深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近高架橋影響及變形控制

高 麗

(中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司，天津 300222)

在大量的城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，涌現(xiàn)了很多環(huán)境復(fù)雜的基坑工程項(xiàng)目，特別是在市區(qū)修建地鐵時(shí)，不可避免對(duì)臨近構(gòu)筑物造成影響[1-3]，甚至有可能造成開(kāi)裂及倒塌現(xiàn)象。位于市區(qū)深基坑施工時(shí)，需要考慮多方面因素影響，如地質(zhì)條件、與構(gòu)筑物距離、施工保護(hù)措施等。

對(duì)于基坑變形機(jī)理的研究，主要集中在變形特征和控制措施上。劉燕等[4]研究了基坑變形與樁長(zhǎng)、基坑深度、支護(hù)樁間距的關(guān)系，從支護(hù)體系協(xié)同變形角度出發(fā)，推導(dǎo)了排樁變形的表達(dá)式。受軟弱土體橫向流動(dòng)作用，韓愛(ài)民等[5]研究了軟土地區(qū)基坑開(kāi)挖后群樁的相互作用，結(jié)果表明，受前后排樁基的影響，樁基內(nèi)力會(huì)發(fā)生重分布。

基坑對(duì)臨近高架橋梁的影響已有學(xué)者做了大量研究：楊敏[6]通過(guò)數(shù)值軟件對(duì)基坑開(kāi)挖與樁基相互作用進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，設(shè)置隔離樁可有效減小墻后土體側(cè)向位移，臨近樁基附加彎矩與開(kāi)挖深度呈正相關(guān)，并作了參數(shù)化分析。杜金龍[7, 8]考慮了軟土的特性，研究了軟土地區(qū)基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近構(gòu)筑物的影響，并推導(dǎo)了軟土的本構(gòu)模型。章榮軍[9]以武漢地鐵2號(hào)線為依托，通過(guò)流固耦合模型研究了降水作用下樁基的變形，并比較了降水方案對(duì)樁基變形的影響。

有限單元法作為一種成熟的數(shù)值計(jì)算方法，可以用于大體量基坑開(kāi)挖分析。本文以南京某地鐵基坑工程為依托，開(kāi)展深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近高架橋的影響研究。

1 工程概況

1.1 基坑支護(hù)方案

某車站基坑工程，基坑長(zhǎng)195 m、標(biāo)準(zhǔn)段寬24 m、開(kāi)挖深度22 m，采用明挖法施工。基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐體系，地連墻厚度0.8 m，基坑共分6次開(kāi)挖，開(kāi)挖深度分別為3.0、3.9、5.0、3.6、3.5、3.0 m，最后一次開(kāi)挖至坑底后澆筑底板。支護(hù)結(jié)構(gòu)材料及尺寸見(jiàn)表1。

表1 支護(hù)結(jié)構(gòu)類型及尺寸

1.2 橋梁概況

地鐵基坑下穿城市公路橋梁，下穿處為60 m跨度簡(jiǎn)支鋼箱梁，橋墩基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)32 m，樁徑1.0 m，強(qiáng)度等級(jí)為C30。承臺(tái)面積為5.5 m×5.5 m，為四樁基礎(chǔ)。下穿處橋梁樁基距離基坑最近僅9.8 m，基坑施工對(duì)鄰近橋梁樁基影響較大。

1.3 工程地質(zhì)條件

擬建車站場(chǎng)地處于長(zhǎng)江階地地貌單元，場(chǎng)區(qū)土層分布為素填土、粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖，土層物理性質(zhì)描述見(jiàn)表2。車站底板坐落于風(fēng)化巖上，場(chǎng)區(qū)穩(wěn)定水位埋深1.50～3.80 m。

表2 土層物理性質(zhì)描述

2 工程難點(diǎn)及解決方案

在深基坑工程方面，雖然國(guó)內(nèi)外已積累了豐富的理論經(jīng)驗(yàn)，但其施工風(fēng)險(xiǎn)較大，工程難點(diǎn)較為突出。對(duì)于本項(xiàng)工程，地鐵基坑下穿城市公路橋梁，基坑深度較大，工程地質(zhì)條件較差，局部存在深厚軟黏土，場(chǎng)地富含地下水及承壓水頭，地鐵深基坑距離高架橋樁基較近，僅9.8 m。高架橋現(xiàn)狀交通流量大，無(wú)法中斷交通。

為降低深基坑施工對(duì)鄰近高架橋的影響，在前期專家論證基礎(chǔ)上，擬在地鐵深基坑與樁基之間設(shè)置一排隔離樁。隔離樁采用?1 000 mm鉆孔咬合樁或水泥土攪拌樁，深度穿過(guò)黏性土層進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖，至坑底位置，兼起止水作用，以降低基坑降水對(duì)鄰近橋樁的影響。下穿處結(jié)構(gòu)、位置情況見(jiàn)圖1。

3 計(jì)算模型

3.1 模型建立

為簡(jiǎn)化分析，建立橋樁—深基坑耦合模型。針對(duì)該工程設(shè)計(jì)方案，所建立三維實(shí)體計(jì)算模型的總長(zhǎng)330 m，寬度為165 m，土層厚度取為65 m；土體采用四節(jié)點(diǎn)/八節(jié)點(diǎn)實(shí)體混合單元網(wǎng)格，模型底面設(shè)

圖1 下穿橋梁基坑結(jié)構(gòu)(單位：mm)

置豎向約束，側(cè)面設(shè)置水平約束；水位埋深按-3.0 m考慮，水壓力以節(jié)點(diǎn)水頭荷載施加，由于基坑周邊荷載較小，按無(wú)超載考慮。三維有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 三維數(shù)值模型

3.2 參數(shù)選取

根據(jù)地勘報(bào)告相關(guān)資料，采用修正M—C模型，該模型考慮了土體的雙硬化準(zhǔn)則，對(duì)大體量的基坑開(kāi)挖較為適用。

表3 土體計(jì)算參數(shù)

地連墻嵌固深度為10 m，用板單元模擬；隔離樁等效厚度為0.8 m，按板單元考慮；支撐及圍檁用梁?jiǎn)卧M，支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表4。

3.3 計(jì)算工況

實(shí)際工程中，先施工地連墻，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行基坑開(kāi)挖，模擬具體施工工序見(jiàn)表5。

表4 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

表5 開(kāi)挖工況模擬

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 橋樁水平位移

考慮到對(duì)樁基的影響及抗裂性，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)及專家論證，取水平位移控制值為15 mm。為研究基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基水平變位的影響，圖3給出了基坑開(kāi)挖過(guò)程中橋樁的水平位移沿深度變化曲線。

圖3 鄰近橋樁變形曲線

由圖3計(jì)算結(jié)果可知：

(1)基坑開(kāi)挖過(guò)程中，由于側(cè)向土體的應(yīng)力釋放效應(yīng)，導(dǎo)致鄰近樁基受土壓力水平推力作用而發(fā)生變位，其變形特征為“樁頂大，樁底小”，隨深度增加而減小，呈拋物線形變化特征。

(2)隨著開(kāi)挖深度增加，鄰近橋樁水平位移不斷增大，其最大值出現(xiàn)在開(kāi)挖完成后，數(shù)值為10.6 mm；工況7、工況8施工時(shí)，開(kāi)挖已進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化泥巖，樁基變形增幅不大。

4.2 橋樁彎矩計(jì)算

基坑開(kāi)挖過(guò)程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)而導(dǎo)致鄰近樁基受力狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變。圖4給出工況3和工況8橋樁的彎矩云圖，圖5給出了基坑開(kāi)挖過(guò)程中橋樁彎矩隨深度的變化曲線。

圖4 鄰近橋樁彎矩云圖

圖5 鄰近橋樁彎矩隨深度變化曲線

從圖4(a)計(jì)算結(jié)果可以看出，第一次開(kāi)挖完成后，由于開(kāi)挖深度淺，土壓力側(cè)向推力作用小，樁基彎矩較小，且存在多個(gè)反彎點(diǎn)。圖4(b)為開(kāi)挖完成后的樁基彎矩云圖，其彎矩值較大，且僅有一個(gè)反彎點(diǎn)，反彎點(diǎn)位置靠近樁基下部位置，其反映的是土壓力強(qiáng)度的變化。

從圖5可以看出，隨著開(kāi)挖深度增加，橋樁彎矩增大，樁基彎矩最大值為260 kN·m，靠近樁底附近。受中風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化泥巖影響，在最后兩個(gè)工況下，橋樁彎矩增幅不大，相較于工況7，樁基彎矩最大值僅增加了3.2%。

4.3 隔離樁效果驗(yàn)證

由于橋梁樁端已進(jìn)入風(fēng)化巖層，基坑開(kāi)挖過(guò)程對(duì)其豎向承載力影響不大。以實(shí)測(cè)深層土體水平位移反映樁基變形。為驗(yàn)證隔離樁效果，建立了兩個(gè)有無(wú)隔離樁工況，并與實(shí)測(cè)值比較。圖6給出了兩不同工況下橋樁變形及彎矩變化曲線。

從圖6中可以看出，對(duì)于無(wú)硬隔離工況，橋樁水平位移最大值為16.2 mm，有隔離樁情況下橋樁水平位移最大為10.6 mm，減小了34%，且模擬值與實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近。

兩種工況下橋樁最大彎矩分別為335 kN·m、260 kN·m，相對(duì)于無(wú)隔離情況，其彎矩值減小了22.4%?？梢钥闯觯綦x樁可有效減少土體橫向水平推力，從而減小橋樁的水平位移及附加彎矩。

4.4 降水對(duì)橋樁影響分析

基坑降水時(shí)，由于坑內(nèi)水位降低過(guò)快，在止水帷幕周圍會(huì)形成“降水漏斗”[10]。基坑降水對(duì)鄰近構(gòu)筑物影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①隨著坑內(nèi)水位的降低，基坑內(nèi)外形成壓力差，導(dǎo)致側(cè)向作用力增大；②降水井周圍發(fā)生滲流作用，在滲流力影響下，土體將沿著滲流的方向(即指向基坑的位置)發(fā)生運(yùn)動(dòng)。圖7給出了第1～4次降水前后橋樁水平位移變化曲線。

圖6 不同工況下橋樁變形及彎矩 圖7 降水影響下樁基變形曲線

由圖7可知，降水對(duì)鄰近橋樁的水平位移影響較大。第2次降水高差為5 m，降水前水平位移最大值為4.0 mm，降水后水平位移最大值為6.3 mm，增幅較大。由此可見(jiàn)，在滲流力和壓力差作用下，基坑降水會(huì)顯著增大樁基水平位移。

降水引起的滲流力，可以由下式計(jì)算：

J=γwi

(1)

式中：γw為水的重度；i為水力梯度?？梢?jiàn)滲流力的大小與水頭差和滲透路徑有很大關(guān)系。

4.5 樁基水平承載力驗(yàn)算

基坑開(kāi)挖過(guò)程中，由于應(yīng)力釋放，橋樁受橫向水平推力作用，需要對(duì)其水平承載力進(jìn)行驗(yàn)算，可按式(2)計(jì)算：

(2)

(3)

式中：Rha為樁水平承載力特征值；α為水平變形系數(shù)；m為土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)；EI為樁的抗彎剛度；b0為樁計(jì)算寬度；vx為樁頂水平位移系數(shù)；xa為樁頂水平位移。

m按經(jīng)驗(yàn)取15 MN/m4，樁頂按鉸接考慮，xa可按實(shí)測(cè)值計(jì)算。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：α=0.45，Rha=493.9 kN。

依據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，橋樁在基坑開(kāi)挖過(guò)程中受到的最大橫向水平力為124.6 kN，水平承載力允許值大于橋樁實(shí)際受到的橫向水平力，橋樁水平承載力滿足要求。

5 結(jié)論

(1)深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近構(gòu)筑物影響較大，由于應(yīng)力釋放，會(huì)增大橋樁的水平位移，導(dǎo)致附加彎矩產(chǎn)生，開(kāi)挖后最大水平位移為10.6 mm。

(2)隔離樁對(duì)降低樁基水平位移和附加彎矩有顯著效果，相對(duì)于無(wú)硬隔離工況，隔離樁可使彎矩減小22.4%。實(shí)際施工過(guò)程中，可進(jìn)行隔離樁厚度、隔離樁長(zhǎng)度、空間位置等方面參數(shù)優(yōu)化。

(3)基坑降水對(duì)鄰近構(gòu)筑物有顯著影響，會(huì)顯著增大樁基水平位移。

(4)依據(jù)計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果，設(shè)計(jì)方案可行，橋樁最大水平承載力為493.9 kN，滿足水平承載力要求。