竹洲大橋臨近建筑物段樁基施工影響分析及變更控制

鄧敬源

摘要：文章以竹洲大橋為例，分析了該橋基樁異常沉降情況與原因，并通過現場試驗，分析施工擾動造成異常沉降的機制以及施工擾動的影響，并提出了施工變更調整措施。

關鍵詞：樁基施工;變更控制;既有樁基

0 引言

百色竹洲大橋位于竹洲大道上，跨越右江，連接龍景新區和城東區，由百色市開發投資有限責任公司投資建設。竹洲大橋于2009年12月開工建設，2011-09-25合龍，2012-01-15通車，工期為24個月，是百色一環的重要組成部分。該橋設計為梁-拱組合剛構橋，全橋長526 m，其中主橋長276 m、寬42 m，引橋長250 m、寬40 m，道路設計行車時速60 km/h，雙向六車道。竹洲大橋起到了打通竹洲大道，連通龍景新區和城東區的作用，使百色鵝城區的道路和橋梁交通壓力得到有效緩解。

1 施工期間異常狀況及原因分析

2015年，橋下建筑物施工時，施工單位發現橋梁跨越水系北岸附近路段橋面發生變形，當時橋下正進行基樁施工，橋下道路與橋中心線距離約20 m ，與橋墩樁帽最近邊距約為5 m。依據監測數據顯示，有5個橋墩呈明顯的V型沉降 （P625～P629），影響范圍有 7 跨，長度約200 m，其中P627橋墩沉降量最大為60 mm，橋下道路橋墩與臨近橋墩相關位置見下頁圖1。上述異常沉降期間，橋下工程正在進行全套管基樁工程施工，其中P1E-1樁澆筑混凝土拔除套管時發現鋼筋籠上浮，經處理直至第二日后，仍未見成效于是放棄施作。推測造成沉降的可能原因包括：（1）額外的活荷重或靜荷重;（2）承載力不足;（3）抽取地下水造成地層下陷;（4）施工擾動地層造成沉降。

本次異常沉降事件的特性是局部、短期，事件發生時并無臺風、暴雨、地震等天然災害可能增加額外荷重。依據附近試樁的成果推測，橋墩欲達5 cm的沉降，最少需要有8 000 t 以上的荷重，而橋墩受力約1 750 t，僅達最低必要荷重的25%。故事件發生時的荷重并不足以造成異常沉降，排除第（1）項可能原因。

倘若P627橋墩基樁的樁底承載力為零，根據設計計算書，四支基樁的極限摩擦承載力為11 144 t，由于發現沉降的時間點其靜荷重為1 750 t，僅為極限摩擦承載力的16%，應不致橋墩5 cm的沉降。再保守估計，倘若摩擦阻力僅為設計值的50%，則基樁的承載力仍遠大于荷重，因此第（2）項承載力不足的可能性可以排除。另經分析相關設計施工與監測數據后，亦可排除第（3）項可能原因。

基于橋面變形與橋墩沉降發生時間點契合的事實，基樁P1E-1在施工過程中遭遇困難，同時橋墩的沉降量與基樁P1E-1的距離越遠，其量越小，兩項數據顯示第（4）項橋下道路基樁P1E-1的施工擾動最有可能是造成P625～P629橋墩沉降的原因。再由施工記錄得知，P627附近的橋下道路工程在施作A1W、P1E、P1W及P2E橋墩的基樁均產生混凝土超量使用現象，分析可能在鉆掘施工過程中，在地下35～50 m間的地層曾產生土方流失的砂涌現象，其累積效應使其上覆土層產生沉降，致摩擦力轉變為負摩擦力。再考慮P1E-1因施工遭遇困難使施工工期達18 d，且鉆掘了兩次，第二次曾使用沖擊錘，可能因沖擊式施工對原已產生砂涌崩坍的砂質土層加大擾動，地層產生的壓縮量加劇從而導致負摩擦力進一步發揮。當上述負摩擦力及原有荷重總和大于壓縮土層下方的正摩擦力及樁底承載力，產生基樁承載力破壞而造成約5 cm的沉降應屬合理，故分析P627附近的橋下工程各橋墩的基樁施工異常所造成的擾動，是P627橋墩產生沉降最可能的原因。

2 現場試驗分析

為量化基樁施工對土層擾動的影響，并作為評估后續工程基樁施工對既有基樁影響的依據，在原位進行了相關的試驗，評估反循環與全套管基樁施工法對于地層的擾動性，包括基樁施工前后地層的性質變化（CPT）、基樁鉆掘導致的孔隙水壓變化、地層側向位移及垂直沉降等[1]。

試驗場地主要的地層為砂、粉土及黏土及其互層，淺層地下水位約在地表下 1.5 m，深度越深則有水壓泄降的現象。試驗目的為調查不同基樁施工方法對土層擾動的機制、程度與范圍。本次試驗計劃共施工5支基樁，其中編號AP1、AP2 為反循環樁，其余為全套管樁，所有基樁直徑均為1.2 m，長度為40 m。試驗主要量測對象為AP1（反循環工法）及TP（全套管工法）。

通過試驗評判，總結試驗成果，可以得到以下四條結論：

（1）基樁施工對砂土地層的擾動大于黏土層及具有塑性的粉土層，而深度較深及中度密實的砂土層可能受擾動更嚴重。

（2）反循環及全套管工法施工時均對砂土層產生孔隙水壓的作用，反循環工法使孔隙水壓略為升高，而全套管工法則致使孔隙水壓產生較大幅的上下振蕩，但孔隙水壓變化的影響范圍估計均約為 13～14 m。

（3）全套管工法對地層強度的擾動大于反循環工法，全套管樁擾動范圍估計為6 m，而反循環工法則<1.4 m。

（4）全套管工法施工時還可能造成砂土涌入套管而致使砂土流失、地層產生沉降及側向位移，此現象為對地層的不可恢復改變，其影響范圍可能因樁數的增加而累積加大[2]。

3 工序施工變更調整

后續施工中，與設計單位進行了詳細的交底與協調，根據施工補勘資料，地表下65 m內主要為粉土質砂及黏土互層，淺層地下水位約在地表下1.5 m。場地內新增平行于既有橋兩側的基礎，采用樁徑為1.5 m、深度為63 m的基樁，與14處既有橋墩柱相鄰（長度約為420 m）。為確保新基樁施工時不會對現有基礎造成擾動，參考上文所述試驗的研究成果，基樁采用反循環樁且與既有高架橋墩柱基樁保持4.5 m以上的凈間距。基樁施工初期選擇特定位置進行兩階段測試，確定新樁施工不會擾動既有基礎后，方進行全面施工[3]。第一階段測試施作位于兩橋墩間距離 較遠的工作樁 （P1樁最近距離約為15.8 m），并埋設儀器監測周圍地層、水壓及橋墩沉降、傾斜變化;第二階段測試則施作最靠近既有基樁的工作樁（P2、P3，最近距離約為4.5 m），同時監測施工過程中，橋墩柱的沉降及傾斜變化。

3.1 第一階段測試成果

在鉆掘過程中，當鉆頭達各深度砂土層時，該深度壓力水頭有升高的現象，鉆掘深度持續增加后水壓便回降至接近施工前狀況。依照前文所述的評估方法，地層沉降計（深度15 m、35 m、45 m及55 m）監測到的最大沉降量約為1 mm，而地表的最大沉降量約為1.5 mm，均無顯著沉降產生，沉降量與擾動試驗樁距離亦無顯著關系。距離P1樁2 m、4 m的土中測斜管數據顯示，最大側向變形<1.5 mm，在監測誤差范圍內，其線形并無特定的位移方向。分析可知，此位移并非地層擾動所致。比對施工前的鉆孔及施工完成后鉆孔 （距離P1均為4 m），地層并無顯著差異，且施工前、后標準貫入試驗 N 值大致重合，顯示基樁施工對4 m外地層的 SPT-N 值無明顯擾動。

3.2 第二階段測試成果

第二階段測試樁為P2及P3，監測施工過程中緊鄰的橋墩柱的沉降及傾斜變化。電子式傾斜計量得的數值在測試樁施工過程中隨溫度起伏變化，最大傾斜變化量僅約10 sec，尚在量測誤差范圍，并無顯著傾斜量產生，最接近擾動試驗樁的3處橋墩柱的最大累積沉降量低于1 mm。可以確定在監測誤差范圍內，并無顯著沉降產生。

綜合上述監測資料可知，反循環基樁在沖積土層中鉆掘施工時，對水壓水頭最遠影響距離推測約達17～18 m。地層中安裝的儀器 （最近為2 m） 均未測得顯著位移，既有橋墩柱均無顯著傾斜及沉降量發生，因而確定新基樁施工不會對舊橋墩基礎產生影響[4]。

4 結語

在以往的工程經驗中，由于全套管工法以套管保護孔壁，故其施工時較不易坍孔，因此認為其施工對周圍地基擾動應小于反循環基樁。然而通過現場試驗的實測資料分析，可推測全套管基樁施工對地層的可能擾動模式為抓斗沖撞地層及來回上下取土動作，導致地層孔隙水壓振蕩變化。且施工過程中若未能及時在套管內補水，則砂土會由套管底部向鉆孔內流失，嚴重者會導致砂涌，因而導致周圍土體松動。而反循環工法的擾動源為采用定速旋轉動作的鉆頭，故對地層的擾動為點狀，其擾動多為穩定且連續性的，其擾動區僅位于鉆頭深度附近，故在正常施工 （無異常及坍孔）狀況下，反循環樁對周圍土層的擾動反而小于全套管基樁。

基樁施工對地層的擾動及臨近構造物的影響，與施工方法、機具、施工流程及地層性質、水位/水壓特性等因素均有關系，本文所述的監測數值僅能供初步參考，各新建工程應謹慎規劃施工步驟，并進行現場實際測試驗證。建議可參考本文的測試程序及監測儀器使用。在施工初期根據新施工基樁與既有基樁距離遠近，先后進行地層擾動試驗及對既有構造影響等兩階段測試，以界定基樁施工擾動范圍及確定工作樁施工時既有構造物的安全后，再大量施作其他工作樁。

參考文獻：

[1] 劉芬芬，胡學山.樁基施工對臨近建筑物的影響分析[J].房地產導刊，2014（36）：161.

[2] 錢建固，曲文婷，李偉偉，等.地基加固控制開挖對附近樁基影響有限元分析[J].土木工程學報，2011（S2）：69-72.

[3] 金 舫.應用兩階段分析法測定基礎工程施工對鄰近建筑樁基的影響[J].建筑施工，2009，31（5）：338-340.

[4] 張浩龍.基礎施工振動對相鄰建筑物影響評價及檢測方法[J].建筑設計管理，2016（5）：82-84.