深基坑開挖對緊鄰輕軌橋樁變形影響研究

麻鳳海,韓曉菲,閆 盼

(大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 遼寧 大連 116622)

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，道路網(wǎng)的不斷完善及設(shè)計線路的限制，地面與地下建構(gòu)筑物往往在同一位置出現(xiàn)交叉、并行和重疊。作為城市交通不可或缺的一部分，地鐵車站時常會出現(xiàn)與高架橋相交互卻不能影響其正常運營的情況，故研究深基坑開挖過程對緊鄰橋樁的影響有著重要的現(xiàn)實意義。深基坑開挖對鄰近橋樁的不利影響主要體現(xiàn)兩個方面: 一方面大量的土體卸荷引起基坑周圍土體發(fā)生豎向位移，對臨近樁基產(chǎn)生負摩阻力，引起樁的不均勻下沉；另一方面，土體的水平位移導(dǎo)致樁身產(chǎn)生附加彎矩、應(yīng)力和位移，導(dǎo)致橋樁彎矩增大，進而增加了樁抗彎失效的潛在可能性，輕則發(fā)生細微的傾斜或裂縫，重則引起臨近樁基過量變形甚至破壞，造成建構(gòu)筑物倒塌[1-3]。

為了分析基坑開挖對臨近樁基影響，國內(nèi)外許多學(xué)者在理論研究和數(shù)值計算方面開展了較多研究。如LEUNG等[4]從兩個方面開展基坑開挖對鄰近單樁的影響，通過一系列離心機試驗得到樁墻間距對單樁內(nèi)力分布的影響，利用離心機試驗數(shù)值方法模擬單樁的變形過程；姜諳男等[5]采用數(shù)值模擬的方法研究地鐵開挖施工對近接高架橋的影響，并采用正交設(shè)計法分析地表沉降、橋墩沉降、樁體傾斜、支撐軸力及橋墩傾斜的各影響因素，從而獲得敏感性排序；王洪德等[6]通過實際工程地質(zhì)條件構(gòu)建“樁基-土層-隧道”三維動力有限元模型來研究樁基施工過程產(chǎn)生的沖擊載樁基施工過程產(chǎn)生的沖擊載荷對鄰近隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動變形、應(yīng)力破壞等不利影響對鄰近隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動變形、應(yīng)力破壞等不利影響；楊敏等[7-8]為了研究堆載和臨近樁基相互作用問題，利用彈塑有限元法探討了主動加固和被動加固方法的加固機理和最優(yōu)加固范圍；朱虹牧等[9]利用數(shù)值模擬軟件和監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合方法分析基坑開挖對圍護結(jié)構(gòu)變形的影響，得出圍護結(jié)構(gòu)在基坑開挖過程中起到的阻止開挖過程中土體變形的作用及窄基坑開挖對地下連續(xù)墻水平位移有較大影響。然而由于各地的地質(zhì)條件不同、深基坑施工工況的復(fù)雜多變性及鄰近橋樁的各異性使得基坑變形規(guī)律很難得到解析解，導(dǎo)致研究成果無法形成統(tǒng)一的規(guī)律[10]。因此本文以大連市地鐵5號線的車站深基坑工程為依托，利用數(shù)值模擬和與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析的方法，對基坑開挖過程中所造成的坑外橋樁產(chǎn)生附加位移進行研究。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程地質(zhì)條件

在已有地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，采用鉆孔波速測試和國家標準《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》判定，擬分析場地土的類型為軟弱土-巖石，場地類別為II類，地段鉆探揭露地層可分3個工程地質(zhì)層，各地層分布詳細見物理見表1。

表1 巖土物理力學(xué)指標Tab.1 Physical and mechanical indexes of rock and soil

1.2 工程概況

擬分析的地鐵車站為地下層島式車站，站臺寬度11.0 m，主體結(jié)構(gòu)采用雙柱三跨框架結(jié)構(gòu)，施工工法為明挖法，車站結(jié)構(gòu)外包全長276.5 m，標準段寬22.9 m，深25.8 m。主體基坑支護體系采用全套管咬合樁和內(nèi)支撐的支護體系，全套管咬合樁的規(guī)格為Φ1200@900，樁基混凝土取C35。

內(nèi)支撐采用五道支撐的形式，其中第一道支撐為混凝土支撐(局部第三道為混凝土支撐)，混凝土支撐截面尺寸均為1000 mm×1800 mm，混凝土標號均為C30，其余為直徑609 mm、壁厚16 mm的鋼管撐；采用300 mm厚的混凝土板作為圍護結(jié)構(gòu)每處轉(zhuǎn)角的角撐，圍護結(jié)構(gòu)頂部采用截面尺寸1000 mm×1000 mm的混凝土梁作為冠梁。支護結(jié)構(gòu)剖面圖見圖1。

圖1 支護結(jié)構(gòu)剖面圖Fig. 1 Sectional view of supporting structure

緊鄰的輕軌橋樁位于基坑?xùn)|側(cè)，結(jié)構(gòu)為嵌巖樁，橋樁樁底標高-17.4 m,樁徑為3.0 m，橋墩尺寸1.8 m×3.0 m。橋樁與主體結(jié)構(gòu)的距離為4.1 m，屬非常接近重要設(shè)施，相關(guān)專家定位為Ⅰ級環(huán)境風險源，地鐵車站與輕軌橋樁的位置關(guān)系如圖2所示。為保障基坑施工時橋樁的穩(wěn)定性，在基坑緊鄰的橋樁周圍采用三重管高壓旋噴樁進行加固，樁徑800.0 mm，間距600.0 mm，彈性模量為30.0 MPa，加固范圍自地面以下21.8 m處，加固范圍的平面圖見圖3。

圖2 地鐵車站與輕軌橋樁的位置關(guān)系Fig. 2 Position relationship between subway station and light rail bridge pile

圖3 輕軌橋樁旋噴的加固范圍Fig. 3 Reinforcement range of light rail bridge piles by jet grouting

2 實際工程數(shù)值模型分析

2.1 數(shù)值模型建立

1) 基本假定

為便于簡化計算，對模型進行如下基本假定：a)基坑為窄長型，將按二維平面應(yīng)變問題進行有限元模擬計算;b)同種材料各向同性且均質(zhì)；c)巖土體為理想彈塑性材料；d)本基坑開挖前己進行降水，故不考慮排水固結(jié)對基坑變形的影響。

2) 模型建立

根據(jù)地質(zhì)資料，按照實際工程場地的土層分布、周圍環(huán)境及基坑支護結(jié)構(gòu)的實際尺寸，應(yīng)用有限元軟件Midas-GTS建立三維計算模型，模擬采用彈塑性變形理論和Mohr-Coulomb準則?；炷林?、混凝土系梁、鋼支撐、鋼系梁、格構(gòu)柱和快軌橋樁等采用梁單元模擬,巖土體及加固措施采用實體單元模擬，圍護樁等效采用板單元模擬。此計算模型X向長度為450 m、Y向長度為200 m、Z向長度為80 m，范圍涵蓋主體基坑、輕軌橋樁地層應(yīng)力變化的主要范圍。根據(jù)模型大小，綜合考慮計算時間和計算精確度，共分單元數(shù)231 710個，節(jié)點151 981個。高架橋橋墩及上部結(jié)構(gòu)對樁基的作用以荷載形式等效，地面車輛等對地面的作用以地面超載等效，橋梁對樁基作用按集中力考慮，對于單根樁支座處集中力大小為18 000 kN。結(jié)構(gòu)部分的材料參數(shù)見表2，車站基坑三維模型見圖4(圖4分為車站基坑整體模型和基坑內(nèi)土體模型)，車站基坑支護結(jié)構(gòu)模型見圖5。

表2 圍護結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)Tab. 2 Mechanical parameters of enclosure structure

a 車站基坑整體模型 a Overall model of station foundation pit

b 車站基坑內(nèi)土體模型 b Soil model in station foundation pit圖4 車站基坑三維模型Fig. 4 Three-dimensional model of station foundation pit

圖5 基坑內(nèi)部支護結(jié)構(gòu)Fig. 5 Finite element model of supporting structure

2.2 開挖過程模擬

根據(jù)實際開挖順序，模擬施工采用分步開挖的方法進行，基坑開挖深度以支撐位置為分界，共分8步開挖，詳情見表3。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

基坑開挖過程中，坑內(nèi)土體卸載且坑外土體由于主動土壓力的作用會產(chǎn)生向坑內(nèi)移動的趨勢，引起基坑周圍土體發(fā)生不規(guī)則位移。隨著工況的進行，土體位移量逐漸加大，產(chǎn)生對臨近樁基的負摩阻力，使橋樁出現(xiàn)不均勻沉降甚至傾斜，橋樁樁身出現(xiàn)側(cè)移，且隨著工況的進行側(cè)移量逐漸累積增加。尤其是在對于地鐵車站施工的深基坑工程中，對緊鄰的橋樁產(chǎn)生的影響較大，在此實際工程施工中為保護橋樁采取了三重管高壓旋噴的加固措施，在一定程度上減小了樁身的傾斜程度。此處選取橋樁出現(xiàn)水平位移及豎向位移最大的計算云圖進行說明，見表4。

表3 施工模擬步驟Tab. 3 Construction simulation steps

表4 位移云圖組合表Tab. 4 Displacement cloud chart combination table

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，輕軌橋樁的樁頂最大水平位移Tx=-3.80 mm，最大水平位移Ty=-3.80 mm，最大豎向位移Tz=-3.80 mm，由此可知：橋樁樁身的附加側(cè)移最大值約為4.66 mm。

2.4 計算結(jié)果與實測結(jié)果比較

為了確保緊鄰輕軌橋樁的穩(wěn)定和正常運營，對地鐵車站基坑開挖中對坑外的橋樁進行實時監(jiān)測，充分掌握每個施工階段橋樁的附加位移變化，監(jiān)測頻率1 d/次。樁體水平位移設(shè)置6個監(jiān)測點，在數(shù)值分析的后處理結(jié)果文件中提取主要監(jiān)測(C03，C09,C12)的位移模擬值與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對,結(jié)果見圖6。

圖6 橋墩實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比分析圖Fig. 6 Comparison and analysis diagram of measured and simulated data of bridge pier

從圖6可以看出，對比分析現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及模擬結(jié)果，監(jiān)測數(shù)據(jù)值小于數(shù)值模擬值，考慮除部分對模型進行簡化處理，在計算中采用相對保守的計算方式造成的影響。其次，數(shù)值模擬并沒有考慮地下水滲流的強開，而現(xiàn)場監(jiān)測過程中常有降雨天氣，一定程度加重基坑開挖過程中產(chǎn)生對橋樁的附加應(yīng)力和位移。另一方面，有限元數(shù)值模型數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的大致走向基本相近，從而驗證本次有限元軟件計算結(jié)構(gòu)的可靠性。

3 不同影響因素下有限元模型分析

為進一步了解深基坑開挖對緊鄰橋梁樁基的影響，以上述分析的有限元模型為原始模型作為基礎(chǔ)，從數(shù)值分析的角度進一步研究基坑和橋樁的距離、圍護墻剛度及加固措施等因素對橋樁產(chǎn)生的影響。

3.1 不同基坑和橋樁的距離影響分析

在基坑開挖時，基坑和橋樁之間的土質(zhì)起到了開挖產(chǎn)生土體卸載的能量轉(zhuǎn)移折損的作用。在土質(zhì)相同時，基坑和橋樁的間距大小對橋樁附加應(yīng)力的產(chǎn)生有一定的影響，選取間距為2.00 m、4.10 m、6.00 m、10.00 m和15.00 m的不同情況進行計算分析，其中原始計算模型中的距橋樁距離為4.10 m，所得結(jié)果如圖7所示，樁身附加側(cè)移指的是臨近基坑開挖的橋樁指向基坑一側(cè)的位移。

圖7 不同基坑和橋樁間距時樁身位移變化圖Fig. 7 Pile body displacement changes with different foundation pits and bridge pile spacing

由圖7可知，隨著基坑和橋樁的間距越大，樁身的附加位移顯著減小。當間距為2.00 m時，樁身的附加水平位移最大，相較于間距為6.00 m時的位移量增加了3倍；當間距取值10.00 m以上時，樁身的附加位移很小，對橋樁的影響可忽略不予考慮。由此說明，基坑和橋樁的間距對橋樁的附加位移有顯著影響，應(yīng)盡量避免在距橋樁較近的地方避免進行基坑開挖。

3.2 不同圍護墻剛度影響分析

圍護結(jié)構(gòu)作為抵抗基坑變形的圍護結(jié)構(gòu)，通過自身的變形來消耗土體移動等產(chǎn)生的能量，圍護墻剛度不同使得基坑開挖引起的臨近土體的變形場和臨近構(gòu)筑物的附加應(yīng)力不同，圍護墻剛度越大，抵抗土體的變形量越大，對緊鄰的輕軌橋樁產(chǎn)生的位移越小，圖8為當圍護墻彈性模量為0.25 Ew、1 Ew、2 Ew和4 Ew時緊鄰橋樁的樁身附加位移變化圖，其中Ew為原始模型的圍護墻彈性模量。

圖8 不同圍護墻剛度時樁身位移變化圖Fig. 8 Pile displacement change diagram with different retaining wall stiffness

由圖8可知，當圍護墻剛度不同時，基坑開挖對臨近樁身的影響各不相同，剛度越大引起的樁身水平位移越小。當圍護墻彈性模量取值0.25 Ew時，樁身的位移達到最大；當圍護墻彈性模量取值2 Ew以上時，橋樁的附加位移無明顯變化，幾乎可以不計。在實際工程中應(yīng)在保障基坑及橋樁穩(wěn)定的前提下，結(jié)合工程造價綜合考慮施工圍護墻剛度。

3.3 加固措施影響分析

在原模型基礎(chǔ)上，保持其余設(shè)計部分不變僅取消三重管高壓旋噴的加固措施，建立分析模型進行樁身位移附加分析(見圖9)。

圖9 不同圍護墻剛度時樁身位移變化圖Fig. 9 Pile displacement change diagram with different retaining wall stiffness

由圖9可知，不采取加固措施樁身的最大位移為9.50 mm，采取加固措施時(原始模型)樁身的水平最大位移為4.66 mm，得出在加固措施下樁身的最大位移減小49.05%。根據(jù)《鐵路線路修理規(guī)則》和本市相關(guān)工程近接城市鐵路橋梁控制經(jīng)驗可知，橋梁樁身位移應(yīng)控制在6 mm以內(nèi)，故采用三重管高壓旋噴樁加固措施，橋梁樁身位移變形數(shù)值下降并滿足相關(guān)規(guī)范對橋梁變形控制的要求。因此三重管高壓旋噴樁的加固措施明顯減弱了基坑開挖時造成的坑外土體卸載能量轉(zhuǎn)移，有效減小橋樁的位移變化。

4 結(jié)論

針對既有的輕軌橋樁緊鄰地鐵車站深基坑施工項目，利用有限元數(shù)值模擬基坑開挖過程，并與實測數(shù)據(jù)比較分析，研究在不同基坑和橋樁距離、不同圍護墻剛度和采取加固措施等情況下臨近樁基附加位移的變化規(guī)律，使得橋墩的水平位移控制在規(guī)范標準以內(nèi)，保證輕軌橋樁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，得出主要結(jié)論與建議如下：

(1)基坑與橋樁的間距對緊鄰的橋樁樁基產(chǎn)生的附加位移有很大的影響；間距越大，對橋樁的影響越大，樁基產(chǎn)生的附加位移越大。當基坑與橋樁的間距取值接近于基坑開挖深度時，樁基所受影響可以忽略不計。

(2)圍護墻剛度不同，使得基坑開挖引起的臨近橋樁變形程度不一樣，剛度越大，抵抗土體的變形量越大，對緊鄰的輕軌橋樁產(chǎn)生的位移越小，反之亦然。

(3)在緊鄰橋樁進行基坑開挖時，采取合適的加固措施可以較大程度地保護橋樁穩(wěn)定性，尤其是深基坑工程中橋樁與基坑距離較近時。采取三重管高壓旋噴樁加固措施時樁身最大位移為4.66 mm，不進行加固時數(shù)值計算的樁身最大位移為9.47 mm，兩者相比較減小49.05%，且將最大側(cè)移量控制在城市鐵路橋梁規(guī)范要求以內(nèi)，可見三重管高壓旋噴樁的加固措施對控制橋梁樁基變形起到重要作用。

(4)以實際工程為研究背景，利用有限元數(shù)值模型計算分析，整理后期實際檢測數(shù)據(jù)，將兩者數(shù)據(jù)進行比較分析，驗證模型結(jié)構(gòu)的有效性，以期為類似工程提供參考。