 mm(靠近鉆孔灌注樁)，縱向位移累積最大值為4.18 mm(正北方向)。綜上可以看出鉆孔灌注樁開挖對既有大橋正常行車安全影響較小。

(a) 無灌注樁開挖；(b) 單根灌注樁開挖

(a) 單根灌注樁開挖；(b)多根灌注樁開挖

(a) 單根灌注樁開挖；(b) 多根灌注樁開挖

3 有限元模擬

3.1 模型建立

總體模型計算區(qū)域的選取充分考慮鉆孔灌注樁開挖引起的邊界效應(yīng)。模型長度取300 m，寬度取200 m，高度取80 m。主拱和邊拱與拱座采用剛性連接，主墩和過渡墩與承臺采取彈性連接。模型底部為豎向位移約束，兩側(cè)為水平法向位移約束，模型頂面為自由面。模型采用混合網(wǎng)格劃分自動生成網(wǎng)格，橋梁嵌入土層的區(qū)域和鉆孔灌注樁施工區(qū)域進行網(wǎng)格加密。本模型為了考慮海水的影響設(shè)立了水位線，來模擬海水的影響。具體模型網(wǎng)格如圖7所示。

3.2 模型相關(guān)參數(shù)

全橋有限元模型單元數(shù)為501 954個，計算節(jié)點為2 642 827個，土層采用實體單元模擬；拱肋、風(fēng)撐、橫梁、立柱、橋面系主梁均采用空間梁單元模擬；拱橋吊桿采用桁架桿單元模擬。土體采用摩爾?庫倫本構(gòu)模型，具體各土層參數(shù)如表1所示。

(a) 總體模型；(b) 既有大橋整體模型；(c) 網(wǎng)格加密區(qū)域

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

計算荷載考慮結(jié)構(gòu)自重；人群、車輛荷載[14]；泥漿護壁：本文參考公式σ=，其中，是施加的靜水壓力，是泥漿重度，是樁孔深度[15]。泥漿的重度既不能過大(過大不但影響挖孔效率，還會影響混凝土澆注質(zhì)量)，也不能過小(過小影響孔壁穩(wěn)定)。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，合理取值。

因舟山市地處溫帶，易受臺風(fēng)影響，且7～9月為臺風(fēng)季節(jié)，臺風(fēng)或熱帶風(fēng)暴十分頻繁，對既有大橋位移影響不容忽視，結(jié)合本工程特點，風(fēng)荷載簡化為靜風(fēng)荷載[14?16]，計算時按風(fēng)向一(正東)和風(fēng)向二(正西)2個方向考慮。

3.3 有限元計算結(jié)果

本文主要以離鉆孔灌注樁開挖區(qū)域最近的17號測點為研究對象，結(jié)合實際施工工序，本模擬分析分別針對2號鉆孔灌注樁單獨開挖+泥漿灌注和3號，8號和11號鉆孔灌注樁同時開挖+泥漿灌注，以及鉆孔灌注樁開挖時風(fēng)向按風(fēng)向一(正東)和風(fēng)向二(正西)等多種工況進行分析研究。具體工況如下。

工況1：2號鉆孔灌注樁單獨開挖+泥漿灌注，風(fēng)向一；

工況2：2號鉆孔灌注樁單獨開挖+泥漿灌注，風(fēng)向二；

工況3：3號，8號和11號鉆孔灌注樁同時開挖+泥漿灌注，風(fēng)向一；

工況4：3號，8號和11號鉆孔灌注樁同時開挖+泥漿灌注，風(fēng)向二。

4 實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對比分析

從圖8～9可看出，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)基本處于數(shù)值模擬結(jié)果范圍內(nèi)，數(shù)值計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合良好。說明在建立有限元模型時參數(shù)取值以及荷載的簡化合理、有效，能夠較好地模擬鉆孔灌注樁開挖過程。實測和數(shù)值模擬結(jié)果表明，鉆孔樁開挖不影響既有大橋的正常運營。

(a) 每天橫向位移變化量；(b)每天縱向位移變化量

(a) 每天橫向位移變化量；(b) 每天縱向位移變化量

5 結(jié)論

1)單根鉆孔灌注樁開挖期間，測點橫向位移變化量最大值為1.96 mm(遠離鉆孔樁)，縱向位移變化量最大值為1.70 mm(正南方向)。

2)多根鉆孔灌注樁同時開挖期間，測點橫向位移變化量最大值為3.26 mm(靠近鉆孔樁)，縱向位移變化量最大值為2.57 mm。

3) 數(shù)值計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合良好，可為今后鉆孔灌注樁開挖對鄰近既有大橋的位移影響分析與安全控制措施提供指導(dǎo)，實測和數(shù)值模擬結(jié)果表明，鉆孔樁開挖不影響既有大橋的正常運營。

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Study on the influence of bored pile excavation on the adjacent existing bridge

GE Peng1, HUANG Fanglin1, WEN Weibin1, FENG Fan1,HE Bin2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. China Construction Third Engineering Bureau Co., Ltd., Wuhan 430064, China)

The newly-built basket arch bridge of the Zhoushan New Town Bridge reconstruction project is next to the existing bridge. The nearest distance between the bored pile and the existing bridge pile foundation is only 6.3 m. In order to study the influence of the excavation of the bored pile, the deformation of the existing bridge was monitored, and the finite element method was used to simulate the excavation of the bored pile. The analysis of the measured data shows that, the maximum lateral displacement of the measuring point is 1.96 mm and 3.26 mm, and the maximum longitudinal displacement is 1.70 mm and 2.57 mmrespectively for the two conditions of single bored pile excavation and multiple bored pile excavation. In addition to the effects of excavation, the surrounding environment of the existing bridge such as typhoons, crowds and vehicle loads should be considered during the excavation of bored piles. The numerical calculation results are in good agreement with the measured data, and excavation does not affect the normal operation of the existing bridge, Deformation monitoring and numerical calculations provide important guidance for site excavation. The research results can also provide reference for similar projects.

arch bridge; bored pile; field monitoring; finite element method; force condition analysis

U443.15

A

1672 ? 7029(2020)12 ?3111 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200095

2020?02?13

國家自然科學(xué)基金資助項目(51378504)

黃方林(1964?)，男，湖南邵東人，教授，博士，從事橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究；E?mail：375339481 @qq.com

(編輯 陽麗霞)