考慮施工全過(guò)程的超近距鄰近既有橋影響

唐亮， 陳虹僑， 鄭霄陽(yáng)， 戚小磊

(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400074； 2.中鐵二十二局集團(tuán)第五工程有限公司， 重慶 400711)

伴隨著城市規(guī)?；M(jìn)程的加速推進(jìn)以及交通網(wǎng)的日益密集，新建工程與鄰近既有工程近接施工的情況愈發(fā)普遍，常見(jiàn)的有新建基坑與公路橋梁間、新建基坑與鐵路橋梁間，以及鐵路橋梁自身相互間等多種近接施工的情況。新建工程的施工在一定程度上會(huì)對(duì)鄰近既有工程產(chǎn)生不利的影響，從而給鄰近既有工程的正常運(yùn)營(yíng)帶來(lái)安全隱患。特別的是，高速鐵路具有速度快且載客量大的特點(diǎn)，若由于新建橋梁的施工使得鄰近既有高速鐵路橋樁發(fā)生傾斜、開(kāi)裂甚至破壞，勢(shì)必會(huì)造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失和負(fù)面的社會(huì)影響。

新建工程距離鄰近既有工程越近，對(duì)于安全施工的要求就越高，所帶來(lái)的安全隱患也越嚴(yán)重。中外工程界就新建施工對(duì)鄰近既有工程的影響已有很多有意義的研究。在對(duì)樁基施工影響分析基礎(chǔ)上，周樂(lè)平等[1]運(yùn)用非線性通用有限差分軟件FLAC考慮樁基承載力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全的影響；Zhang等[2]運(yùn)用Benoto樁的方法考慮對(duì)鄰近高鐵橋梁的施工影響；徐永祥等[3]通過(guò)對(duì)隔離樁施工過(guò)程開(kāi)展三維精細(xì)化數(shù)值模擬，系統(tǒng)分析了鉆孔灌注排樁施工鄰近高鐵橋梁樁基、承臺(tái)和橋面的變形特性。在對(duì)基坑施工的影響分析上，許四法等[4]考慮TRD施工對(duì)鄰近隧道存在擠土作用，根據(jù)基坑施工期間鄰近運(yùn)營(yíng)地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)隧道變形從基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工開(kāi)始至開(kāi)挖結(jié)束進(jìn)行全過(guò)程分析；Shi等[5]利用COMSOL Multiphysics 軟件建立相鄰施工模型，分析爆破動(dòng)載、大斷面開(kāi)挖、地下水及鄰近施工等多因素耦合；林楠等[6]采用Midas/GTS建立三維數(shù)值分析模型,通過(guò)對(duì)比單個(gè)基坑開(kāi)挖工況和基坑群分期開(kāi)挖工況,分析大型基坑群分期開(kāi)挖對(duì)相鄰基坑的影響性。在對(duì)隧道施工的影響分析上，董建華等[7]通過(guò)ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮土體的非均勻凍脹性，將路基結(jié)構(gòu)視為彈性的Euler-Bernoulli連續(xù)梁，結(jié)合變形協(xié)調(diào)條件并引入隨機(jī)介質(zhì)理論和疊加原理，評(píng)價(jià)水平凍結(jié)法隧道施工對(duì)鄰近正交路基的影響；辛亞輝[8]通過(guò)有限元ANSYS數(shù)值模擬分析,計(jì)算出重疊隧道盾構(gòu)施工影響鄰近運(yùn)營(yíng)重疊隧道的位移及內(nèi)力大小分布,以判斷重疊隧道盾構(gòu)施工是否影響運(yùn)營(yíng)隧道的安全性；徐建寧[9]采用PLAXIS 3D巖土有限元分析軟件建立數(shù)值模型，研究綜合管廊基坑施工對(duì)鄰近橋梁的影響規(guī)律；Feng等[10]運(yùn)用層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)和有限單元法(finite element method，F(xiàn)EM)相結(jié)合的方法考慮開(kāi)挖過(guò)程中的不確定因素對(duì)周?chē)h(huán)境的潛在影響風(fēng)險(xiǎn)；田曉艷等[11]采用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件對(duì)比分析隧道不同施工方法對(duì)既有橋梁樁基的影響，并綜合考慮各種因素,提出環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法作為該區(qū)間隧道的施工方法；卞榮等[12]通過(guò)數(shù)值方法計(jì)算預(yù)制樁靜壓施工對(duì)鄰近頂管電纜隧道的影響，分析樁長(zhǎng)、樁與隧間距以及樁基擠土量對(duì)于隧道變形的影響。李智彥等[13]運(yùn)用ABAQUS有限元軟件考慮到施工步序的影響且明確指出了重要的施工步序；林炳泉等[14]運(yùn)用ABAQUS有限元軟件考慮到隔離樁施工對(duì)橋基變形和樁側(cè)摩阻力的影響。同時(shí)考慮施工步序和土體附加力對(duì)近接施工的耦合影響有著不可小覷的作用。

盡管研究樁基施工對(duì)既有橋梁不利影響的例子有很多，然而既有橋梁為高速鐵路橋的情況卻很少。為此，在理論分析復(fù)合因素影響機(jī)制的基礎(chǔ)上，數(shù)值分析了新建橋梁按有無(wú)施工步序、有無(wú)土體附加力3種情況，計(jì)算對(duì)周?chē)馏w的應(yīng)力變化和位移影響以及對(duì)鄰近既有橋的影響。

1 工程概況

新建南寧至崇左鐵路NCZQ1標(biāo)淡新街雙線大橋第1～3跨為研究依托工程，位于既有南昆客運(yùn)專(zhuān)線南寧站至南寧西區(qū)間，城市市區(qū)路網(wǎng)發(fā)達(dá)，其中既有南昆客運(yùn)專(zhuān)線日間每小時(shí)會(huì)有3輛時(shí)速200 km/h的高鐵經(jīng)過(guò)。淡新街雙線特大橋新建橋梁工程3#墩梁面距離既有南昆線聲屏障距離外側(cè)距離僅為5.63 m。淡新街雙線大橋3#墩與南昆客運(yùn)專(zhuān)線新南寧邕江四線特大橋關(guān)系現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景如圖1所示。

圖1 淡新街雙線大橋新建與既有橋梁工程Fig.1 New construction and existing bridge engineering of Danxinjie Double-lane Bridge

新建橋梁工程因受空間所限，需要在鄰近高速鐵路橋旁進(jìn)行施工。新建橋梁樁基采用鉆孔灌注樁，且施工過(guò)程對(duì)鄰近既有橋梁樁基影響較大，故施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)周?chē)馏w的應(yīng)力變化與位移影響，以及鄰近既有高速鐵路橋的安全進(jìn)行分析研究。通過(guò)數(shù)值分析的方法對(duì)新建橋梁樁基施工過(guò)程進(jìn)行模擬，評(píng)估考慮施工步序且計(jì)入土體附加力的情況下對(duì)鄰近既有橋梁的影響，并依據(jù)計(jì)算結(jié)果與工程經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合對(duì)本工程提出控制措施。

新建橋梁與鄰近既有高速鐵路橋的平面位置關(guān)系及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意如圖2所示。

①～④為布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)圖2 平面位置關(guān)系及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of plane position relationship and monitoring point layout

2 復(fù)合因素的影響機(jī)制

施工步序在研究中是易被忽略的影響因素，通常不考慮施工步序，即只給出施工開(kāi)始和施工結(jié)束的研究方法會(huì)造成樁基豎向位移計(jì)算值嚴(yán)重偏小，導(dǎo)致錯(cuò)誤的安全評(píng)估?？紤]施工全過(guò)程即是計(jì)入施工步序?qū)τ?jì)算帶來(lái)的影響，同時(shí)也能夠監(jiān)測(cè)和檢測(cè)每一步施工步序是否按照預(yù)期在有序進(jìn)行，以及是否在現(xiàn)行的規(guī)范內(nèi)安全施工，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并對(duì)其進(jìn)行調(diào)整指導(dǎo)。

土體附加力在實(shí)際工程中是一種常見(jiàn)且不容忽視的影響因素，它是樁側(cè)負(fù)摩阻力和不平衡水平力的總稱(chēng)。其中樁側(cè)負(fù)摩阻力是隨著鉆孔灌注樁施工深度的增加，既有橋樁周?chē)馏w會(huì)發(fā)生沉降，則周?chē)馏w與既有橋樁之間就會(huì)產(chǎn)生負(fù)摩阻力。負(fù)摩阻力不但不能為承擔(dān)橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載做出貢獻(xiàn)，而且還會(huì)在橋樁產(chǎn)生下拉荷載加快橋樁的沉降；不平衡水平力是因新建橋梁樁周土體發(fā)生水平位移進(jìn)而施加給既有橋樁的側(cè)向壓力，不平衡水平力會(huì)引起橋樁的水平變形，降低橋樁的垂直度，影響橋樁的承載能力。

負(fù)摩阻力對(duì)基樁而言是一種主動(dòng)作用。對(duì)于樁基負(fù)摩阻力的計(jì)算方法，《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2018)[15]規(guī)定：

qni=ktanφ′σ′i=ξnσ′i

(1)

式(1)中：qni為第i層土樁側(cè)負(fù)摩阻力的標(biāo)準(zhǔn)值；k為土的側(cè)壓力系數(shù)；tan為正切函數(shù)的縮寫(xiě)；φ′為土的有效內(nèi)摩擦角；σ′i為第i層土的平均豎向有效應(yīng)力；ξn為負(fù)摩阻力系數(shù)，ξn與土的類(lèi)別和狀態(tài)有關(guān)，對(duì)于粗粒土，ξn隨土的粒度和密實(shí)度增加而增大；對(duì)于細(xì)粒土，則隨土的塑性指數(shù)、孔隙比、飽和度增大而降低。

由于豎向有效應(yīng)力隨上覆土層自重增大而增加，當(dāng)qni=ξnσ′i超過(guò)土的極限側(cè)阻力qsk時(shí)，負(fù)摩阻力不再增大。故當(dāng)計(jì)算負(fù)摩阻力qni超過(guò)極限側(cè)摩阻力時(shí)，取極限側(cè)摩阻力值。

(2)

(3)

對(duì)于鄰近施工而言，施工步序和土體附加力二者之間有著一定的聯(lián)系。施工步序和土體附加力對(duì)既有橋樁的影響關(guān)系如圖3所示。

圖3 影響機(jī)制圖Fig.3 Influence mechanism diagram

隨著鄰近鉆孔灌注樁施工工作的開(kāi)展會(huì)引起既有橋樁周?chē)馏w的沉降和新建橋樁周?chē)馏w的水平位移，而樁周土體的沉降和水平位移會(huì)在既有橋樁樁身產(chǎn)生下拉荷載和側(cè)向荷載，這將會(huì)加速既有橋樁的變形破壞，影響鄰近既有工程的正常運(yùn)營(yíng)。若不計(jì)入施工步序和土體附加力必將會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響，使得與實(shí)際情況有較大差異，所以對(duì)于鄰近施工而言施工步序和土體附加力都不可忽視。

3 考慮施工全過(guò)程的數(shù)值分析

3.1 模型及參數(shù)

作為通用的模擬計(jì)算工具ABAQUS能解決應(yīng)力—位移的復(fù)雜問(wèn)題，因此研究中運(yùn)用ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值仿真建模，網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，總體模型應(yīng)滿足空間尺度的要求。模型計(jì)算區(qū)域大小取為30 m×24 m×22 m，共劃分了68 190個(gè)實(shí)體單元，14 261個(gè)節(jié)點(diǎn)。

對(duì)性質(zhì)相近的土體進(jìn)行有效合并，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告所提供的有效數(shù)據(jù)，將土層進(jìn)行有效分層，土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)Table 1 Soil parameters

圖4 模型網(wǎng)格劃分Fig.4 Model meshing

3.2 施工步序

施工步序的選取是建立在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件的充分分析以及數(shù)值模擬計(jì)算和監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)之上的，施工步序的選取對(duì)加快施工進(jìn)度有很大的影響，故選取如下的關(guān)鍵施工步序進(jìn)行分步開(kāi)挖，本工程的施工步序如表2所示。

表2 施工步序Table 2 Construction sequence

通過(guò)分析表2中施工步序，確定第5～10步為關(guān)鍵施工步序，后文結(jié)果分析中將考慮關(guān)鍵施工步序?qū)︵徑扔袠驑痘９ぷ鞯挠绊憽?/p>

4 結(jié)果與分析

在有限元分析模型中取新建橋樁和鄰近既有橋樁數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)為結(jié)果分析說(shuō)明方便將關(guān)鍵施工步序第5～10步重命名為第1～6步。

4.1 考慮施工步序

在數(shù)值模擬的過(guò)程中，首先測(cè)量出未施工時(shí)新建橋樁周?chē)馏w的初始應(yīng)力值并定義此時(shí)新建橋樁周?chē)馏w和既有橋樁的初始位移值為0，按照施工步序逐步對(duì)鉆孔灌注樁進(jìn)行施工，實(shí)時(shí)測(cè)量出每一步施工步序完成后相應(yīng)的位移值，直至最后一步施工步序完成。

與考慮施工步序的研究方法有所不同，不考慮施工步序僅需要在施工開(kāi)始時(shí)和施工完成后，測(cè)量出新建橋樁周?chē)馏w的應(yīng)力值和位移值，以及既有橋樁的位移值即可。考慮施工步序的應(yīng)力云圖如圖5所示，有無(wú)施工步序的豎向位移圖如圖6所示。

圖5 應(yīng)力云圖(考慮施工步序)Fig.5 Stress cloud diagram (consider construction sequence)

圖6 周?chē)馏w-既有橋樁位移圖(有無(wú)施工步序)Fig.6 Surrounding soil-displacement diagram of existing bridge piles (with or without construction steps)

可以看出，在考慮施工步序后其變形情況不僅是中間過(guò)程呈折線型的增長(zhǎng)，而且其最終應(yīng)力值和最終位移值也會(huì)產(chǎn)生約25%的增大。

4.2 考慮施工步序且計(jì)入土體附加力

土體附加力的大小與作用時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)，用相鄰兩步施工步序之間的施工時(shí)間作為此時(shí)土體附加力的作用時(shí)間，而在研究時(shí)認(rèn)為每一步施工步序的銜接及時(shí)且沒(méi)有其他外在因素的影響屬于理想狀態(tài)。土體附加力的反作用力作用在橋樁周?chē)耐馏w上會(huì)對(duì)其應(yīng)力和位移有所影響，同時(shí)計(jì)入土體附加力后會(huì)在既有橋樁形成下拉荷載和側(cè)向壓力，加速橋樁的沉降同時(shí)也會(huì)降低橋樁的垂直度，故應(yīng)在其后一步施工步序計(jì)入土體附加力后，再測(cè)量應(yīng)力值和位移值，考慮施工步序且計(jì)入土體附加力的應(yīng)力云圖如圖7所示，有無(wú)土體附加力的豎向位移如圖8所示。

可以看出，計(jì)入土體附加力后變化曲線的基本走勢(shì)與不計(jì)入土體附加力時(shí)的大致相同?？傮w趨勢(shì)

圖7 應(yīng)力云圖(考慮施工步序且計(jì)入土體附加力)Fig.7 Stress cloud diagram (consider the construction sequence and include the additional soil force)

圖8 周?chē)馏w-既有橋樁位移圖(有無(wú)土體附加力)Fig.8 Surrounding soil-displacement diagram of existingbridge piles (with or without additional soil force)

均朝著變形加劇的方向發(fā)展，但計(jì)入土體附加力后會(huì)產(chǎn)生約70%的增大。

4.3 控制措施

在不同工程中鉆孔灌注樁的施工要求控制周?chē)馏w的應(yīng)力和位移以及鄰近既有橋樁的安全運(yùn)營(yíng)時(shí)可采取3種有效措施：改變鋼支撐的剛度、改變圍護(hù)墻體的剛度以及增加土體的強(qiáng)度。對(duì)于絕大多數(shù)工程來(lái)說(shuō)，在施工鉆孔灌注樁的過(guò)程中周?chē)延型诔鰜?lái)的土，因此更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的措施是用挖的土就地進(jìn)行土體加固。

采用控制變量的方法，分別在不考慮施工步序、考慮施工步序和考慮施工步序且計(jì)入土體附加力的三種情況下，分析不同的加固方案對(duì)控制鄰近既有橋樁變形的作用。

通過(guò)控制加固深度，變化加固寬度研究可知：周邊土體加固寬度對(duì)既有橋樁水平位移有明顯影響，隨著加固寬度的增加，既有橋樁水平位移降低，如圖9所示。

通過(guò)控制加固寬度，變化加固深度研究可知：周邊土體加固深度對(duì)既有橋樁水平位移有明顯影響，隨著加固深度的增加，既有橋樁水平位移并不是隨之有大幅度減少，而是存在一個(gè)臨界深度，如圖10所示。

通過(guò)控制變量法的分析研究可知，加固寬度和加固深度能有效降低對(duì)鄰近既有橋的不利影響。

之前的研究是在理想狀態(tài)情況下進(jìn)行的，而實(shí)際情況往往會(huì)由于外在因素和人為因素導(dǎo)致施工步序之間的銜接不當(dāng)，使得情況更加復(fù)雜，嚴(yán)格控制其作用時(shí)間是十分必要的，但很多時(shí)候施工步序之間的間隔時(shí)間無(wú)法達(dá)到計(jì)劃理想狀態(tài)。當(dāng)銜接時(shí)間超出了預(yù)定時(shí)間后，可以預(yù)先測(cè)量出理想狀態(tài)的應(yīng)力值和位移值，再計(jì)入超出的時(shí)間，按二次插值的方法推算出此時(shí)的大致值，并用此值作為下一步施工步序的初始值，以此來(lái)對(duì)數(shù)值進(jìn)行修正。

圖9 不同加固寬度對(duì)既有橋樁位移的影響Fig.9 Influence ofdifferent reinforcement widths on the displacement of existing bridge piles

圖10 不同加固深度對(duì)既有橋樁位移的影響Fig.10 Influence of different reinforcement depths on displacement of existing bridge piles

5 結(jié)論

超近距施工時(shí)，施工步序和土體附加力均會(huì)對(duì)鄰近既有橋造成不利影響?？紤]施工全過(guò)程能更好地反映鄰近既有橋的受影響程度，土體附加力負(fù)向作用會(huì)給鄰近既有橋帶來(lái)沉降超限的危害。通過(guò)數(shù)值分析的方法研究了新建橋梁施工對(duì)超近距鄰近既有高速鐵路橋的影響，著重考慮施工步序且計(jì)入土體附加力的情況下對(duì)周?chē)馏w的應(yīng)力變化和位移影響、鄰近既有橋樁的位移影響以及控制措施的方面進(jìn)行模擬分析，得出如下結(jié)論。

(1)施工步序?qū)χ車(chē)馏w應(yīng)力和位移影響較大，靠近鄰近既有橋樁的下部土體擠入值相比于其他位置會(huì)更大。隨著深度的增加對(duì)應(yīng)力的影響呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，距離鄰近既有橋樁越近則所受到的影響就越大。

(2)考慮施工步序?qū)︵徑扔懈咚勹F路橋的位移值會(huì)產(chǎn)生約25%的增大；同時(shí)考慮土體附加力對(duì)位移值會(huì)產(chǎn)生約70%的增大。

(3)對(duì)土體加固進(jìn)行控制變量分析可知，加固寬度和深度能降低既有橋樁的水平位移值，且既有橋樁水平位移存在一個(gè)最佳加固深度值，即臨界深度。對(duì)于本依托工程最佳加固深度值為9 m。

可通過(guò)以下措施改善超近距鄰近施工帶來(lái)的影響：①減小單次開(kāi)挖深度，分多步進(jìn)行開(kāi)挖施工，且每次開(kāi)挖之后，及時(shí)進(jìn)行數(shù)值測(cè)量以保證其穩(wěn)定性；②對(duì)鄰近既有高速鐵路橋樁的周?chē)馏w進(jìn)行加固處理；③對(duì)于施工步序繁多且步序之間銜接不緊密的新建工程，在評(píng)價(jià)施工超近距鄰近既有橋影響時(shí)更應(yīng)該將施工步序和土體附加力計(jì)入考慮。