軟土深基坑對(duì)鄰近高架橋的變形影響研究★

李 棟，平 揚(yáng)

(1.深圳市龍崗區(qū)水務(wù)工程建設(shè)管理中心，廣東 深圳 518000； 2.中電建生態(tài)環(huán)境集團(tuán)，廣東 深圳 518000)

1 概述

珠三角的軟土是全國(guó)最軟的軟土之一[1]，具有高壓縮性、高含水率和低承載力等特點(diǎn)，而隨著我國(guó)城市地下空間開發(fā)利用的蓬勃發(fā)展，基坑工程大面積化及大深度化的趨勢(shì)日益明顯，且鄰近工程結(jié)構(gòu)的密度越來越大，給基坑開挖的變形控制帶來極大挑戰(zhàn)[2]。

瞿曉浩[3]對(duì)雙排樁應(yīng)用在深厚軟土基坑中的支護(hù)特點(diǎn)、計(jì)算模型和設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了分析，認(rèn)為雙排樁結(jié)構(gòu)是軟土基坑中較好的支護(hù)措施。蘇玉英[4]則提出了可用于深厚軟土基坑的雙排樁抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算方法，該方法克服了常規(guī)方法未考慮雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)與重力式擋土墻變形性狀和失穩(wěn)機(jī)理上有所差異的缺點(diǎn)。溫忠義等[5]認(rèn)為水泥攪拌樁的加固放坡體的支護(hù)方案適用于開挖深度約5 m的深厚軟土基坑。應(yīng)宏偉等[6]基于深厚軟黏土中深大基坑的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為深厚軟黏土地基中的大型基坑開挖過程中不應(yīng)忽視引起的周圍地層變形影響。汪海生等[7]認(rèn)為裝配式H型鋼支撐可有效控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，并能減小對(duì)周邊環(huán)境的影響。顏勇[8]利用有限元軟件Plaxis對(duì)比分析了深厚軟土深基坑開挖過程中不同加固措施對(duì)改善既有樁基附加變形及內(nèi)力的效果。程玉蘭等[9]采用有限差分法(FLAC3D)對(duì)軟土深基坑與鄰近地鐵車站相互變形影響進(jìn)行了研究。陳丹等[10]采用FLAC3D并考慮蠕變和滲流耦合作用，分析了軟土基坑開挖對(duì)鄰近地鐵區(qū)間隧道變形的影響。張治國(guó)等[11]利用Midas/GTS研究了軟土基坑開挖對(duì)鄰近大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)的受力變形影響。

本文以深圳市大空港新城區(qū)截流河綜合治理工程北排澇泵站深基坑工程為背景，研究深厚軟土條件下深基坑開挖對(duì)鄰近高架橋變形影響，并提出合理攪拌樁參數(shù)，為類似工程設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)和參考。

2 工程概況

大空港新城區(qū)截流河綜合治理工程位于深圳市寶安區(qū)西北部空港新城建設(shè)區(qū)域，該區(qū)域地處珠江口東岸，臨近遠(yuǎn)東航運(yùn)中心香港，背靠我國(guó)經(jīng)濟(jì)最活躍的珠江三角洲地區(qū)，是中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)及對(duì)外貿(mào)易最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一，也是空港運(yùn)輸最繁忙的地區(qū)之一。伴隨著“一帶一路”合作發(fā)展的理念，以及前海蛇口國(guó)家級(jí)自貿(mào)區(qū)的建立，空港地區(qū)將成為自貿(mào)區(qū)的重要依托，是深圳市未來重要的戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃區(qū)。工程的任務(wù)是防洪(潮)、排澇，提升水質(zhì)保障率，提升生態(tài)景觀環(huán)境，實(shí)現(xiàn)城市發(fā)展與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展相協(xié)調(diào)。

本文研究的對(duì)象為北排澇泵站，位于工程西北部，附近土體是典型的深厚軟土層，部分區(qū)域的淤泥層厚度近17 m，除此之外，還有較厚的礫砂層和殘積土層?；幼畲笊疃冗_(dá)到18 m，屬于深基坑。基坑邊緣與外環(huán)高速橋墩的最近距離為8.6 m，為確保外環(huán)高速橋梁能夠安全運(yùn)行，基坑工程能夠順利施工，需要分析基坑工程對(duì)鄰近高架橋的變形影響。

3 數(shù)值模型及參數(shù)

3.1 力學(xué)參數(shù)

土體部分采用摩爾庫侖本構(gòu)模型，橋梁樁基和攪拌樁采用彈性本構(gòu)模型，基坑的支護(hù)樁和內(nèi)支撐分別采用結(jié)構(gòu)單元樁和梁，力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 模型力學(xué)參數(shù)

3.2 模型尺寸及施工工況

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，確定模型尺寸為205 m×80 m×50 m，如圖1所示。外環(huán)高速橋梁的樁基布置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，基坑支護(hù)樁布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)梁靠近橋墩處布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)梁為第一道支撐，如圖1(a)所示。安裝間深度為16.5 m，泵房深度為18 m，基坑進(jìn)水池深度為10 m，其余剖面尺寸如圖1(b)所示。

采用FLAC3D軟件建立深厚軟土條件下的深基坑模型，如圖2所示，為了更直觀表現(xiàn)基坑模型，圖2(a)選定放坡后的基坑模型。

基坑模型計(jì)算步驟如下：1)初始地應(yīng)力計(jì)算；2)放坡計(jì)算，并加第一道撐；3)打樁計(jì)算；4)第1次開挖計(jì)算，開挖深度3 m；5)第2次開挖計(jì)算，開挖深度為6 m，并加第2道撐；6)第3次開挖計(jì)算，開挖深度為8 m；7)第4次開挖計(jì)算，開挖完全。

4 攪拌樁對(duì)鄰近高速橋梁樁基的影響分析

為了保證在基坑施工過程中外環(huán)高速的安全運(yùn)行，需對(duì)外環(huán)高速樁基和基坑之間土體進(jìn)行加固處理，確保樁基水平位移量在10 mm以內(nèi)。土體加固方法是將水泥噴入土體并充分?jǐn)嚢?，從而提高地基?qiáng)度。為了得到既經(jīng)濟(jì)實(shí)惠又能保證橋梁安全的攪拌樁力學(xué)參數(shù)，本文進(jìn)行了不同彈性模量攪拌樁的數(shù)值模擬，模擬工況為土體無加固措施、加固攪拌樁彈性模量為24 MPa，48 MPa和72 MPa四種情形，4次開挖不同埋深橋梁樁基A水平位移如圖3所示，其中水平位移由x和y方向位移的矢量和求得，埋深是地表以下深度。

由圖3可知，4種情形下，不同埋深樁基水平位移規(guī)律基本是一致的。隨著基坑開挖深度的增加，樁基的位移都在增加。隨著埋深的增加，樁基的水平位移都是先增大后減小，且樁頂位移比樁底位移大很多，這是因?yàn)闃兜滓烟幱谌L(fēng)化花崗巖中，具有一定的水平方向承受能力。樁基的最大水平位移均發(fā)生在埋深10 m左右，這是基坑的進(jìn)水池開挖深度。

當(dāng)無加固時(shí)，樁基最大水平位移為-12.00 mm；當(dāng)攪拌樁彈性模量為24 MPa時(shí)，樁基最大水平位移為-10.01 mm；當(dāng)攪拌樁彈性模量為48 MPa時(shí)，樁基最大水平位移為-7.85 mm；當(dāng)攪拌樁彈性模量為72 MPa時(shí)，樁基最大水平位移為-7.49 mm。當(dāng)不采用攪拌樁，或者攪拌樁的彈性模量為24 MPa時(shí)，樁基的水平位移量都超過-10 mm，基坑開挖對(duì)橋梁的影響較大。而攪拌樁彈性模量為48 MPa和72 MPa時(shí)，樁基水平位移量都在-10 mm以內(nèi)，表明基坑開挖對(duì)外環(huán)高速橋梁的影響在可控范圍內(nèi)，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)當(dāng)選用彈性模量為48 MPa的攪拌樁。

圖4為隨開挖次數(shù)的增加，靠近橋梁的結(jié)構(gòu)梁軸力的變化曲線，該結(jié)構(gòu)梁為第一道支撐。從圖4中可以看出，在無加固的情況下，在第2次開挖和第3次開挖過程中結(jié)構(gòu)梁軸力變化較小，整體呈增加趨勢(shì)。當(dāng)對(duì)土體進(jìn)行噴入水泥攪拌加固后，結(jié)構(gòu)梁軸力的變化趨勢(shì)相同，都是先增大后減小，在第3次開挖時(shí)，軸力最大，攪拌樁彈性模量為48 MPa時(shí)，結(jié)構(gòu)梁最大軸力為1 635 kN。在開挖到第3次時(shí)，攪拌樁的彈性模量越大，結(jié)構(gòu)梁的軸力就越大，這是因?yàn)閿嚢铇兜膭偠仍谠黾?，所承受的荷載也在隨之增大，而這些荷載也會(huì)傳遞到結(jié)構(gòu)梁上，從而使得結(jié)構(gòu)梁的軸力也在增加。而在第4次開挖時(shí)，基坑底部開挖完全，并卸掉一部分荷載，減少了攪拌樁上半部分的承載力，所以結(jié)構(gòu)梁的軸力有所下降。

5 基坑開挖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響分析

為了更準(zhǔn)確的了解基坑開挖對(duì)橋梁及其附近支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，本節(jié)進(jìn)行開挖模擬計(jì)算，分析不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)變化規(guī)律，為工程實(shí)踐提供有效的科學(xué)依據(jù)和支撐。通過之前的研究分析，確定攪拌樁彈性模量為48 MPa，以下計(jì)算均采用此值。

5.1 基坑開挖對(duì)橋梁樁基的影響

提取圖1(a)中4個(gè)橋梁樁基的位移，分析在基坑開挖過程中不同埋深處的樁基水平位移，結(jié)果如圖5所示。

圖5中的不同位置的樁基水平位移規(guī)律基本相同，都隨著開挖次數(shù)的增加，水平位移在增加。圖5(a)，圖5(b)，圖5(c)中的A樁、B樁和C樁不同埋深處的水平位移均先增大后減小，且離A樁較近的B樁水平位移量與A樁較為接近，最大值已達(dá)到-7.54 mm，而離A樁較遠(yuǎn)的C樁的水平位移量則相對(duì)較小，最大值位移量為-3.98 mm。在埋深小于5 m的時(shí)候，D樁的水平位移量較大，最大值已達(dá)到-8.14 mm，在埋深大于5 m時(shí)，隨埋深的增加水平位移量在減小。

為了便于分析D樁水平位移量過大的原因，將橋梁變形放大1 000倍，如圖6所示。從圖6中可以看出，x方向最大位移發(fā)生在右上角的橋梁邊緣處。這可能是由于橋梁邊緣未施加水平約束，同時(shí)距離基坑又較近，受基坑開挖擾動(dòng)過大造成的,而對(duì)比遠(yuǎn)離基坑x方向位移量較小的E樁，可以認(rèn)為距離基坑較近是造成D樁位移量過大的主因。但為了不使模型尺寸過大而降低計(jì)算效率，也未施加水平約束而影響到A樁的變形，所以本文采取了保守的處理方式來進(jìn)行計(jì)算。

5.2 基坑開挖對(duì)基坑支護(hù)樁的影響

提取圖1(a)中2個(gè)基坑支護(hù)樁單元的水平位移，對(duì)基坑開挖過程中不同埋深處的支護(hù)樁位移進(jìn)行分析。為體現(xiàn)研究的科學(xué)性，在實(shí)際施工過程中，對(duì)2樁進(jìn)行了深層水平位移監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)深度為11 m，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距為0.5 m。本文提取了在不同開挖階段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)值計(jì)算及實(shí)測(cè)結(jié)果如圖7所示。

在圖7(b)中，在埋深11 m以內(nèi)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果能夠保持較好的一致性，表明采用該數(shù)值方法模擬軟土深基坑開挖對(duì)鄰近高架橋的影響是可行的。1樁和2樁不同埋深處的水平位移規(guī)律相同，都是先增大后減小，但2樁的位移量更大，最大位移量已達(dá)到-11.21 mm，發(fā)生在埋深-7.8 m處。1樁最大位移量發(fā)生在埋深-11.8 m處，為-9.46 mm。這是因?yàn)?樁是前排灌注樁，所承受的荷載比1樁大，兩個(gè)樁的水平位移量均比A樁的大。

由圖8可知，1樁最大彎矩為316 kN·m，發(fā)生在埋深-7.8 m處，與其最大位移量所處埋深上方，但與2樁最大位移量所處的埋深相同。2樁最大彎矩達(dá)到了1 505 kN·m，發(fā)生在埋深-5.8 m處，也在其最大位移量上方。支護(hù)樁的最大彎矩值小于設(shè)計(jì)限值，表明基坑支護(hù)樁在保證外環(huán)高速橋梁安全的同時(shí)，最大彎矩也在其承載能力范圍之內(nèi)。

6 結(jié)論

本文針對(duì)深圳市大空港新城區(qū)截流河綜合治理工程中北排澇泵站深基坑鄰近外環(huán)高速橋梁?jiǎn)栴}，通過有限差分法(FLAC3D)研究深厚軟土條件下深基坑開挖對(duì)鄰近高速橋梁的影響，得到如下結(jié)論：

1)不同埋深橋梁樁基水平位移規(guī)律基本一致。隨著基坑開挖深度的增加，樁基的位移都在增加。隨著埋深的增加，樁基的水平位移都是先增大后減小。當(dāng)基坑與橋梁之間的土體無加固時(shí)，樁基最大水平位移-12.00 mm；當(dāng)攪拌樁彈性模量為24 MPa時(shí)，樁基最大水平位移為-10.01 mm；當(dāng)攪拌樁彈性模量為48 MPa時(shí)，樁基最大水平位移為-7.85 mm；當(dāng)攪拌樁彈性模量為72 MPa時(shí)，樁基最大水平位移為-7.49 mm。為了使基坑開挖對(duì)外環(huán)高速橋梁的影響及經(jīng)濟(jì)效益都在可控范圍內(nèi)，應(yīng)當(dāng)選用彈性模量為48 MPa的攪拌樁。

2)在無加固的情況下，結(jié)構(gòu)梁軸力呈增加趨勢(shì)，當(dāng)對(duì)土體進(jìn)行噴入水泥攪拌加固后，結(jié)構(gòu)梁軸力的變化趨勢(shì)相同，都是先增大后減小，在第3次開挖時(shí)，軸力最大，攪拌樁彈性模量為48 MPa時(shí)，結(jié)構(gòu)梁最大軸力為1 635 kN。

3)A樁、B樁和C樁不同埋深處的水平位移均先增大后減小，D樁水平位移量隨埋深的增加在減小，且D樁最大水平位移量-8.14 mm。

4)前排鋼筋混凝土灌注樁2樁最大位移量發(fā)生在埋深-7.8 m處，為-11.21 mm。2樁最大彎矩達(dá)到了1 505 kN·m，發(fā)生在埋深-5.8 m處。