鄰近既有橋墩處隧道基坑開挖變形控制方案探討

羅永磊

（上海市政工程設計研究總院集團佛山斯美設計院有限公司，廣東 佛山 528200）

0 引言

隨著城市交通壓力的日益加重，為了改善城市擁堵的交通狀況，下穿隧道或跨線橋成為在交叉口處維持道路快速化的常用方案。當一條現狀快速路主路是高架橋，輔路與改造路垂直平交時，改造的路若選用跨線橋方案勢必導致橋梁引橋長度過長，道路改造長度增加，增加工程造價，且高架橋對道路兩側地塊分割程度較大，顯然不是最優方案。此時往往選擇隧道依次下穿既有快速路輔路及主路方案，該方案雖然克服了高架橋的缺點，但受既有橋跨度、隧道結構寬度等影響，使得基坑距離既有橋墩較近，開挖卸荷過程中難免會對基坑周邊土體產生擾動，進而使橋樁產生附加變形，設計時需評估出影響程度并采取針對性措施，保障橋梁的正常運營安全[1]。通過研究基坑開挖對周邊的變形影響規律，做到在設計方案階段充分論證，做好附加措施，將基坑開挖對橋墩的影響降至最低。

國內外很多學者研究了基坑開挖對周邊既有橋墩或者建（構）筑物的影響規律，高東、汪東林[2]研究了既有高架橋樁距離基坑開挖邊線的平面距離在基坑開挖時對橋墩變形的影響，提出了在10m以內影響較大，20m以上時影響較小。木林隆等[3]基于小應變特性的基坑開挖對鄰近樁基影響分析中提出基坑開挖深度應越小越好，樁基距離圍護結構越遠越好，樁在距離圍護結構0.5倍的開挖深度時最危險，變形最大。馮虎[4]總結了上海地區58個開挖深度19m的基坑工程地下連續墻變形特性的規律，指出圍護結構水平向最大變形出現在0.89倍開挖深度處，且最大位移出現在開挖面以上的比例占到79%，僅在墻趾以下有軟土時基坑最大變形位于開挖面以下。

本文以某新建隧道工程下穿佛山一環快速路工程為例，通過研究基坑開挖對既有橋樁的變形影響規律，提出了減小橋墩及圍護樁變形的處理方案，以期為類似工程提供經驗借鑒。

1 工程概況

某現狀路與佛山一環快速路兩側輔路平交，一環主線采用高架橋結構，橋梁結構為三跨一聯的簡支T梁，分幅式斷面，雙向八車道。現狀交叉口處橋梁底距離現狀路面凈空約6.5m，相鄰橋墩承臺間凈跨35.5m。為適應交通快速化的需要，需在該交叉口處實施快速化改造，經過比選確定采用新建隧道下穿佛山一環兩側輔道及主線，路線走向按現狀線位擬合并結合隧道與橋墩的關系合理優化調整。下穿隧道采用雙向六車道，全長635m，輔道采用雙向四車道，現狀道路為雙向八車道，改造后規模基本匹配。距離右側橋墩邊約85m處現狀為一河涌，因其距離一環輔路較近，隧道尚未接順路面，需將河涌改為箱涵，使隧道下穿箱涵。隧道相對位置如圖1所示。

圖1 新建隧道及周邊環境平面圖（單位：m）

擬建場地地下水主要為潛水，勘察施工期間實測鉆孔地下水穩定水位埋深為1.30～2.70m，地下水位受季節性影響，地下水主要靠地下水循環補給，其次靠大氣降水滲入補給及附近地表水體向下滲入補給。根據鉆孔揭露場地巖土層參數見表1。

表1 地質參數

道路總體平縱確定好后的隧道結構凈寬26.7m，結構壁厚1.1m，結構總寬28.9 m，橋墩處基坑開挖深度13.5m，隧道在橋墩間基本居中布置，結構邊線距離現狀橋墩承臺僅3.3m，是橋墩處基坑開挖深度的0.24倍。可見基坑開挖過程中對橋墩的影響很大，因此合理控制基坑開挖過程中的變形，保證橋墩結構安全是該項目的重中之重。受一環橋下凈空的影響，圍護結構不能選用剛度大、止水效果好的地下連續墻，只能選用鉆孔灌注樁支護輔以高壓旋噴樁止水方案。根據擬建場地的水文地質條件，圍護結構選用 ?1200@1400鉆孔樁，雙排?800@600高壓旋噴樁止水帷幕，四道內支撐，第一道為混凝土支撐，第二至第四道為鋼管支撐。支護斷面如圖2所示。根據場地相對位置關系，建立整體有限元模型進行計算分析，如圖3所示。

圖2 既有橋墩處基坑圍護斷面圖（單位：mm）

圖3 基坑整體有限元分析模型圖

2 基坑開挖周邊變形規律

2.1 圍護樁變形

經計算，圍護樁變形如圖4所示，隨工況變形曲線如圖5所示。最大變形8.93mm，最大位置位于樁頂以下9.2～10.7m，在坑底以上約1/5開挖深度位置。開挖至坑底時，受基坑底土層土拱效應[5-6]及空間效應的影響，較大的變形已經在靠前的開挖步中完成了，挖坑底附近時對應位置圍護樁的變形較前階段小，因此控制圍護樁變形時應注意對于軟弱土層卸荷時圍護樁變形的控制，以及坑底以上3～6m的土層開挖圍護樁變形的控制。

圖4 圍護樁變形云圖

2.2 橋樁豎向變形

根據計算，橋樁最大豎向變形為1.35mm，發生在基坑開挖至坑底標高時。在接下來的拆撐工況時，橋樁的豎向變形變化不大，基坑開挖卸荷引起周邊鄰近土體的擾動，產生地表沉降，從而使鄰近橋樁側摩阻力減小，進而引起橋樁沉降。

圖5 圍護樁隨工況變形曲線圖

2.3 橋樁向基坑方向變形

橋樁在基坑開挖過程中受周邊土體擾動的影響，產生一定的彎曲變形，最大變形位置隨開挖深度的加深逐步往下移動。根據圖6橋樁彎曲變形的規律，橋樁為類懸臂樁變形模式，水平位移最大值出現在樁端。由于承臺與承載單樁樁頂剛接，承臺約束了樁頂的彎曲變形，因此橋樁的水平變形位于樁頂以下某一深度。受基坑開挖深度、地質、樁身剛度、樁長等因素綜合影響，若為群樁基礎，受近基坑樁的遮擋作用，后樁的變形較前樁小。根據計算，橋樁隨基坑開挖工況的變形規律如圖6所示，樁頂最大水平位移4.2mm，樁身最大水平位移6.0mm，出現在基坑深度7.5～10.7m。因該基坑自地面以下2.5～8.5m為淤泥質土，橋樁的最大變形位置與圍護樁基本協調一致，最大位移出現在基坑開挖至底部及拆撐工況。

圖6 既有橋墩樁基向基坑方向變形曲線圖

3 減小基坑對既有橋墩影響方案

3.1 從總體方案入手，盡量減小橋墩處基坑開挖深度

基坑開挖深度越淺，周邊變形越小。距離一環橋墩右側約85m處為一現狀河涌，隧道沿道路縱向相繼穿越一環左幅輔道、左右幅高架橋墩、右幅輔道、箱涵（河涌改造為箱涵布置于隧道結構頂）后出地面。從總體布置方案出發，為減小在現狀橋墩處的基坑開挖深度，需減小隧道位于橋墩處暗埋段的覆土厚度，因此將隧道最低點設置在河涌中線處。為減小隧道總體長度及深度，將箱涵斷面加寬，凈高壓縮，采用四孔斷面滿足水利過水斷面要求。隧道段路線縱坡自左至右先以3.6%的坡度下穿一環輔道進入暗埋段，坡長201m；后以2.0%的坡度到最低點（期間經過橋墩），坡長201m；最后以4.5%的坡度出地面與路基段接順，坡長250m。此時隧道在現狀橋墩處最大開挖深度13.5m，總體最大開挖深度16m，位于改造河涌中線處。

3.2 合理增加基坑圍護結構剛度

該項目中因既有高架橋下凈空僅有6.5m，不滿足地下連續墻的施工空間要求，因此選用鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁的圍護止水方案，圍護樁徑?1200@1400mm。比選了樁徑 0.8m、1.0m、1.2m時的變形情況，結論為基坑變形降幅較為明顯，圍護樁徑每增加0.2m，樁身最大水平位移平均降幅為2.0mm，坑外地表土體最大沉降平均降幅為1.0mm；在樁徑從1.2m增加至1.5m時，圍護樁變形降幅較小，圍護樁最大水平位移降幅為0.8mm，坑外地表土體最大沉降降幅為0.4mm。因此一味增加基坑支護結構剛度來控制圍護結構變形并非最經濟合理方案，甚至造成支護浪費，加大樁徑引起圍護樁及止水帷幕距離既有橋墩更近，圍護樁及止水帷幕施工時對橋墩產生的擾動更大，對橋墩甚至產生更加不利的影響。

3.3 做好止水設計，嚴格控制基坑內外地下水土流失

基坑開挖屬于打破地層既有平衡的過程，基坑開挖不可避免伴隨著坑外水土流失。坑外土流失導致樁周土體變得松散，特別是近基坑側土體流失較遠離基坑側多，土對樁的圍壓作用減小，樁身兩側受力不平衡導致樁身產生水平位移；坑外水位降低導致土層產生壓縮固結，對樁身產生負摩阻力，引起樁身軸力的增加，因此應做好坑內外地下水的止水設計。該工程坑底位于透水性土層中，設計采用注漿處理，改良土體減小其滲透性，防止坑底突涌；因圍護樁距離既有橋樁較近，坑外土層應在施工圍護樁之前進行加固，采用袖閥管注漿，樁周對稱注漿，并嚴格控制注漿配合比和注漿壓力，避免對地面及地層擾動過大。

3.4 合理設計基坑開挖方案

根據時空效應的原理，合理開挖空間尺寸，做到分塊分層開挖，隨挖隨撐，并做好坑底排水，減小基坑暴露時間。該工程基坑開挖至第四道支撐底并施加支撐后，剩余的約3.0m開挖深度范圍內按分塊開挖考慮，按圖7中W1～W4的四塊開挖考慮，基坑縱向上按圖8先施工左側橋墩處基坑Q1，再施工右側橋墩處Q2，后施工Q3、Q4。在施工過程中加強對橋墩處圍護樁變形、周邊地表沉降、橋墩承臺沉降及水平位移的監測，實時反饋監測結果，并做好應急預案。

圖7 既有橋墩處基坑分塊開挖斷面圖（單位：mm）

4 結語

基坑施工安全及施工時保證鄰近既有橋墩安全是一項系統工程，設計和施工均至關重要。設計應更具有前瞻性，能夠預見基坑施工過程中對既有橋樁變形影響的關鍵點，并采取行之有效的措施，將對周邊環境的影響降至最低。施工應按設計要求施工，并做好應急預案。本文通過研究基坑開挖過程中圍護結構、鄰近橋墩的變形規律，進而針對性地提出減小既有橋樁變形的方案，希望對離既有橋樁較近范圍內的基坑設計及施工帶來一些啟發。

圖8 既有橋墩處基坑分塊開挖平面圖（單位：m）