現(xiàn)狀高速橋梁橋底基坑卸土影響及安全分析

侯澤輝

（廣東省冶金建筑設(shè)計研究院有限公司 廣州 510080）

0 引言

隨著城市交通基礎(chǔ)設(shè)施的日益完善，出現(xiàn)了許多位置距離近、設(shè)計施工難、施工影響大的工程，其中臨近既有橋梁進行基坑開挖施工便是其中一種［1］。

目前，許多學者針對基坑開挖對橋梁的影響展開了較多的研究。余世為［2］對明挖法施工隧道對橋梁基礎(chǔ)的變形控制措施進行了數(shù)值分析，結(jié)果表明以袖閥管加固方式對橋梁周邊土體加固可以有效保護橋樁，水平位移可以減小24%；朱利明［3］分析了在建道路下穿高鐵橋梁施工過程中橋墩的沉降、橫向及縱向水平變形數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)的情況，發(fā)現(xiàn)橋墩主要以沉降變形為主，與監(jiān)測結(jié)果較為一致；金宏剛［4］則對明挖狹長基坑開挖對橋梁的影響展開對比分析，監(jiān)測與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)都表明隨著基坑開挖橋墩的沉降變大，施工結(jié)束后進行回填又會變小恢復到開挖前的水平；上官士青等人［1，5］系統(tǒng)性總結(jié)了基坑開挖對臨近橋梁樁基的保護措施，表明基坑開挖距離與既有結(jié)構(gòu)較近時，橋樁變形基本與基坑變形一致。距離難以避開時應采取增加支護結(jié)構(gòu)剛度、采用坑內(nèi)加固、坑外加固等措施；葉蓉［6］補充了基于應力釋放法對該類問題數(shù)值模擬的研究應用案例；賈小波［7］研究了明挖隧道下穿病害橋梁的技術(shù)難題。

本文以某隧道側(cè)穿高速公路橋梁深基坑開挖施工為例，系統(tǒng)性分析了基坑開挖過程中橋梁樁基、橋臺受力及變形的影響，并采取針對性措施進行效果評價。

1 項目概況

隧道下穿既有高速公路（16+20+16）m 的三跨簡支空心板橋的樁基間。橋梁平面布置如圖1 所示，基礎(chǔ)、0號臺、3號臺的墩臺類型為座板臺，座板臺基礎(chǔ)類型為鉆孔樁，樁基樁徑1.2 m，樁長30 m（嵌巖樁）；1號墩、2 號墩墩臺類型為柱式墩，墩直徑1.2 m，墩下基礎(chǔ)為直徑1.3 m 鉆孔樁，樁長36 m（嵌巖樁），其中2-15、2-14號樁基為摩擦樁。

通道過高速段機動道斷面布置形式如圖2 所示，為0.7 m（側(cè)墻）+8.0 m（機動車道）+0.4 m（中隔墻）+8.0 m（機動車道）+0.7 m（側(cè)墻）=17.8 m。采用單孔避讓，孔口凈寬約為2.5 m，兩側(cè)非機動車道斷面布置形式為0.5 m（側(cè)墻）+2.5 m（非機動車道）+0.5 m（側(cè)墻），地面人行道寬度預留寬度布置，凈寬大于2 m。

圖2 隧道橫斷面布置Fig.2 The Cross Section Layout of Tunnel

下穿隧道采用明挖法施工，圍護結(jié)構(gòu)采用?800@850 mm 鉆孔灌注樁+雙排雙重管高壓旋噴樁+內(nèi)支撐方式，樁頂設(shè)置冠梁，冠梁處設(shè)置一道混凝土支撐，橫向與格構(gòu)柱連成一體。基坑外側(cè)采用兩排?60 cm 高壓旋噴樁加固止水，咬合長度20 cm，其中外側(cè)兩排為止水帷幕，長20 m，原則上進入不透水層1 m，因敞開段砂層較厚，為確保鉆孔樁施工質(zhì)量，內(nèi)側(cè)設(shè)置三排13 m長旋噴樁對土體進行加固。

隧道主要開挖地層有填土、粉細砂、中粗砂、礫砂、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土（流塑）、殘積土（可塑）、殘積土（硬塑）、微風化灰?guī)r。基坑底主要位于中粗砂地層上，地層參數(shù)如表1所示。

表1 地層參數(shù)Tab.1 Stratigraphic Parameters

2 基坑開挖橋梁樁基受力分析

2.1 樁基受豎向荷載受力分析

隧道基坑的開挖，可能會對橋梁安全產(chǎn)生影響，以下就隧道設(shè)計方案對橋梁的影響進行分析。本次計算分析選取最不利截面來考慮計算，選取基坑開挖最深處即開挖深度8.2 m 處進行計算分析。橋梁設(shè)計為三跨（16+20+16）m 簡支梁橋，墩為柱式墩，墩下基礎(chǔ)為嵌巖樁基礎(chǔ)（其中2-14摩擦樁基）。

2.1.1 嵌巖樁受豎向荷載影響受力分析

根據(jù)設(shè)計資料，樁基豎向力按單樁最大設(shè)計承載力4 500 kN考慮。本次開挖最大影響深度8.2 m，原橋墩高5.3 m，開挖后樁基的臨空高度變?yōu)?3.5 m，根據(jù)開挖后樁基長細比計算樁基承載力N=0.90×0.75×1.130 4×13.8=10 529.67 kN＞1.0×Nd=1.0×1.2×4 500=400 kN，樁基穩(wěn)定性滿足要求。

根據(jù)文獻［8］公式6.3.4及文獻［9］公式10.2.4計算樁基摩阻力，基坑開挖8.2 m 后對樁基摩阻力損失為65.7 kN，樁端承載力能夠滿足4 500 kN承載力要求。

2.1.2 摩擦樁受豎向荷載影響受力分析

摩擦樁樁基2-14 開挖深度最深，開挖影響最大，取最不利樁基進行計算分析。2-14 摩擦樁樁基豎向力最大設(shè)計承載力2 500 kN，基坑開挖深度約7.5 m，承臺底樁基影響長度4.4 m，根據(jù)文獻［10］公式5.3.3樁基參數(shù)取值計算的單樁軸向受壓承載力容許值為2 933.3 kN，小于荷載3 017.5 kN，2-14 號摩擦樁豎向承載力不能滿足原設(shè)計的2 500 kN承載力要求。

考慮到高速橋梁運行安全的重要性，及摩擦樁對周邊土體擾動的敏感性，擬通過注漿來增加摩阻力的方式，增加2-14 號摩擦樁的承載力，使其滿足原設(shè)計的承載力要求。摩擦樁加固范圍為樁基外側(cè)3 m，加固深度為8 m。加固后的單樁軸向受壓承載力容許值為3 341.7 kN，滿足設(shè)計要求。

加固擾動土體，在對基坑開挖之前，應對加固后的土體進行土工實驗，待檢測加固后土體的側(cè)摩阻力大于80 kPa 后才能進行基坑的開挖施工。同時在加固前先對梁體架設(shè)貝雷梁形成支撐，貝雷梁支撐加固示意圖如圖3 所示，對摩擦樁的支撐分兩部分進行支撐加固，加固2-14 號樁基時主要對該部分進行貝雷梁支撐加固，增強摩擦樁的安全儲備。

圖3 摩擦樁基貝雷梁支撐加固Fig.3 The Reinforcement of Bailey Beam Support for Friction Pile Foundation （mm）

加固寬度，以加固體整體不發(fā)生相對滑動為原則進行確定，采取貝雷梁支撐橋面空心板梁加固措施時要注意梁底支撐線位置，應盡量靠近橋墩、不應超過1/4梁長處，不改變空心板結(jié)構(gòu)受力應力方式。

2.2 樁基受水平荷載受力分析

基坑在樁基兩側(cè)對稱開挖，不會產(chǎn)生較大不均勻堆載，樁基截面驗算最不利階段為基坑開挖完成階段，按照最不利情況在基坑開挖深度為8.2 m 階段進行計算分析。

計算采用MIDAS 建模，上部結(jié)構(gòu)恒荷載根據(jù)支座位置加載于蓋梁上，汽車荷載根據(jù)縱向影響線取最不利結(jié)果換算為車輪荷載后，按照橫向移動荷載進行分析，在荷載工況組合后分別對樁基進行軸心受壓、大偏心受壓和小偏心受壓驗算。分別驗算不考慮橋面交通疏解，保持車輛通行及考慮橋面交通疏解，限制車輛通行兩種工況進行驗算。

不考慮橋面交通疏解，保持車輛通行方案。一個車道產(chǎn)生的制動力為0.1×［（16+20+16）×10.5+240］=78.6 kN＜165 kN，取165 kN。隧道下穿部分為廣清高速收費廣場，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，嵌巖樁蓋梁上方共布置3 個車道，因此橋梁制動力T=165×2.34=386.1 kN；2-14 及2-15 摩擦樁取單向2 個車道計算，T=165×2=330 kN。

嵌巖樁計算結(jié)果如圖4 所示，橋梁不進行交通疏解情況下，基坑開挖至8.2 m 后，墩柱樁基承載能力極限狀態(tài)下內(nèi)力滿足文獻［10］要求，在正常使用狀態(tài)下裂縫寬度滿足文獻［10］要求。

圖4 嵌巖樁樁基截面驗算結(jié)果Fig.4 The Cross Section Verification of Pile Foundation for Rock Socketed

限于論文篇幅，針對考慮橋面交通疏解，限制車輛通行方案的驗算過程不再細述，通過對嵌巖樁和摩擦樁在兩種不同工況條件下樁基受水平荷載影響受力分析進行對比，其內(nèi)力值對比如表2所示。

表2 橋梁樁基水平荷載計算結(jié)果Tab.2 Calculation Results of Horizontal Load on Bridge Pile Foundations

橋面交通疏解措施不影響樁基軸力，主要影響樁基彎矩和剪力，考慮橋面交通疏解的工況較不考慮橋面交通疏解的工況，嵌巖樁的彎矩減小了1 068.95 kN·m，剪力減小了202.22 kN；2-14 摩擦樁的彎矩減少了1 119.67 kN·m，剪力減小了217.69 kN；2-15摩擦樁的彎矩減少了1 600.26 kN·m，剪力減小了354.26 kN。雖然在兩種工況條件下橋梁樁基受力都滿足設(shè)計和文獻［10］要求，但考慮橋面的交通疏解能明顯減小樁基的彎矩和剪力，能有效減小施工和設(shè)計風險。

3 基坑開挖對橋臺變形數(shù)值分析

為模擬基坑開挖過程中對擋土墻及橋臺的影響，利用Midas GTS NX 有限元軟件按照施工步驟過程進行有限元模擬計算，采用土體彈塑性mohr-coulomb 本構(gòu)模型，對土體進行激活和空化來模擬土體的開挖和填筑，采用增量法來計算基坑的分步開挖。

基坑開挖后橋臺變形云圖如圖5 所示，不考慮上部交通疏解，保持列車通行，橋臺最大水平位移為6.65 mm?？紤]上部交通疏解，對應橋梁上部沒有車輛通行基坑開挖，橋臺最大水平位移為3.33 mm?？紤]橋面交通疏解的工況較不考慮橋面交通疏解的工況，橋臺變形值減小了3.32 mm，大大增加了基坑開挖后橋臺的安全系數(shù)。

4 風險控制措施及保護方案

4.1 水平荷載影響的控制措施

由于基坑開挖對樁基的不利荷載來自于制動力的水平荷載，故本著上部力上部解決的思路，在蓋梁頂臨時架設(shè)沿線路方向的三跨（16 m+20 m+16 m）縱向鋼管支撐，每根柱式墩墩頂架設(shè)一根?609 mm，t=16@3 m 的鋼管支撐，邊跨支撐在橋臺，利用橋后土壓力抵抗水平力，使蓋梁處的車輛制動力荷載傳遞至橋臺處，從而增加1、2 號橋梁樁基的穩(wěn)定性。方案示意如圖6所示。

圖6 水平支撐加固圖Fig.6 The Horizontal Support Reinforcement （mm）

4.2 樁基承載力影響的控制和保護措施

4.2.1 不考慮交通疏解方案

考慮到上部的行車荷載的影響，施工風險性較大，在對橋梁下部進行保護的同時，要進行相應的交通管制等措施，采取限速40 km/h，增設(shè)交通警示等措施。

對橋墩蓋梁頂部臨時架設(shè)鋼管支撐，在對柱頂蓋梁處加固的同時進行樁間加密，同時對隧道結(jié)構(gòu)底部范圍內(nèi)的橋梁樁基進行加固，增強土體抗力和摩擦系數(shù)，減小水平力和彌補損失的摩阻力。對于嵌巖樁，加固范圍為橋梁樁基外側(cè)3 m，深度為隧道底板以下5 m；對于摩擦樁（2 根），加固范圍要求為橋梁樁基外側(cè)5 m，深度為隧道底板以下8 m，采用MJS注漿加固。

4.2.2 考慮交通疏解方案

針對埋深最大處的東側(cè)兩幅橋梁進行分節(jié)段交通疏解，采用分幅施工的方案，施工平面如圖7 所示。先施工第一階段的基坑開挖及主體結(jié)構(gòu)的施做，對應的第一幅橋梁上部采用限制通行等措施，封閉兩車道；待第一階段施工完成后，恢復車道進行通行，進行第二階段的施工，對應的上部車輛采用限制通行的交通管制措施，封閉3 個收費口；待第二階段施工完成后，恢復對應的上部交通車輛，對第三階段的施工范圍對應東側(cè)的第二幅橋進行限制通行的措施，封閉兩車道，再第三階段的施工。對于第二階段的施工，考慮開挖的工作面大，需對該范圍的橋梁樁基進行進一步的加固，加固范圍為橋梁樁基外側(cè)3 m，深度為隧道底板以下5 m，采用袖閥管進行注漿加固。

方案一和方案二兩種方案的對比如表3 所示，并結(jié)合措施引起的風險節(jié)點殘余風險，考慮交通疏解隧道影響大一點，但是可以有效降低風險，保證在施工過程中橋梁及基坑的安全，選擇方案二。

建設(shè)過程中橋梁樁基實景如圖8所示，目前隧道已經(jīng)建設(shè)完成，橋梁運營正常，采取的措施合理有效。

圖8 隧道建設(shè)過程Fig.8 The Construction Process of Tunnel

5 結(jié)語

本文針對隧道下穿高速公路橋梁施工引起的影響，進行了數(shù)值分析與精細化設(shè)計比選，得到如下結(jié)論：

⑴基坑開挖會引起摩擦樁承載力降低，沉降增加，應采取土體加固及貝雷梁加固等措施。

⑵考慮橋面的交通疏解能明顯減小樁基的彎矩和剪力，橋臺變形值減小了3.32 mm，增加了基坑開挖后橋梁的安全。

⑶采取交通疏解、環(huán)框梁加固、臨時貝雷梁支撐等措施，可以有效降低關(guān)鍵風險節(jié)點的殘余風險，保證在施工過程中橋梁及基坑的安全。