軟土地基區(qū)域基坑開挖施工對輕軌高架橋結(jié)構(gòu)的影響分析及變形監(jiān)測

張月超，呂金輝，李支彬，張 磊，趙喜柱，呂春鳳

(1. 天津市地質(zhì)工程勘測設(shè)計院有限公司 天津300191；2. 天津軌道交通運營集團有限公司 天津300382；3. 中海油海工船舶(天津)有限公司 天津300451)

0 引 言

在工程建設(shè)中，基坑開挖施工會對周圍土體產(chǎn)生位移影響，基坑施工的變形觀測是指導(dǎo)施工、避免土體失穩(wěn)發(fā)生的必要措施[1]，基坑開挖的本質(zhì)就是土體的位移，土體的位移必然會使土的自然應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變[2]。Peck 對基坑開挖引起的變形研究認為，在軟土地基環(huán)境中基坑開挖引起周圍環(huán)境的變化在2.5～4 倍開挖深度范圍內(nèi)[3]。

軟土地基區(qū)域基坑開挖施工受地層特性限制，其影響范圍及強度將會增加，如何有效分析軟土地基區(qū)域基坑開挖施工對軌道交通結(jié)構(gòu)的影響，以及如何有效監(jiān)測控制結(jié)構(gòu)變形、降低安全風(fēng)險是本文將要探討的重點。

1 工程概況

擬建項目場地位于華北平原北部，屬濱海沖積平原，地貌單一。基坑整體開挖深度為5.90 m。基坑?xùn)|西向長度為333.5 m，南北向長度為180.3 m?；又ёo形式采用單排800(700)×1 000 鉆孔灌注樁+一道鋼筋混凝土支撐+700×1 000 止水帷幕，其中輕軌側(cè)采用800 的鉆孔灌注樁?；舆吘壘嚯x輕軌高架結(jié)構(gòu)24 m，項目施工前進行了詳細的巖土工程勘察，獲取了詳盡的區(qū)域土層地質(zhì)參數(shù)。

根據(jù)巖土勘察資料，該區(qū)域地貌單元屬海積低平原亞區(qū)，幾經(jīng)海路變遷沉積了豐厚的沉積物，在深度75 m 范圍內(nèi)的地基土屬第四系全新統(tǒng)人工填土層、濱海相沉積層。各土層分布較穩(wěn)定，厚度及頂層、底板起伏變化不大。場地分布穩(wěn)定，土質(zhì)強度較均勻。鑒于篇幅，僅提供1 個典型地層，主要物理力學(xué)參數(shù)見表1，樁尖持力層為第6 層土，即粉質(zhì)黏土。

表1 場地土主要物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Main physical and mechanical parameters of site soil

本場地分布有厚薄不均的素填土，場地中素填土主要由黏性土組成，其天然含水量大、壓縮性高、承載力低，軟可塑狀態(tài)；在埋深3.00～18.00 m 段分布有厚薄不均的淤泥質(zhì)黏土，為典型的濱海軟土，其天然含水量大、壓縮性高、承載力低、流塑狀態(tài)。以上均為特殊性土。

2 軟土地基區(qū)域施工影響模擬分析

為保障工程施工的安全性，在完成基坑支護設(shè)計后需開展基坑開挖，并對周邊重要建筑物/構(gòu)筑物的安全影響進行評估，針對可能發(fā)生的安全風(fēng)險提前做好管控，并制定風(fēng)險應(yīng)急預(yù)案。

2.1 輕軌高架橋評估指標

參照地鐵沿線建筑施工保護管理相關(guān)規(guī)定，確定工程施工過程中高架橋結(jié)構(gòu)的變形控制指標值[4-7]，具體如表2 所示。

表2 高架橋箱梁及橋墩變形控制值Tab.2 Deformation control value of viaduct box girder and pier

2.2 安全評估分析方法

用于地下結(jié)構(gòu)理論計算的力學(xué)模型可歸納為2 種：①連續(xù)介質(zhì)模型，即地層—結(jié)構(gòu)模型；②作用—反作用模型，即荷載—結(jié)構(gòu)模型。這2 種力學(xué)模型各有特點：地層—結(jié)構(gòu)模型由于考慮地層與結(jié)構(gòu)的共同作用，多用于結(jié)構(gòu)的變形分析；荷載—結(jié)構(gòu)模型只將結(jié)構(gòu)作為計算對象，多用于結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形分析。具體到該工程項目，考慮到施工引起的輕軌線路結(jié)構(gòu)沉降與地層關(guān)系密切，因此，采用地層—結(jié)構(gòu)模型進行變形分析[8-11]。本文評估計算采用MIDAS-GTS 軟件實現(xiàn)。

第一步，評估假設(shè)：①輕軌高架橋結(jié)構(gòu)僅考慮正常使用工況，由于施工期相對較短，故不考慮人防、地震等偶然荷載；②假定輕軌區(qū)間橋樁、基坑圍護樁、支撐等混凝土結(jié)構(gòu)為彈性材料，土體為彈塑性材料并采用硬化土(小應(yīng)變剛度)模型；③假定樁基結(jié)構(gòu)與土體之間符合變形協(xié)調(diào)原理；④基坑周邊考慮施工荷載為20 kPa；⑤輕軌荷載以80 kPa 考慮；⑥施工處于正常良好的控制條件下。

第二步，建立模型：根據(jù)項目基坑支護設(shè)計資料和輕軌高架橋設(shè)計資料，建立有限元模型。其中基坑支護結(jié)構(gòu)模型主要包括支護樁、冠梁、混凝土支撐、基坑底板等單元；圍護樁采用板單元模擬；冠梁采用梁單元模擬，模型尺寸材料均按照設(shè)計資料選??；輕軌高架橋結(jié)構(gòu)主要包括高架橋的樁基、承臺、橋墩、梁、軌道等結(jié)構(gòu)。模型如圖1、圖2 所示。

圖1 基坑支護結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.1 Finite element model of foundation pit support structure

圖2 輕軌高架橋結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.2 Finite element model of light rail viaduct structure

第三步，確定計算參數(shù)：施工場地地基模型按照勘測報告資料選取，根據(jù)工程地質(zhì)資料及地形狀況進行場地有限元模型建立。地基土的非線性結(jié)構(gòu)與屈服力學(xué)特性層采用修正摩爾庫倫模型描述，土層材料摩擦角、黏聚力等參數(shù)按照地質(zhì)勘測報告推薦的力學(xué)參數(shù)選取。

根據(jù)輕軌高架橋結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀檢測成果，高架橋墩柱混凝土強度推定值在40.4～42.4 MPa 之間，箱梁混凝土強度推定值在51.4～52.7 MPa 之間。區(qū)間道床混凝土強度推定值為44.9 MPa。綜合設(shè)計資料，確定箱梁混凝土等級為C50，橋墩及道床混凝土等級為C40，樁基混凝土等級為C30。

第四步，確定計算工況：模擬基坑開挖、基坑地下室結(jié)構(gòu)施工等作業(yè)過程對輕軌高架橋結(jié)構(gòu)的影響。選取典型工況如下：①降水施工；②第一層土開挖；③施工止水帷幕及圍護樁；④施工立柱樁及混凝土撐；⑤第二層土開挖；⑥施工地下室底板；⑦拆除混凝土撐；⑧施工地面結(jié)構(gòu)。

第五步，變形影響分析：①輕軌高架橋豎向變形分析如圖3 和表3 所示，基坑開挖誘發(fā)輕軌結(jié)構(gòu)豎向變形最大值發(fā)生在基坑南側(cè)10～11 號樁基承臺處，最大值為0.42 mm，發(fā)生在第一層土開挖時，并且隨著施工的進行有一定程度減?。虎谳p軌高架橋橫向變形分析如圖4 和表4 所示，基坑開挖誘發(fā)輕軌結(jié)構(gòu)橫向變形最大值為1.08 mm，發(fā)生在地下室底板施工完成時，變形較大施工階段為第二層開挖—拆撐階段，該施工過程中，輕軌結(jié)構(gòu)橫向變形在 1.07 ～1.08 mm，為整個施工過程的最危險階段，在第二層土開挖階段，輕軌結(jié)構(gòu)橫向變形有較大增加，變形由0.42 mm 激增為1.07 mm，增幅155%，該階段為施工最危險時刻；③輕軌高架橋縱向變形分析如圖5 和表5 所示，基坑開挖誘發(fā)輕軌結(jié)構(gòu)縱向變形最大值為0.31 mm，發(fā)生在第二層土開挖完成時，變形較大施工階段為第二層開挖—拆撐階段，輕軌結(jié)構(gòu)橫向變形在0.29～0.31 mm，為整個施工的最危險階段。在第二層土開挖階段，輕軌結(jié)構(gòu)縱向變形有較大增加，變形由0.15 mm 增至0.31 mm，該階段為施工最危險時刻。施工完成后，輕軌結(jié)構(gòu)縱向變形有所減小。

圖3 輕軌結(jié)構(gòu)豎向位移變化圖Fig.3 Vertical displacement change diagram of light rail structure

表3 不同工況下輕軌結(jié)構(gòu)豎向變形值Tab.3 Vertical deformation value of light rail structure under different working conditions

圖4 輕軌結(jié)構(gòu)橫向位移變化圖Fig.4 Variation diagram of lateral displacement of light rail structure

表4 不同工況下輕軌結(jié)構(gòu)橫向變形值Tab.4 Lateral deformation value of light rail structure under different working conditions

圖5 輕軌結(jié)構(gòu)縱向位移變化圖Fig.5 Longitudinal displacement change diagram of light rail structure

表5 不同工況下輕軌結(jié)構(gòu)縱向變形值Tab.5 Longitudinal deformation value of light rail structure under different working conditions

綜合分析以上結(jié)果認為，基坑施工過程中輕軌結(jié)構(gòu)變形滿足規(guī)范及設(shè)計要求，輕軌結(jié)構(gòu)總體安全；變形均發(fā)生在第二層土開挖階段，該施工過程中地層卸載較大，對周邊影響較大；施工過程中結(jié)構(gòu)變形主要集中在3～8 號橋墩之間，主要變形為靠近基坑的橫向位移。

3 工程影響監(jiān)測與分析

根據(jù)現(xiàn)行的國家規(guī)范及地方標準，城市軌道交通的地面、高架車站和線路軌道結(jié)構(gòu)外邊線外側(cè)30 m內(nèi)為控制保護區(qū)[4]；對處于控制保護區(qū)內(nèi)的關(guān)鍵外部作業(yè)，應(yīng)對受其影響范圍的城市軌道交通結(jié)構(gòu)進行全過程監(jiān)測，監(jiān)測工作不應(yīng)影響城市軌道交通的正常運營[5]。結(jié)合上述安全影響評估分析，對受基坑施工影響的輕軌高架橋結(jié)構(gòu)進行專項監(jiān)測，重點監(jiān)測內(nèi)容包括橋墩豎向位移和墩頂水平位移[8]。

橋墩豎向位移監(jiān)測點位在高架橋墩上按設(shè)計位置鉆孔，標明點號和保護標記，具體埋設(shè)方式如圖6所示。橋墩墩頂水平位移監(jiān)測點布設(shè)在每個監(jiān)測橋墩頂部，點位布設(shè)效果如圖7 所示。

圖6 橋墩豎向位移點位埋設(shè)示意圖Fig.6 Schematic diagram of burial of vertical displacement points of bridge piers

圖7 墩頂水平位移點位埋設(shè)效果圖Tab.7 Embedding effect diagram of horizontal displacement point on pier top

本工程屬于可能對城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響的外部施工，其對輕軌高架橋的影響區(qū)域約230 m，區(qū)域內(nèi)共有10 個橋墩，外部作業(yè)影響等級評定為二級。對本工程涉及的輕軌高架橋結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測采用自動化監(jiān)測技術(shù)與人工監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合的方式，滿足監(jiān)測頻率、精度及作業(yè)效率的要求。監(jiān)測周期從施工進場開始至地下結(jié)構(gòu)出土為止，累計監(jiān)測時長13 個月。關(guān)鍵施工期如二步土開挖、拆撐等施工，監(jiān)測頻率保持每天1 次，密切關(guān)注輕軌高架橋變形情況，保障現(xiàn)場施工及輕軌運營安全。整個監(jiān)測周期內(nèi)輕軌高架橋結(jié)構(gòu)的位移變化如圖8、圖9 所示。

從監(jiān)測數(shù)據(jù)變化圖可以看出輕軌高架橋結(jié)構(gòu)豎向位移和水平位移變化主要分為3 個階段。第一階段，2019 年11 月至2020 年1 月，該階段主要為降水及基坑一步土開挖階段，橋墩豎向位移發(fā)生輕微擾動，橋墩水平位移發(fā)生向基坑施工一側(cè)偏移，最大水平偏移超過3 mm。第二階段，2020 年3 月至2020 年6 月，該階段主要為二步土開挖及底板施工階段，土方開挖采用分步開挖，底板施工采用分塊施工及封閉的作業(yè)方式，從數(shù)據(jù)變化情況可以看出在土方開挖到底、底板未封閉階段高架橋結(jié)構(gòu)變形是最為劇烈的，此時的風(fēng)險等級最高；在底板施工后期，隨著封閉區(qū)域的逐步增大，高架橋結(jié)構(gòu)變形逐步平穩(wěn)。第三階段，2020 年8 月至2020 年10 月，該階段主要為拆撐及主體結(jié)構(gòu)施工，隨著拆撐完畢及主體結(jié)構(gòu)荷載增加，高架橋豎向位移、水平位移變形量出現(xiàn)局部減小的趨勢，并最終趨于平穩(wěn)。

根據(jù)實際監(jiān)測結(jié)果可以看出軟土地基區(qū)域施工對輕軌高架橋結(jié)構(gòu)的實際影響大于有限元模型分析結(jié)果，但施工影響的變形趨勢及節(jié)點是符合實際變化的。這從側(cè)面說明了有限元模型分析對應(yīng)指導(dǎo)施工期間的安全監(jiān)測是十分必要的，同時由于軟土地基區(qū)域土層力學(xué)性質(zhì)的特殊性，現(xiàn)有的有限元模型分析方法尚不能完全體現(xiàn)其內(nèi)部變化規(guī)律，在這方面的還有許多值得探討和研究的內(nèi)容。

4 結(jié) 論

軟土地基區(qū)域施工對周邊結(jié)構(gòu)物的影響程度受土質(zhì)力學(xué)性能參數(shù)影響較大，施工前需詳細探明施工區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及土層參數(shù)，這對后續(xù)施工影響評估及變形監(jiān)測等工作十分重要。

對處于城市軌道交通結(jié)構(gòu)控制保護區(qū)范圍內(nèi)的外部施工作業(yè)，需嚴格控制其施工步驟及影響范圍，特別是在軟土地基區(qū)域，軌道交通結(jié)構(gòu)受外部施工影響顯著。在外部施工過程中需重點加強對結(jié)構(gòu)豎向位移、水平位移變化的監(jiān)測，數(shù)據(jù)變化顯著時，軌道交通運營部門應(yīng)聯(lián)合各單位采取相關(guān)措施保障運營安全。