新開挖航道基坑下穿高鐵橋墩抗擾動加固方案

顧禎雪

（上海申元巖土工程有限公司，上海 200011）

引言

隨著推動長江經濟帶發(fā)展重要戰(zhàn)略的實施，航道開發(fā)改造工程日益增多。尤其在水系發(fā)達、高鐵密布的東部地區(qū)，航道下穿高鐵已成為網絡化交通的必然結果。下穿航道開挖過程中，航道基坑- 周圍地層-高鐵樁基共同變形，需對下穿段進行加固[1-2]。本研究結合某新開挖航道基坑下穿高鐵的實際工程，制定一套下穿段的抗擾動加固方案，建立施工全過程的PLAXIS 有限元模型，分析基坑開挖對周邊的影響，為橋墩安全加固方案的進一步優(yōu)化提供決策依據。

1 工程概況

1.1 工程總覽

某地新建航道基坑下穿高鐵工程（見圖1），下穿段航道基坑寬度60 m，受開挖影響的橋墩為上跨連續(xù)梁的兩個中墩，橋墩下設樁基礎。航道開挖邊界距高鐵橋墩的最小距離不足3 m。

圖1 下穿工程現場示意

1.2 水文地質條件

下穿工程位于浙江海寧市，常水位為1 m～1.5 m 左右。場地土層以軟土為主，主要土層的物理力學參數見表1。

表1 土層物理力學參數

2 加固方案

受影響橋墩兩側設三排Φ1 200@1 400 鉆孔灌注樁，外側樁長30 m，內側樁和中間樁樁長28 m。內側樁和中間樁之間采用10 m 水泥攪拌樁進行地基加固，樁頂設1.5 m 厚鋼筋混凝土板；內側樁之間采用5 m 水泥攪拌樁封底，樁頂設1.0 m×1.1 m 的鋼筋混凝土錨梁，錨梁上進行40 cm 河底鋪砌。外側樁和中間樁采用1.0 m×1.0 m 鋼筋混凝土斜撐連接，開挖過程中在圍護樁之間設置雙層內外1.0 m×1.0 m 鋼筋混凝土橫撐，斜撐、橫撐間距均為6 m。緊貼航道邊線設置防撞墻，墻底采用15 m 長、Φ1 000 樁基礎。加固方案設計見圖2。

圖2 加固方案立面圖

3 數值模擬與分析

3.1 模型建立

采用PLAXIS 有限元建立航道基坑開挖對高鐵橋墩的影響模型?；炯俣ㄈ缦拢?/p>

（1） 假定土層是水平均勻連續(xù)各項同性的彈塑性材料，采用摩爾庫倫模型。

（2） 圍護樁等效成一定厚度的圍護樁墻。

（3） 受影響的橋墩僅為航道兩側橋墩，其余橋墩不受擾動。

（4） 不考慮土體固結、軟土蠕變、地下水滲流的影響。

模型尺寸為150 m×100 m，側面約束法向位移，底面完全固定，頂面自由。圍護樁、混凝土板、防撞擋墻、鋪砌等采用板單元，支撐采用梁單元，樁基采用嵌固樁單元，部分參數參考《 建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ94-2008）[3]。橋墩承臺和攪拌樁加固區(qū)采用實體單元。其中，攪拌樁加固區(qū)采用《建筑地基處理規(guī)范》（JGJ79-2012）[4]建議的面積置換原則，用攪拌樁的彈性參數置換土體參數[5-6]。板與土接觸處設置界面，模擬結構與土的相互作用。二維有限元模型見圖3，共劃分2 650 個單元，網格劃分見圖4。

圖3 二維模型

圖4 網格劃分

3.2 分析步驟

本模型共設置16 個分析階段，具體設置見表2。

3.3 結果分析

3.3.1 土體位移 圖5 與圖6 為航道基坑開挖、過程中坑內最大坑底隆起與坑外最大土體沉降的發(fā)展趨勢。隨著開挖的進行，坑底土體不斷向上隆起。土方開挖、拆除圍護和支撐等施工步驟等同土體卸荷，導致土體回彈，施工支撐、混凝土板和施加水荷載，等同向土體加載，土體向下沉降。開挖航道兩側基坑時，航道中心坑底呈先下沉后隆起的變化情況，基坑降水導致土體顯著下沉，而后土方開挖的卸荷效應使土體又向上隆起。拆除支撐和圍護結構后，坑內土體隆起與坑外土體沉降達到峰值。施加水荷載后，坑底中心處的隆起現象明顯緩解。由于止水帷幕的隔斷作用，坑外土體沉降變化甚微。

圖5 最大坑底隆起

圖6 最大地表沉降

3.3.2 圍護樁變形 圖7 展示了內側圍護樁水平位移發(fā)展情況。開挖航道兩側基坑時，圍護樁向開挖方向發(fā)生側移。開挖航道內基坑時，由于開挖位置發(fā)生改變，圍護樁向相反方向偏移，偏移方向仍向基坑內側。由于土方開挖量大，本階段圍護樁水平位移變化顯著。開挖斜撐基坑時，支護體系發(fā)揮顯著作用，有效限制了圍護樁的側移。拆除橫撐會引發(fā)一定程度的圍護側移。圍護樁的側移形態(tài)呈向基坑內部的凸鼓狀，隨圍護樁深度而增大，在地表以下15 m 深度下圍護樁的水平位移很小。

圖7 內側樁側移

圖8 對比了內側、中間及外側圍護樁施工完成后的水平位移。內側、中間圍護樁位于基坑內，受基坑開挖的影響大。外側圍護樁水平位移遠遠小于內側和中間圍護樁，最大位移發(fā)生位置高于內側和中間圍護樁?？傮w上看，圍護樁的樁身水平位移大小為：內圍護樁＞中間圍護樁＞外圍護樁。

圖8 圍護樁側移

3.3.3 橋墩變形 橋墩墩頂的豎向位移與航道坑底土體的豎向位移發(fā)展類似，加載階段墩頂下沉，卸荷階段墩頂上浮，最終橋墩沉降0.5 mm。施工過程中，橋墩墩頂向航道內偏移，在開挖航道兩側基坑進行二次降水時，達到開挖過程中的順移最大值。開挖航道內基坑反而使橋墩順移減小，施工混凝土板、開挖斜撐基坑以及通水均增加橋墩的順移。通水后橋墩墩頂順移達到峰值，為1.88 mm。見圖9、圖10。

圖9 橋墩沉降

圖10 橋墩順移

4 結論

本研究結合某地新開挖航道基坑下穿高鐵的實際工程，制定下穿段加固方案，通過PLAXIS 二維有限元模型進行模擬。得到的結論如下：

（1） 土方開挖、拆除圍護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，等同向土體加載，坑底土體沉降?；咏邓彩怯绊懲馏w沉降的重要因素。

（2） 圍護樁的偏移方向隨基坑開挖位置而改變，偏移形態(tài)呈向基坑內的凸鼓狀。樁身水平位移大小為：內側樁＞中間樁＞外側樁。

（3） 高鐵橋墩沉降與航道坑底土體的豎向位移變化趨勢相似，橋墩順向位移與圍護樁側向位移的變化趨勢也有相似之處，二者均小于規(guī)范的變形控制要求。

（4） 數值計算結果表明，堅實的支護系統(tǒng)、分層開挖結合多次降水，可避免較大土體沉陷，有效控制土體開挖引發(fā)的坑底隆起。