海上堰筑隧道施工對(duì)臨近橋梁影響研究

饒立恒，崔佳杰，周世軒，莫山峰，杜 賀

(1.深圳市交通公用設(shè)施建設(shè)中心建設(shè)管理部,廣東 深圳 518000; 2.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院,廣東 深圳 518000; 3.大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 大連 116024; 4.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部,遼寧 大連 116024)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化水平提高,我國(guó)的土木工程又有了新一輪的發(fā)展,伴隨著人口的不斷增長(zhǎng),我們可利用的地面空間越來越少,無(wú)法滿足人們對(duì)建筑及交通設(shè)施的需求,各類基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐漸向地域延伸,地上建筑物更高大,地下結(jié)構(gòu)更深遠(yuǎn),從而達(dá)到節(jié)省空間的目的。地下道路與地上道路交叉并行,基坑與高層建筑和橋梁的樁基礎(chǔ)相鄰的現(xiàn)象隨之出現(xiàn)。例如北京財(cái)源國(guó)際中心,基坑北側(cè)距居民樓僅3.36 m,西側(cè)距24層的麗晶苑6.9 m,基坑開挖深度為24.86 m～26.56 m。北京銀泰中心距離北側(cè)地鐵基坑圍護(hù)墻僅1.95 m～2.13 m,開挖最深部位22.95 m。青島市地鐵8號(hào)線市民健身站,車站標(biāo)準(zhǔn)段基坑南鄰高新一號(hào)橋,橋臺(tái)距離基坑約5.73 m[1]。樁基礎(chǔ)受到基坑開挖時(shí)土體位移不同程度的擾動(dòng)產(chǎn)生縱向不均勻沉降,對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)安全造成威脅,引發(fā)路面結(jié)構(gòu)下沉、地下管線破壞等不利現(xiàn)象,基坑工程為鄰近建筑物帶來的破壞及損失受到人們廣泛關(guān)注。

國(guó)外學(xué)者在20世紀(jì)中葉已對(duì)深基坑變形問題進(jìn)行了大量的研究,并取得了一定成果,當(dāng)土地利用率逐漸增大,越來越多的下穿工程出現(xiàn)和建筑密度增大的情況普遍存在,基坑變形對(duì)鄰近既有橋樁的影響研究也隨之逐漸增多。C.J.Lee與S.W.Jacobsz[2]通過數(shù)值模擬研究了在風(fēng)化殘積土中施工隧道對(duì)既有樁基的影響,考慮了樁與隧道的位置對(duì)樁基性狀的影響。H.G.Poulos等[3]人采用兩階段分析法研究了黏性土中各參數(shù)對(duì)樁身響應(yīng)的影響及開挖引起樁側(cè)移過程的支護(hù)開挖方法。J.L.Pan等[4]研究單樁在側(cè)向土運(yùn)動(dòng)下的性能,確定沿樁身作用的極限土壓力及內(nèi)力位移變化特征,證明了樁基在樁土相互作用的影響下,樁基的響應(yīng)與樁本身結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)有很大關(guān)系。陳福全等[5]運(yùn)用有限元軟件模擬了在不同開挖深度、不同樁基和支護(hù)樁剛度、樁基與開挖面距離、樁長(zhǎng)等因素對(duì)單、雙排樁水平位移和附加彎矩的影響規(guī)律。畢繼紅等[6]對(duì)某群樁高速鐵路附近基坑建立了三維和二維有限元模型,比較了各自的優(yōu)、劣勢(shì),表明基坑開挖豎向位移與規(guī)范要求相差甚遠(yuǎn),可用二維模型簡(jiǎn)化計(jì)算,簡(jiǎn)化了某些問題的分析過程。楊敏等[7]研究剛性樁在土體卸載后回彈產(chǎn)生側(cè)摩阻力的分布,分析了樁的位移、樁徑、樁長(zhǎng)、開挖深度等因素間的相互影響關(guān)系,對(duì)勻質(zhì)土中開挖引起的立柱回彈位移提出一種新的估算方法。

在以往的研究中,專門針對(duì)海上鋼板樁圍堰法隧道施工對(duì)連續(xù)小箱梁安全性影響方面缺少相應(yīng)的研究,因此本文結(jié)合工程實(shí)際開展海上鋼板樁圍堰明挖隧道施工對(duì)臨近連續(xù)小箱梁橋影響的研究,給出此類工程的研究思路以供參考。

1 項(xiàng)目背景

本文以某地區(qū)沿江高速為工程背景,規(guī)劃中的海濱大道毗鄰現(xiàn)狀沿江高速,海濱大道全線分為海域隧道段、路域隧道段、地面道路以及遠(yuǎn)期高架橋。

根據(jù)海域段隧道的平面與縱斷面設(shè)計(jì)方案,第一典型斷面T-1位于K2+100里程處,該斷面臨近沿江高速第Ⅳ標(biāo)段第14聯(lián)橋64號(hào)橋墩。該斷面地處海岸線,需考慮滲流。該處為海域段隧道距離沿江高速距離最近的位置,隧道邊緣距離沿江高速內(nèi)側(cè)橋樁約為32 m,開挖深度15 m,該位置開挖段存在淤泥等軟弱地層,且淤泥層厚達(dá)5 m,地質(zhì)條件不佳。

綜合比較土石圍堰明挖法和雙排鋼板樁圍堰明挖法在對(duì)沿江高速的影響、清淤與土石方堆填量、圍堰堆載清淤影響、施工難度與風(fēng)險(xiǎn)、工程造價(jià)等方面的優(yōu)劣,雙排鋼板樁具備較明顯的優(yōu)勢(shì),因此本項(xiàng)目基坑開挖采用雙排鋼板樁圍堰明挖法施工。

本文將以該工程典型斷面T-1為例,如圖1所示,對(duì)該斷面對(duì)應(yīng)的隧道基坑開挖過程展開分析研究,并對(duì)既有的廣深沿江高速第Ⅳ標(biāo)段第14聯(lián)橋(5×30 m簡(jiǎn)支變連續(xù)預(yù)制小箱梁)變位安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

廣深沿江高速第Ⅳ標(biāo)段第14聯(lián)橋?yàn)? m×30 m簡(jiǎn)支變連續(xù)預(yù)制小箱梁,橋?qū)?9.85 m,下部結(jié)構(gòu)是由蓋梁、橋墩、承臺(tái)、樁基組成的框架體系,橋墩采用變截面形式,墩頂截面橫橋向?qū)?.3 m,順橋向?qū)?.5 m,自墩頂向下4 m范圍內(nèi),通過半徑10.4 m的圓曲線均勻過渡為橫橋向?qū)?.5 m,順橋向?qū)?.5 m的矩形截面。橫斷面布置圖如圖2所示。

2 原橋安全驗(yàn)算

根據(jù)已知設(shè)計(jì)資料,采用Midas civil有限元軟件,利用梁格法建立沿江高速第14聯(lián)橋梁上、下部結(jié)構(gòu)三維整體模型,承臺(tái)用有厚度的板單元,其余結(jié)構(gòu)均用梁?jiǎn)卧M,5×30 m小箱梁連續(xù)梁橋有限元模型如圖3所示,有限元模型共2 689個(gè)單元,2 558個(gè)節(jié)點(diǎn)。對(duì)沿江高速第Ⅳ標(biāo)段第14聯(lián)的原橋受力性能分析結(jié)果,如圖3所示。

由表1可知,經(jīng)驗(yàn)算橋梁上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力及承載能力均滿足規(guī)范對(duì)A類預(yù)應(yīng)力混凝土的規(guī)定限值,但主拉應(yīng)力即將達(dá)到規(guī)范限值,確定主梁受力控制指標(biāo)為主拉應(yīng)力。

表1 原橋受力性能評(píng)價(jià)表

3 海上鋼板樁圍堰明挖隧道施工對(duì)臨近連續(xù)小箱梁橋的影響

3.1 地層信息

在鄰近沿江高速第Ⅳ標(biāo)段第14聯(lián)K2+100里程處,地處海岸線需考慮海水滲流過程的影響。該處基坑邊緣與沿江高速第14聯(lián)的6排橋樁間距離逐漸變化,最近處約為32 m,最遠(yuǎn)處約為83 m,基坑開挖深度15 m,該位置開挖段存在淤泥等軟弱地層,且淤泥層厚達(dá)5 m。本工程沿線分布著第四系覆蓋層,土層分布主要有以下幾種:淤泥層,黏土層,礫砂層,砂質(zhì)黏性土層,全風(fēng)化混合花崗巖層以及中風(fēng)化混合花崗巖層,土層參數(shù)如表2所示。

表2 土層參數(shù)信息表

3.2 隧道施工方法及支護(hù)形式

海域段隧道采用雙排鋼板樁圍堰明挖法進(jìn)行施工。采取分段分倉(cāng)圍堰開挖施工方式,總計(jì)分為5倉(cāng)進(jìn)行施工,圍堰填筑采取兩岸雙端頭相向填筑施工。施工過程為首先施工鋼板樁圍堰形成封閉結(jié)構(gòu),圍堰內(nèi)抽水形成干作業(yè)面,施工地連墻后再分區(qū)段進(jìn)行基坑開挖支護(hù)澆筑隧道結(jié)構(gòu)。

雙排鋼板樁之間采用吹填砂進(jìn)行填筑。堰頂高程3.82 m,中間填砂頂高程3.62 m,外側(cè)鋼板樁高程4.32 m,內(nèi)側(cè)鋼板樁高程3.82 m。圍堰外海側(cè)鋼板樁樁長(zhǎng)18.0 m,內(nèi)側(cè)鋼板樁樁長(zhǎng)按照穿透砂層2 m設(shè)計(jì),兩排鋼樁間距8 m,1.4 m高程處設(shè)置拉桿連接兩排鋼板樁,雙排鋼板樁間采用吹填砂工藝填筑至3.82 m高程。為防止越浪對(duì)內(nèi)側(cè)填土產(chǎn)生破壞,在堰頂設(shè)置20 cm厚碎石層。基坑所在地層賦存薄厚不均的淤泥層、砂層,且長(zhǎng)區(qū)段臨近沿江高速樁基礎(chǔ),基坑安全等級(jí)需求高,因此采用整體剛度較大,止水效果好的地下連續(xù)墻。地下連續(xù)墻厚度為1.0 m?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐型式,基坑斷面中間設(shè)置立柱。第一道混凝土支撐位于標(biāo)高-6.9 m處,第二道混凝土支撐位于標(biāo)高-11.9 m處,支撐尺寸均為1.0 m×1.0 m(高×寬),間距為9.0 m。

3.3 有限元模擬

采用Midas/GTS NX建立三維數(shù)值模型,假設(shè)所有材料均為各向同性,土體材料服從Mohr-Coulonb破壞準(zhǔn)則,混凝土和鋼支撐等均為線彈性材料,不考慮開挖中時(shí)間空間效應(yīng)。根據(jù)圣維南原理選取模型尺寸長(zhǎng)260 m,寬190 m,深80 m,基坑寬90 m,開挖深度15 m,鄰近沿江高速的橋梁樁基距基坑長(zhǎng)度各不相同,樁基長(zhǎng)度23 m～36 m不等,樁基直徑1.6 m,承臺(tái)長(zhǎng)9.2 m,寬6.3 m,高2.5 m。土體和承臺(tái)用3D實(shí)體單元模擬,橋梁樁基均為嵌巖樁,相對(duì)于土的位移非常小,滑移效果不明顯,采用梁?jiǎn)卧M,混凝土支撐、鋼支撐、立柱用梁?jiǎn)卧M,地連墻采用板單元更能接近實(shí)際情況。立柱采用雙拼I45,鋼圍檁φ609 mm壁厚16 mm鋼管,鋼板樁是采用拉森式SP-Ⅳ型鋼板樁,相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 拉森式SP-IV型鋼板樁材料指標(biāo)

模型通過激活和鈍化網(wǎng)格模擬土體開挖過程,結(jié)合實(shí)際開挖過程,如表4所示,模型共分12個(gè)工況進(jìn)行分析。

表4 模型施工工況

有限元整體模型及支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖4,圖5所示,橋梁承臺(tái)埋于地下,圖示結(jié)構(gòu)隱去第一層土顯示。

3.4 基坑開挖引起橋樁變位分析結(jié)果

支護(hù)結(jié)構(gòu)位移見圖6,由圖6可知,隨著開挖深度增加,土體變形也逐漸增大,對(duì)臨近的橋樁及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響增大,圍護(hù)結(jié)構(gòu)受基坑外側(cè)土壓力影響產(chǎn)生水平變形,向基坑內(nèi)部移動(dòng),且靠近橋樁一側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移較大,最大位移位于地連墻頂部側(cè)移值7.12 mm,與基坑變形理論相符。

如圖6—圖8所示,樁基隨土體的松動(dòng)發(fā)生水平及豎向位移,在三次開挖降水工況過程中,樁基沉降值隨之增大。整聯(lián)橋范圍內(nèi)承臺(tái)最大差異沉降值為0.8 mm,滿足設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)承臺(tái)間最大差異沉降不超過5 mm的限值。橋梁樁基整體上與基坑方向斜交,承臺(tái)和樁基距離基坑邊緣的遠(yuǎn)近不同,因此基坑工程對(duì)其影響程度也不同。經(jīng)計(jì)算分析,距離基坑邊緣近的橋樁位移變化特征明顯,圖9,圖10為距離基坑最近的橋樁經(jīng)三次開挖步后的位移變化。

樁基最大沉降值為樁頂處-3.30 mm,最小沉降值位于樁底-1.35 mm,三次開挖后,樁基的沉降值變化幅度較小且趨勢(shì)相同,嵌巖樁樁底全部嵌入了堅(jiān)硬的花崗巖內(nèi),土體彈性模量明顯大于其他土層,對(duì)樁基豎向沉降起到很好的約束作用,樁基嵌入花崗巖深度較大的位置對(duì)樁基沉降的控制效果相對(duì)更加明顯,在樁埋深20 m至樁底的位置,幾乎不再受開挖影響。根據(jù)沉降結(jié)果計(jì)算得到,橋下樁基由于不均勻沉降造成最大傾斜度為0.000 039 9,可以預(yù)測(cè)樁基不均勻沉降較大時(shí)將引起橋墩傾斜,對(duì)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

3.5 地基變位后小箱梁安全評(píng)價(jià)

考慮基坑開挖降水過程對(duì)臨近橋樁的影響,將其過程產(chǎn)生的不均勻沉降與側(cè)移,通過施加強(qiáng)制位移方式,加于橋梁樁基每一個(gè)對(duì)應(yīng)位置,對(duì)地基變位后的橋梁情況進(jìn)行安全評(píng)價(jià),以針對(duì)提出橋梁加固方式或應(yīng)急預(yù)案。在橋梁模型中,樁周土的約束情況采用我國(guó)JTG D63—2007公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范中“m法”計(jì)算[8-9]。地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m,在不滿足實(shí)驗(yàn)條件下可參照規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值確定,地基系數(shù)C=mz,與土體深度成正比,再由其計(jì)算得到土彈簧水平剛度,以此種方式確定土彈簧剛度方法簡(jiǎn)單,結(jié)果偏安全,在國(guó)內(nèi)外工程界均得到廣泛應(yīng)用,將計(jì)算得到的土彈簧剛度通過節(jié)點(diǎn)彈性支撐,施加在對(duì)應(yīng)深度的橋樁上。

開挖過程導(dǎo)致樁基產(chǎn)生變位后,按其變位影響對(duì)主梁模型安全驗(yàn)算結(jié)果如表5所示。

表5 橋梁評(píng)價(jià)指標(biāo)驗(yàn)算表

受開挖影響后的樁基承載力按照以下公式驗(yàn)算:

(1)

選取最“危險(xiǎn)”的橋樁進(jìn)行驗(yàn)算,結(jié)果如圖11所示。

參數(shù)計(jì)算D=1.80m,樁直徑Ap=2.54m2,樁底橫截面面積U=5.65m,樁周長(zhǎng)L=24.00m,樁長(zhǎng)樁端端阻力部分計(jì)算c1=0.50端阻發(fā)揮系數(shù)frk=28 500kPa,樁端巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值折減系數(shù)0.75中風(fēng)化層作為持力層,c1,c2折減系數(shù)樁端端阻力合計(jì)=27 196.44kN入巖部分的側(cè)阻力計(jì)算入巖巖層參數(shù)巖層數(shù)巖層厚度hi/m各巖層樁端巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frki/kPa側(cè)阻發(fā)揮系數(shù)C2i巖層一2.0028 5000.04入巖部分樁側(cè)阻力合計(jì)=9 669.84 kN土層部分的側(cè)阻力計(jì)算地基土參數(shù)土層數(shù)土層厚度Li/m樁側(cè)第i層側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qik/kPa土層一8.0510.00土層二4.3040.00土層三1.5060.00土層四2.6055.00土層五3.4070.00土層六2.15150.00ξs=0.50土的側(cè)阻力發(fā)揮系數(shù)樁側(cè)摩阻力合計(jì)=356.96kN合計(jì)[Ra]=37 223.25kN,承載力容許值單樁樁底豎向力計(jì)算值6 512.25kN結(jié)果合格

由表5可知,原橋驗(yàn)算考慮5 mm地基不均勻沉降,受開挖影響后模型考慮自重、車輛效應(yīng)的同時(shí)考慮溫度、基礎(chǔ)變位,裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)抗力的折減影響,得到主梁截面的安全儲(chǔ)備系數(shù)值,經(jīng)驗(yàn)算安全儲(chǔ)備系數(shù)最小值為1.27,表明在基坑開挖完成后,主梁結(jié)構(gòu)仍具有足夠的安全儲(chǔ)備。但正常使用極限狀態(tài)下主拉應(yīng)力值將達(dá)到A類部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)限值,主梁斜截面抗裂性能較差,需加強(qiáng)對(duì)裂縫寬度擴(kuò)展情況的關(guān)注。表6的驗(yàn)算結(jié)果表明,橋梁樁基承載力容許值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樁底豎向力計(jì)算值,安全儲(chǔ)備較大。

4 控制基坑臨近橋樁變形的加固應(yīng)急預(yù)案

既有沿江高速橋梁已投入使用多年,自身已產(chǎn)生一定沉降,開挖模擬結(jié)果存在不確定性,現(xiàn)實(shí)中水的滲流情況與模擬過程會(huì)存在差異,因此仍需加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)位移監(jiān)測(cè),以實(shí)際變位影響為基礎(chǔ),對(duì)突發(fā)及危險(xiǎn)情況及時(shí)采取加固措施修復(fù)。施工過程中,當(dāng)基坑及橋樁的監(jiān)測(cè)位移沉降值達(dá)到預(yù)警值,且經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)評(píng)定位移變形處于不利狀態(tài),應(yīng)及時(shí)采取應(yīng)急預(yù)案,調(diào)整施工方式或?qū)ζ洳扇『侠砑庸檀胧?。結(jié)合本工程實(shí)際,提出加固應(yīng)急預(yù)案如下:

1)當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大不足以充分發(fā)揮作用時(shí):

a.可在原基礎(chǔ)上增設(shè)斜撐提高穩(wěn)定性,防止基坑變形坍塌。b.在圍護(hù)擋墻內(nèi)側(cè),設(shè)置膜袋砂,加強(qiáng)擋墻支護(hù)作用。

2)若基坑變形過大,產(chǎn)生向基坑內(nèi)滑動(dòng)趨勢(shì),應(yīng)及時(shí)用砂回填坑腳,防止基坑滑動(dòng)坍塌,待趨勢(shì)穩(wěn)定后再對(duì)基坑妥善處理。

3)隨著基坑內(nèi)開挖降水,基坑內(nèi)外形成水頭差,基坑外的水不斷向基坑內(nèi)滲流,當(dāng)坑底發(fā)生涌水,將提前備好的填滿砂袋的鋼絲網(wǎng)兜投入涌水處,防止淹沒基坑無(wú)法控制,待回壓穩(wěn)定后再對(duì)基坑處理。

4)在開挖底層下方土體土質(zhì)較差的工程中,可通過對(duì)底層土體灌注混凝土漿液形成底板,既可限制坑底土體隆起,又可有效防止坑下水滲流造成的涌水現(xiàn)象。

5)加強(qiáng)監(jiān)測(cè),當(dāng)發(fā)現(xiàn)基坑出現(xiàn)超過預(yù)警值的變形后,依開挖斷面具體情況,啟動(dòng)被動(dòng)支撐、主動(dòng)支撐預(yù)案,堅(jiān)決杜絕臨近橋墩發(fā)生超規(guī)范的傾斜和開裂。

6)實(shí)時(shí)關(guān)注小箱梁的主拉應(yīng)力,一旦發(fā)現(xiàn)有超限趨勢(shì),啟動(dòng)上部結(jié)構(gòu)加固預(yù)案,及時(shí)增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力,保證小箱梁的受力及耐久性。

5 結(jié)論及建議

本文提出了類似工程項(xiàng)目的前期分析模式,即首先對(duì)原橋進(jìn)行分析,掌握原橋上部及下部結(jié)構(gòu)的安全狀況及安全儲(chǔ)備情況,其次,采用合適的方法模擬基坑開挖過程,分析基坑開挖對(duì)土體及樁基引起的變位,在此基礎(chǔ)上分析原橋疊加基坑開挖變位的安全儲(chǔ)備情況,最后結(jié)合實(shí)際工程情況給出預(yù)警及加固建議。

在本項(xiàng)目中,采用了合理布設(shè)圍護(hù)結(jié)構(gòu),基坑開挖過程雖然使臨近橋梁的樁基產(chǎn)生附加力和位移,但影響可控且不會(huì)造成橋梁上部結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重?fù)p壞或安全威脅;樁基發(fā)生傾斜和沉降,承載能力結(jié)果仍滿足要求。通過分析小箱梁的斜截面抗裂性能較差,基坑開挖后將達(dá)到A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件限值,因需加強(qiáng)關(guān)注,必要時(shí)采取有效加固措施修復(fù)。結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際情況,本文提出了地基及橋梁的加固應(yīng)急預(yù)案,以期為同類工程提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。