深基坑開挖對既有高架橋及市政隧道的影響分析

楊 成

藍城樂居建設(shè)管理集團有限公司，浙江杭州310007

0 引 言

隨著城市地下空間日益緊張，部分城市基坑工程往往鄰近敏感建（構(gòu)）筑物、高架橋、市政隧道等，基坑開挖會對周邊環(huán)境產(chǎn)生較大影響。因此，復雜環(huán)境中基坑工程應在設(shè)計階段采用合理的技術(shù)措施評估基坑開挖是否會對周邊環(huán)境產(chǎn)生較大影響。

沈健等［1］采用三維有限元法分析了深基坑開挖對鄰近高架橋基礎(chǔ)的影響，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值分析結(jié)果基本一致。丁勇春等［2］以上海某緊鄰高架橋基礎(chǔ)的地鐵車站深基坑為背景，采用簡化分析、三維數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測等手段，動態(tài)預測基坑圍護結(jié)構(gòu)及高架橋基礎(chǔ)的變形形態(tài)，結(jié)合監(jiān)測結(jié)果，采用一系列變形控制措施，保護高架橋基礎(chǔ)的安全。高廣運等［3］運用FLAC3D 軟件對基坑施工進行全過程動態(tài)模擬，計算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合。汪小兵等［4］運用三維有限元模擬等分析手段，預估基坑開挖對緊鄰地鐵的影響，探討了減少基坑開挖對既有隧道影響的控制措施。

本文以杭州市某安置房項目地下室基坑工程為例，運用Plaxis 2D 有限元數(shù)值模擬軟件，采用小應變土體硬化（HSS）模型模擬了基坑施工對鄰近市政設(shè)施的影響，通過將模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果進行比較，驗證了數(shù)值模擬的有效性，對類似工程有參考意義。

1 工程概況

1.1 項目介紹

項目位于杭州市拱墅區(qū)香積寺路與上塘路交叉口東南角，規(guī)劃用地面積23 768 m2，總建筑面積113 022.8 m2，主要由7 幢21～23層高層住宅樓及配套用房組成，全場區(qū)設(shè)有2 層地下室，地下建筑面積39 342 m2，基礎(chǔ)形式為鉆孔灌注樁。

項目西側(cè)鄰近上塘高架橋，北側(cè)鄰近香積寺路隧道。上塘高架橋于2002 年6 月建成，建成后與中河高架橋相接，南起中河立交，北至石祥路，全長7 km。香積寺路隧道東起香積寺路224 號，下穿香積寺路延伸段，西至余杭塘路，長2 650 m，寬25 m。項目基坑圍護結(jié)構(gòu)與上塘高架橋、香積寺路隧道最小平面距離分別約20.3、6.9 m，鄰近范圍長度分別約180、220 m，距離香積寺路隧道管理用房最近處約4.2 m?；娱_挖影響范圍按3倍開挖深度計算，上塘高架橋影響范圍約157 m，香積寺路隧道影響范圍約197 m?；悠矫媸疽鈭D見圖1。

圖1 基坑平面示意

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，基坑影響深度范圍內(nèi)的地基土分布較均勻，主要為填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土以及其以下的強風化凝灰?guī)r等。見表1。地基土工程地質(zhì)層自上到下分述如下：

表1 土層物理力學指標

①-0 層為雜填土：灰色、雜色，松散—稍密，稍濕—濕。主要由碎塊石、混凝土塊、磚塊混黏性土組成，硬質(zhì)成分含量30%～70%，多呈棱角狀，直徑一般100～400 mm，間隙由黏性土、礫、砂組成，含少量生活垃圾；分布有原建筑物條帶狀舊基礎(chǔ)，個別混凝土塊徑大于1.5 m；表部夾植物根莖。全場分布，層頂標高3.86～5.19 m，層厚1.70～4.70 m。

①-1 層為粉質(zhì)黏土：灰黃色、灰色，軟可塑—軟塑。切面較光滑，干強度、韌性中等，無搖震反應，局部具層理，偶夾黏質(zhì)粉土薄層，含云母碎片，氧化鐵斑紋。局部缺失，層 頂 標 高0.27～2.85 m，層 厚0～2.70 m。

②層為淤泥質(zhì)黏土：灰色，流塑。局部為淤泥，切面光滑、含較多有機質(zhì)，干強度、韌性較高，無臭味，局部含少量泥炭。全場分布，層頂標高-1.13～1.96 m，層厚5.30～8.70 m。

③-1層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：灰色，流塑。具鱗片狀構(gòu)造，切面較光滑、含較多有機質(zhì)，干強度、韌性高，夾少量腐爛植體和貝殼碎片。全場分布，層頂標高-7.92～-5.67 m，層厚4.70～10.30 m。

③-2層為淤泥質(zhì)黏土：灰色，流塑。切面光滑、含較多有機質(zhì)，干強度、韌性較高，夾腐爛植體，無臭味，局部含少量泥炭。全場分布，層頂標高-17.00～-12.32 m，層厚1.30～9.70 m。

④-1層為粉質(zhì)黏土：灰黃色、灰綠色，硬可塑—軟可塑。切面較光滑，厚層狀構(gòu)造，稍有光澤，韌性、干強度較高，含少量鐵錳質(zhì)斑紋。局部缺失，層頂標高-23.09～-13.62 m，層厚0～6.50 m。

④-2層為粉質(zhì)黏土夾粉土：灰色，軟可塑—軟塑。切面粗糙，具層理，局部夾粉土薄層，粉土單層厚度5～50 mm，干強度、韌性中等，局部含氧化鐵斑點。局部缺失，層頂標高-26.44～-19.22 m，層厚0～7.80 m。

基坑開挖影響深度范圍內(nèi)分布有深厚的淤泥土，基坑坑底基本落于淤泥質(zhì)黏土層中，該層土呈流塑狀，局部為淤泥，切面光滑、含較多有機質(zhì)，干強度、韌性較高，土力學性質(zhì)較差。

孔隙潛水主要賦存于場區(qū)淺部中等—強透水性人工填土、粉質(zhì)黏土層內(nèi)，其余土層為不透水層。地下水分布連續(xù)，其富水性和透水性具有各向異性，均一性差，水量小，滲透性低，動態(tài)變幅一般在1.0～1.5 m?？辈炱陂g實測潛水位埋深0.60～1.80 m，相當于標高2.94～3.54 m。

孔隙承壓水分布于場地中下部⑥-1 粉砂、⑥-2 和⑦含粉質(zhì)黏土礫砂層中，其上覆黏性土層構(gòu)成了其承壓含水層頂板。⑥-1粉砂、⑥-2 和⑦含粉質(zhì)黏土礫砂層的承壓水對樁基施工影響小，對地基評價影響較小，對基礎(chǔ)抗浮，工程降水影響較小。

2 高架橋及市政隧道結(jié)構(gòu)情況

上塘高架橋與本項目正對區(qū)間樁基礎(chǔ)采用直徑1 200 mm鉆孔灌注樁，梁高1.5 m，橋面寬約19 m，高架橋具體構(gòu)造見圖2。

圖2 高架橋結(jié)構(gòu)斷面

本工程正對區(qū)間香積寺路隧道圍護結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地連墻+四道支撐支護形式，其中第一道為鋼筋混凝土支撐，其余三道為鋼支撐。地連墻長度約41 m，兩側(cè)采用直徑850 mm、間距600 mm的三軸水泥攪拌樁槽壁加固，三軸水泥攪拌樁樁長約20 m，香積寺路隧道明挖段具體構(gòu)造見圖3。

圖3 隧道圍護剖面

3 鄰近高架橋及市政隧道側(cè)圍護方案

基坑鄰近上塘高架橋側(cè)采用直徑900 mm、間距1 100 mm鉆孔灌注樁作為圍護樁，基坑鄰近香積寺路隧道側(cè)采用直徑1 100 mm、間距1 200 mm，直徑1 200 mm、間距1 400 mm鉆孔灌注樁作為圍護樁，其余范圍采用直徑900 mm、間距1 100～1 200 mm鉆孔灌注樁作為支護樁。在排樁墻后采用一排三軸水泥攪拌樁套打形成封閉的止水帷幕。水平受力構(gòu)件為二道鋼筋混凝土水平內(nèi)支撐；基坑鄰近市政設(shè)施，以及電梯井鄰邊部位增設(shè)三軸水泥攪拌樁被動區(qū)加固；在第一、二道支撐陽角部位增設(shè)混凝土加強板以增強支撐整體剛度，典型剖面見圖4、圖5。

圖4 鄰近高架橋側(cè)圍護剖面

圖5 鄰近隧道側(cè)圍護剖面

4 有限元數(shù)值模擬

采用Plaxis 2D有限元數(shù)值模擬軟件，建立二維有限元模型進行基坑各施工工況對市政設(shè)施變形影響的分析。基坑開挖寬度按180 m考慮，此處選取基坑鄰近市政設(shè)施側(cè)的一半寬度模擬?？油馔馏w計算范圍取不小于3倍的基坑挖深，并考慮到市政設(shè)施與基坑的相對位置關(guān)系，據(jù)此取計算模型尺寸為100～140 m （寬）、50～60 m（深）。在幾何模型底部施加完全約束，兩側(cè)豎向邊界施加滑動約束?；邮┕るA段超載取20 kPa，坑外水頭取地表下1.5 m，坑內(nèi)取開挖面以下0.5 m。土體采用Plaxis 自帶的小應變土體硬化（HSS）模型，圍護樁、內(nèi)支撐選用彈性模型，圍護樁按照抗彎剛度相等的原則等價為一定厚度的地連墻進行內(nèi)力分析。圍護樁采用板單元模擬；水平支撐采用錨定桿單元模擬。土體物理力學性質(zhì)參數(shù)見表2。

表2 土體HSS模型參數(shù)

4.1 高架橋結(jié)構(gòu)變形

根據(jù)Plaxis 2D數(shù)值模擬分析結(jié)果，基坑拆換撐時高架橋結(jié)構(gòu)位移最大，其中最大水平位移約7.34 mm，最大豎向位移約5.55 mm，見表3。鄰近高架橋側(cè)土體總位移計算結(jié)果見圖6。

表3 主要工況下上塘高架橋最大位移

圖6 鄰近高架橋側(cè)土體總位移云圖

4.2 市政隧道結(jié)構(gòu)變形

根據(jù)Plaxis 2D數(shù)值模擬分析結(jié)果，基坑拆換撐時市政隧道結(jié)構(gòu)水平位移最大，約5.65 mm；基坑開挖到底時豎向位移最大，約4.00 mm，見表4。鄰近隧道側(cè)土體總位移計算結(jié)果見圖7。

表4 主要工況下香積寺路隧道最大位移

圖7 鄰近隧道側(cè)土體總位移云圖

基坑施工對西側(cè)高架橋的影響較小，但對北側(cè)香積寺路隧道影響較大，隧道最大變形位于明挖段及4#工作井處，因此圍護設(shè)計針對基坑北側(cè)鄰近香積寺路隧道（尤其是4#工作井）區(qū)域增加了被動區(qū)加固。經(jīng)計算，基坑北側(cè)在開挖到底工況下，是否采用被動區(qū)加強措施的兩種情況下，香積寺路隧道最大位移見表5。

表5 有無被動區(qū)加強對香積寺路隧道變形影響對比

由表5計算結(jié)果可知，設(shè)置被動區(qū)后，隧道最大位移計算結(jié)果小于無被動區(qū)時的結(jié)果。

5 基坑及市政隧道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

5.1 基坑變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

通過統(tǒng)計鄰近市政隧道一側(cè)的測斜數(shù)據(jù)，得知北側(cè)基坑開挖到底時深層土體測斜變形最大值約34.44 mm，與有限元模擬結(jié)果基本一致。

5.2 高架橋及市政隧道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

本項目基坑開挖到底時高架橋變形累計值見表6。本項目基坑開挖到底時市政隧道變形累計值見表7。

表6 高架橋變形實測數(shù)據(jù)

表7 市政隧道變形實測數(shù)據(jù)

對比表3和表5的結(jié)果，高架橋?qū)崪y變形值略小于有限元模擬值，對比表4和表6的結(jié)果，市政隧道實測變形值略大于有限元模擬值。

6 結(jié) 論

本文以杭州市某安置房項目地下室基坑工程為背景，通過Plaxis 2D 有限元計算軟件建立了二維模型，模擬了基坑施工對既有高架橋及市政隧道的影響，并結(jié)合施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，得出以下結(jié)論：

1）本文案例中基坑面積約2.3 萬m2，開挖面積大，基坑空間效應差。因此在開挖過程中基坑變形較大，引起既有高架橋及市政隧道的變形量與二維數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。

2）本工程運用有限元數(shù)值模擬軟件，模擬了基坑施工對鄰近市政設(shè)施的影響，對后續(xù)施工具有指導作用。根據(jù)計算結(jié)果，基坑施工對西側(cè)高架橋的影響較小，但對北側(cè)香積寺路隧道影響較大，因此建議圍護設(shè)計針對基坑北側(cè)鄰近香積寺路隧道區(qū)域增加被動區(qū)加固，以有效控制基坑開挖后的圍護墻側(cè)向位移。

3）除了對基坑自身圍護結(jié)構(gòu)進行加強，考慮到基坑北側(cè)邊長較長，開挖面積較大，為充分利用時空效應，提出了北側(cè)鄰邊區(qū)塊應分區(qū)跳挖的施工要求，嚴格規(guī)定每層土方的開挖深度及每次的開挖寬度，以減小基坑一次性開挖卸荷的范圍。并對挖土至標高后墊層和基礎(chǔ)底板施工完成時間進行了嚴格規(guī)定，以縮短坑底暴露時間?，F(xiàn)場采納了上述指導意見后，有效地減小了基坑開挖對北側(cè)市政隧道的影響。