新建航道下穿高鐵橋梁時加固方案的變形控制*

孫 陽，李怡瑋，顧禎雪，余 杰，酈 綱，楊 攀

(1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京210098；2.河海大學(xué)淮安研究院，江蘇 淮安 223001；3.杭州京杭運河二通道建設(shè)投資有限公司，浙江 杭州310020；4.中鐵十七局集團(tuán)第六工程有限公司，福建 福州350014)

新開挖航道在已有建筑物結(jié)構(gòu)中穿行時，開挖卸荷往往會誘發(fā)周邊土體產(chǎn)生應(yīng)力釋放和位移，進(jìn)而在鄰近既有樁體內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形，削弱樁基服役能力[1]，造成工程災(zāi)害，因此構(gòu)建合理的結(jié)構(gòu)保護(hù)方案是不可忽視的。賀健軍等[2]運用MIDAS GTS軟件建立模型，分析不同基坑開挖以及注漿加固參數(shù)下既有橋梁樁基的變形特性；李士中[3]通過Plaxis 3D軟件分析航道開挖過程中10種施工工況對鄰近高速鐵路橋墩的影響程度；盛軍其等[4]利用有限元分析軟件，研究航道開挖過程中采用一定措施時地鐵盾構(gòu)隆起位移的理論值。

本文結(jié)合杭州京杭運河二通道下穿滬昆高鐵工程，基于設(shè)計的下穿段加固方案建立三維有限元模型，針對不同施工階段模擬分析土體和結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律，對下穿過程中橋墩的安全狀態(tài)進(jìn)行評估。

1 計算模型及參數(shù)

1.1 工程概況

工程位于京杭大運河三級航道擴建工程即京杭運河“二通道”滬昆高鐵下穿段，航道頂面寬60 m、底面寬45 m。受航道開挖影響的橋墩為滬昆高鐵海杭特大橋京杭運河橋段連續(xù)梁80 m橋跨處的232#和233#中墩，樁墩尺寸4.5 m×9.0 m×19.5 m(順向×橫向×高)，承臺尺寸14.3 m×14.3 m×3.5 m，加臺尺寸8.4 m×10.3 m×2.0 m。每個橋墩下設(shè)16根樁基，樁徑1.5 m，樁長67 m。

受新建航道影響，為防止航道兩側(cè)鄰近橋墩因土體開挖釋放單側(cè)約束而造成的基礎(chǔ)與橋墩側(cè)向偏移，對232#和233#橋墩進(jìn)行保護(hù)性設(shè)計，加固設(shè)計方案如圖1所示。先在受影響橋墩兩側(cè)設(shè)置3排圍護(hù)樁，樁徑1.2 m，樁間距1.4 m，外側(cè)樁樁長30 m，內(nèi)側(cè)樁和中間樁樁長28 m。在內(nèi)側(cè)樁和中間樁之間設(shè)置水泥攪拌樁，樁徑0.8 m，樁間距0.6 m，有效樁長10 m，在樁頂設(shè)置1.5 m厚鋼筋混凝土板；在內(nèi)側(cè)樁之間設(shè)置直徑0.8 m水泥攪拌樁，樁間距0.6 m，有效樁長5 m，樁頂區(qū)域設(shè)置截面尺寸為1.0 m×1.1 m(長×寬)的鋼筋混凝土錨梁，錨梁上進(jìn)行厚0.4 m的河底鋪砌。外側(cè)樁和中間樁采用截面邊長為1.0 m鋼筋混凝土斜撐連接，開挖過程中在圍護(hù)樁之間設(shè)置雙層內(nèi)外鋼筋混凝土橫撐，橫撐截面邊長為1.0 m，斜撐、橫撐間距均為6 m。緊貼航道邊線設(shè)置防撞墻，墻底采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑1.0 m，樁長15 m。

圖1 控制措施布置

1.2 模型參數(shù)

1.2.1土體參數(shù)

工程區(qū)域位于浙江海寧市，以軟土為主，模型中地下水位參考工程地勘報告設(shè)置在地面以下4 m處，主要土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土體參數(shù)

1.2.2結(jié)構(gòu)單元參數(shù)

圍護(hù)鉆孔樁、鋼筋混凝土底板、防撞擋墻、河底鋪砌層采用板單元模擬，使用C40水下混凝土，臨時擋土墻采用C30混凝土?；趶埥▌椎萚5]、陳福全等[6]對被動樁間的土拱效應(yīng)研究，當(dāng)樁間距小于3倍樁徑時可將單排圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)按剛度等效成圍護(hù)樁墻。

冠梁、橫撐、斜撐和錨梁用梁單元模擬，冠梁和橫撐采用C30混凝土，斜撐和錨梁采用C40混凝土。

高鐵橋墩樁基、防撞樁基結(jié)構(gòu)采用嵌固樁單元模擬，部分參數(shù)參考《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[7]確定。樁基材料為C40混凝土，其中橋墩樁基樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值2 500 kPa，防撞樁基樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值500 kPa，樁基側(cè)摩阻力沿土層深度呈多線性分布，淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、黏土、礫土、泥質(zhì)砂巖的樁基側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值分別為28、53、96、150、200 kPa。

橋墩承臺和攪拌樁加固區(qū)采用實體單元模擬，選用線彈性本構(gòu)模型。其中，橋墩結(jié)構(gòu)采用C40混凝土，攪拌樁加固區(qū)按照樁土混合情況計算，按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[8]建議的面積置換計算原則，通過計算攪拌樁在加固平面區(qū)域內(nèi)面積占比作為權(quán)系數(shù)，用攪拌樁彈性參數(shù)置換土體參數(shù)，最終加固區(qū)密度ρ取2.50 t/m3，彈性模量E為2.1 GPa，泊松比ν取0.224。

1.2.3設(shè)計荷載參數(shù)

按《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》[9]要求，考慮結(jié)構(gòu)自身重力及列車荷載作用下最不利荷載組合，計算得出橋墩頂面荷載約為880 kN/m2。水荷載考慮最高通航水位2.4 m時水體密度，以面荷載形式施加在航道坑底及兩側(cè)邊坡。

1.3 三維有限元模型建立

為減小邊界效應(yīng)，模型尺寸應(yīng)取結(jié)構(gòu)尺寸的3～5倍，計算模型尺寸為300 m×150 m×100 m(航道中心線方向×斷面方向×深度)。生成網(wǎng)格時對航道下穿段及外側(cè)20 m范圍內(nèi)土體和結(jié)構(gòu)物進(jìn)行局部加密，結(jié)構(gòu)整體共生成個15.679 4萬個單元、27.335 8萬個節(jié)點。所建三維模型如圖2所示。

圖2 三維模型

1.4 計算階段設(shè)置

本模型共設(shè)置16個分析階段，分別為：1)地應(yīng)力平衡；2)設(shè)置既有橋墩結(jié)構(gòu)；3)圍護(hù)樁及防撞樁基施工；4)土體加固；5)開挖表層土至1.5 m深；6)冠梁施工及架設(shè)首層內(nèi)、外橫撐；7)開挖航道兩側(cè)基坑至4 m深(首次降水)；8)架設(shè)第2層內(nèi)橫撐；9)開挖航道兩側(cè)基坑4 m深(二次降水)；10)架設(shè)斜撐；11)鋼筋混凝土底板施工；12)開挖航道內(nèi)基坑；13)航道底部錨梁、鋪砌施工；14)開挖斜撐基坑；15)拆除橫撐、冠梁和多余的圍護(hù)樁并施工防撞擋墻；16)施加水荷載。

2 數(shù)值結(jié)果與分析

2.1 基坑維護(hù)方案評價方法

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》[10]規(guī)定，本工程航道基坑作為重要工程或支護(hù)結(jié)構(gòu)作主體結(jié)構(gòu)的一部分，為一級基坑。加固方案評價標(biāo)準(zhǔn)參考《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[11]一級基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)和《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》[12]中橋墩結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 土體響應(yīng)規(guī)律

2.2.1航道坑底隆起

部分施工過程土體的豎向位移見圖3，其中Uzm表示最大土體隆起，Usm表示最大土體沉降，正值表示隆起，負(fù)值表示沉降。可以看出，航道中心坑底絕對沉降值比絕對隆起值小很多，坑底總體呈隆起趨勢。隨航道開挖，部分土體向上隆起，隆起最大位置集中在航道內(nèi)部，航道兩側(cè)斜坡處土體隆起值較小。航道土方開挖完成后，鐵路橋下穿處隆起范圍較小，向兩端隆起范圍逐漸變寬，呈中間窄、兩端寬的雙曲線型，底部隆起值為32.64 mm。拆除圍護(hù)和支撐后，坑底隆起略有增大，達(dá)到整個施工過程的峰值，為34.63 mm，滿足基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)中坑底隆起35 mm的限值。

圖3 各階段土體豎向位移分布

為進(jìn)一步觀察控制措施對坑底土體變形的影響，選取航道坑底中心一點L1，計算各加荷和卸荷階段土體絕對隆起與絕對沉降值分別在總隆起和總沉降中的占比，見圖4。可以看出，開挖航道內(nèi)基坑(階段12)時，土體大量開挖卸荷引起的坑底隆起最為明顯，約占土體總隆起的48.8%；開挖表層土(階段5)時坑底絕對隆起僅次于階段12，此時雖然基坑開挖深度較小，但土體表層土開挖范圍大，兩側(cè)外圍護(hù)樁之間的土方均需開挖且未設(shè)置支撐系統(tǒng)，因而造成較大的坑底隆起；與此相對，開挖斜撐基坑時(階段14)雖然土方開挖量較大，但土體隆起絕對值僅為5.40 mm，可見支護(hù)系統(tǒng)有效地限制了土體向上移動。

圖4 航道中心坑底絕對隆起值和絕對沉降值

值得注意的是，開挖航道兩側(cè)基坑(階段7與9)時，支護(hù)系統(tǒng)尚未完善，土方開挖量大，但引發(fā)的土體坑底位移較小，分別為4.24和6.02 mm。結(jié)合施工工序，階段7與9時分別進(jìn)行了兩次基坑降水，降水會引起明顯的土體沉降，一定程度上抵消了土體隆起。因此，在基坑開挖過程中，應(yīng)分層進(jìn)行多次降水，既可避免一次降水造成過大土體沉陷，也能有效控制土體開挖引發(fā)的隆起。

2.2.2地表沉降

土體地表沉降的發(fā)展規(guī)律見圖5。開挖表層土?xí)r，土體隆起一定程度上抵消了沉降，沉降區(qū)域集中在橋墩結(jié)構(gòu)的南北兩側(cè)。隨著航道基坑不斷開挖，地表沉降最大處逐漸向加固范圍外側(cè)移動，至外圍護(hù)樁外側(cè)時，地表沉降出現(xiàn)明顯的沉降槽。最大地表沉降發(fā)生在施加水荷載階段后，為17.22 mm。

圖5 S1處地表沉降

選取外圍護(hù)樁外側(cè)5處不同地表的沉降路徑分析，其區(qū)域位置如圖5所示，不難發(fā)現(xiàn)5處地表沉降發(fā)展規(guī)律非常類似，以S1處地表為例，加固范圍內(nèi)及鄰近區(qū)域的地表沉降均維持在較低水平，表明微擾動控制方案效果良好。

2.3 結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律

2.3.1圍護(hù)墻位移

本工程設(shè)置3排圍護(hù)樁，復(fù)雜的開挖順序使樁在航道開挖過程中呈現(xiàn)不同的變形狀態(tài)。選取圍護(hù)樁上的典型位置進(jìn)行航道開挖過程中樁的變形分析，并選取一組繪制在圖6中，其中橫軸δh為圍護(hù)樁垂直于航道方向水平位移?？梢钥闯?，開挖深度、開挖位置、支護(hù)系統(tǒng)等因素對樁的變形都會產(chǎn)生影響。

圖6 典型圍護(hù)樁分布位置及階段樁身側(cè)移發(fā)展

施工過程中不同位置圍護(hù)樁頂豎向和水平位移變化見圖7?？梢钥闯?，同一類型圍護(hù)樁頂豎向位移在同一時期差異不大，其中內(nèi)圍護(hù)樁頂豎向位移接近變形限值20 mm，須重點關(guān)注。樁頂水平位移以航道軸線為中心表現(xiàn)出明顯的對稱性，對比圖7a)、b)發(fā)現(xiàn)樁頂水平位移遠(yuǎn)小于豎向位移。

圖7 圍護(hù)樁頂位移

2.3.2樁基變化

航道基坑開挖不可避免地會引發(fā)高鐵橋墩樁基變位，以航道東側(cè)232#橋墩樁為研究對象，對橋墩承臺下的16根樁基進(jìn)行標(biāo)號，其中以1#樁基為例，其樁身位移分析結(jié)果見圖8，橫向即x方向，順向即y方向?？梢钥闯觯睋位娱_挖完成后1#樁基樁身順向位移達(dá)到最大值1.93 mm，施加水荷載后樁基順向位移反而減小。對比圖8b)、c)可知，樁基橫向位移對航道基坑施工的影響非常小。

圖8 橋墩樁基編號及1#樁基位移

2.3.3橋墩結(jié)構(gòu)位移

橋墩頂?shù)呢Q向位移發(fā)展情況見圖9。最終232#和233#橋墩分別向下沉降了0.57和0.72 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的2 mm限值。

圖9 橋墩頂豎向位移

航道中心坑底土體、232#橋墩1#樁頂以及232#橋墩頂?shù)呢Q向位移發(fā)展情況對比見圖10。可以看出，三者豎向位移變化趨勢非常相似，就對航道施工的變形響應(yīng)來看，土體>樁基>橋墩。

圖10 土體、樁頂和橋墩頂?shù)呢Q向位移對比

3 結(jié)語

1)航道土方完全開挖后，航道坑底隆起呈中間窄、兩端寬的雙曲線型。土方開挖、拆除圍護(hù)和支撐等卸荷步驟時坑底土體回彈，施工支撐、混凝土板和施加水荷載等加荷階段時坑底土體沉降，此外基坑降水也是影響土體沉降的重要因素。數(shù)值計算結(jié)果表明，堅實的支護(hù)系統(tǒng)、分層開挖結(jié)合多次降水，可以避免較大土體沉陷，有效控制土體開挖引發(fā)的坑底隆起。

2)圍護(hù)樁樁身隨開挖深度、開挖位置、支護(hù)系統(tǒng)等情況呈現(xiàn)出不同的變形特性。維護(hù)樁頂豎向位移遠(yuǎn)大于水平位移，從最終豎向位移絕對值來看，施工過程中應(yīng)重點關(guān)注內(nèi)圍護(hù)樁的位移情況。

3)高鐵橋墩頂、樁基及航道坑底土體的豎向位移變化趨勢非常相似，對航道施工的變形響應(yīng)大小為：土體>樁基>橋墩。

4)本設(shè)計加固方案下的土體位移和結(jié)構(gòu)位移均符合規(guī)范限值要求，有效控制了高鐵橋樁基和橋墩變形和位移，滿足列車安全運行要求。