基坑開挖引起鄰近高鐵橋墩隆起變形實例分析

孟繁增

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

隨著我國基礎設施建設的快速推進，出現越來越多鄰近運營高鐵進行基坑開挖的工程，需要對新建工程對既有運營高鐵橋梁的影響進行研究。目前國內外多個學者研究了基坑開挖對臨近工程的影響，方浩[1]、馬寧[2]、鄒淼[3]等對基坑開挖對既有高鐵路基和臨近管線的變形影響進行了分析，但未對橋梁結構進行影響分析；胡軍[4]、李龍劍[5]、鄭剛[6]、楊敏[7]、魏麗敏[8]、潘振華等[9]采用數值分析方法對基坑開挖對鄰近高鐵橋墩樁基的變形影響進行了計算，但均為樁基的水平變形和彎矩的影響研究，未分析對豎向變形的影響；王菲[10]采用數值分析的方法分析了大面積深基坑工程對既有高鐵橋梁豎向變形、水平變形及承載力的影響，但未與實測數據進行對比；木林隆[11]等提出了首先采用基于經驗公式計算基坑開挖引起的自由場三維土體位移，然后基于差分方法計算對鄰近樁基豎向和水平向影響的兩階段分析方法，同樣未與實測數據進行對比；禚一[12]等采用ABAQUS軟件建立了三維數值模型，分析基坑開挖對既有路基和橋梁變形的影響，并與實測數據進行對比，提出隨著基坑開挖的進行，卸載效應明顯，引起既有橋墩隆起；王淑敏[13]通過評估、試驗和實測數據進行分析，指出土方開挖會引起高鐵橋梁和路基結構的隆起變形。

TB10621-2014《高速鐵路設計規范》[14]、鐵運[2012]83號《高速鐵路無砟軌道維修規則》[15]、TB10182-2017《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》[16]等規范規程均對既有高鐵橋墩的豎向變形提出了限值要求，針對基坑開挖對鄰近高鐵橋墩變形影響，特別是隆起變形影響的分析尚不多見，可借鑒的資料不多，以2個在高鐵橋墩附近開挖基坑的工程實例為研究對象，分析基坑開挖對既有高鐵橋墩隆起變形的影響，以期為類似鄰近高鐵的基坑開挖工程的評估分析提供參考。

1 基坑開挖對既有高鐵樁基礎隆起影響的實例

1.1 實例一

某城市道路采用U形槽接框構的形式下穿既有高速鐵路。如圖1和圖2所示，基坑采用明挖形式，共分為兩部分，1號基坑平面尺寸為22.5 m×20.0 m，深度為8.236 m，采用1.25 m@1.5 m鉆孔灌注樁防護，樁長19.35 m，設置φ=609 mmt=12 mm的鋼管撐6道，間距4.5 m；2號基坑平面尺寸為22.5 m×28.26 m，深度為8.24 m，采用1.25 m@1.5 m鉆孔灌注樁防護，樁長19.35 m，設置0.8 m×0.85 m鋼管混凝土支撐3道，間距8.5 m。2號基坑一側接既有框構。交叉位置處既有高速鐵路為無砟軌道，橋梁結構形式為(32+48+32) m連續梁，橋墩基礎為樁基礎，樁長56 m，樁徑1.5 m。基坑防護樁與橋墩承臺的最小凈距為2.02 m。

圖1 基坑與周邊高鐵橋墩的平面關系(單位：m)

圖2 基坑與周邊高鐵橋墩的立面關系(單位：m)

基坑開挖采用分層分片的方式進行，由于下穿區域位于市內，受交通組織影響，開挖及出土均于當日夜間至次日凌晨進行，白天則處于停工狀態，前3次的開挖情況如圖3所示。

圖3 前3次開挖基坑剖面(單位：m)

第1次開挖于2016-10-08 17:00～2016-10-09 08:00進行，開挖平面尺寸為6.5 m×22.5 m，開挖深度為3.0 m，開挖方量為438.75 m3；第2次開挖于2016-10-09 20:00～2016-10-10 06:00進行，開挖平面尺寸為28.26 m×22.5 m，開挖深度為4.6 m，開挖方量為2 486.16 m3；第3次開挖于2016-10-11 17:00～2016-10-12 07:00進行，開挖平面尺寸為20.0 m×22.5 m，開挖深度為2.5 m。前3次開挖區域與線路中心的距離由近及遠，第1次開挖中心與線路中心的距離為3.16 m，第2次開挖中心與線路中心的距離為7.90 m，第3次開挖中心與線路中心的距離為21.93 m。

基坑開挖過程中，采用高鐵沉降變形自動化監測系統SMAIS[17]對既有橋梁結構的豎向變形情況進行監測，沉降監測測點布置于梁體支點位置。監測成果如圖4及圖5所示。

圖4 既有高鐵111號墩及112號墩測點隆起值時程曲線

圖5 既有高鐵橋梁隆起值斷面曲線

由圖4可知，開挖期間每天的夜間至次日凌晨，隨著基坑開挖及出土的進行，既有高鐵橋墩呈現較為明顯的隆起趨勢，在白天基坑開挖的間隙期，既有高鐵橋墩的豎向變形基本保持穩定。由圖5可知，既有高鐵測點的隆起表現出了隨著與基坑邊緣距離而衰減的明顯規律，由于距離基坑邊緣較近，111號橋墩及112號橋墩的隆起趨勢比較明顯，在距離基坑邊緣較遠的109號橋墩、110號橋墩、114號橋墩沒有明顯的隆起規律。由于橋墩隆起值并不一致，前3次開挖完成后，110號橋墩及111號橋墩的差異沉降值已經達到0.61 mm。隨后，現場調整了施工步驟，采取了開挖過程中將挖方土體暫時堆至基坑防護樁兩側及橋墩周圍進行反壓，待基坑內的框構及U形槽結構施工完成后，再將挖方土體運出施工場地的施工方案，避免了既有高鐵橋墩差異沉降快速增加。

1.2 實例二

某高速公路下穿既有高速鐵路采用壓重頂推框構法施工，工作坑位于既有高速鐵路南側，呈矩形布置，采用放坡開挖形式，基坑邊坡坡比為1∶0.6，基坑底面輪廓尺寸為58.6 m×83.6 m，開挖面積為5 066 m2，基坑頂面輪廓尺寸為71.6 m×97.8 m，開挖面積為7 107 m2，基坑開挖深度為10 m，基坑開挖總體積為51 500 m3，基坑軸線與橋梁軸線的斜交角度為61.8°。既有高速鐵路為無砟軌道，橋梁結構為32 m簡支梁，基礎采用樁基礎形式，其中138號、139號、140號橋墩對下穿公路進行預留條件，承臺下埋10 m，且樁長進行了相應的加長。如圖6、圖7所示。

圖6 基坑與橋墩的平面關系(單位：m)

圖7 基坑與橋墩的立面關系(單位：m)

2016-5-7日～2016-5-13日，現場進行了基坑開挖工作，開挖方量共計49 000 m3。開挖過程中，對既有高速鐵路的豎向變形進行實時自動化監測。監測測點布置于梁體支點位置，上下行側各布置1個測點。圖8及圖9給出了140號橋墩和141號橋墩的隆起值與開挖方量的關系曲線。由圖8及圖9可以看出，隨著基坑開挖的進行，140號和141號測點的隆起值逐漸增加。

圖8 140號橋墩隆起值與開挖量的關系曲線

圖9 141號橋墩隆起值與開挖量的關系曲線

圖10給出了開挖方量49 000 m3時既有高速鐵路隆起值的斷面曲線。由圖10可知，基坑開挖方量至49 000 m3時，既有高速鐵路橋墩出現明顯的隆起現象。橫向上，由于上行側測點與基坑的距離較近，因此上行側測點的隆起值大于下行側測點的隆起值，上行側的最大隆起值為3.10 mm，下行側的最大隆起值為2.51 mm，二者相差0.5 mm。縱向上，隨著各測點與基坑邊緣距離的增加，隆起值出現衰減現象。由于各測點隆起值不一致，出現了差異沉降，最大差異沉降位于138號橋墩和139號橋墩的上行側，達到0.72 mm，影響不可忽略。為避免現場隆起值的進一步發展，現場采取了橋下反壓堆土的措施，隆起趨勢得到抑制。

圖10 2016-5-13既有高速鐵路橋墩隆起斷面曲線

2 隆起分析及計算方法

2.1 原因分析

根據文獻[18]，基坑開挖后墻后的土體可以分為塑性平衡區、彈性平衡區和未擾動區，如圖11所示，其中A區為塑性平衡區，B區為彈性平衡區，C區為未擾動區。文中所介紹的兩個實例雖然橋下基坑開挖的深度較深，達到8～10 m，但由于橋梁樁基較長，為基坑深度的5～7倍，且由于設計時對下穿工程進行了預留，承臺進行了下埋，承臺位于基坑底面以下。因此，橋梁樁基大部分位于傳統意義上的未擾動區。而傳統的未擾動區并非絕對的零影響，基坑開挖后土體的移除，相當于在原地應力的基礎上進行了卸荷，未擾動區的土體產生了微量回彈，帶動樁基礎產生變形。基坑平面規模越大，基坑越深，距離高鐵的距離越近，樁基礎的隆起變形也越大。

圖11 墻后土體變形狀態分析簡圖

2.2 計算方法

TB10093—2017《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》[19]中第3.2.4條規定，摩擦樁基礎的總沉降量計算可將樁基視作實體基礎，按照規范中給出的分層總和法進行計算，但規范中只有樁基礎受樁頂荷載時的沉降計算方法，未給出摩擦樁基礎受鄰近地面荷載變化時的沉降計算方法；GB50007—2011《建筑地基基礎設計規范》[20]第5.3.9條規定，當存在相鄰荷載時，應計算相鄰荷載引起的地基變形，其值可按應力疊加原理，采用角點法計算，但規范所給出的為查表法，不利于計算機計算。本文將基坑開挖視作卸載過程，編制了高鐵橋墩鄰近荷載豎向變形影響計算軟件PIAS，對道路開挖對鄰近樁基礎的豎向變形影響進行計算。計算步驟如下：

(1)根據Mindlin解析公式，結合應力疊加原理計算開挖卸載引起樁身位置處土體沿深度方向的附加應力變化；

(2)采用冪指數形式的土體模量(考慮回彈模量)計算公式，并結合土層所在位置的歷史應力，計算分層模量；

(3)根據附加應力和模量計算分層應變，并進一步計算分層壓縮量；

(4)分層求和得到樁基礎的隆起回彈變形。

其中，假定樁基礎的中性點位于樁身的2/3處[21]，壓縮層的厚度按照變形比0.025確定[18-19]。詳細的計算流程和計算公式詳見文獻[22]。

2.3 本構模型

土的變形模量隨著圍壓而提高的現象也稱為土的壓硬性，采用土體硬化模型反映此性質對樁基礎豎向變形的影響。土體硬化模型是以經典塑性理論為基礎的屈服面模型，它的彈性部分采用了合理的雙剛度，加卸載模量分別定義，考慮了土體壓硬性，塑性部分采用非相關聯流動法則和各向同性的硬化準則，較好地描述雙曲線形式的應力-應變關系和土體的剪脹性[23-25]，如圖12所示。

圖12 標準排水三軸試驗的應力-應變關系

(2)

m——剛度水平依賴冪指數(一般對于砂土約為0.5，對于軟土約為1)；

c——土體黏聚力；

φ——土體摩擦角；

3 計算結果及對比分析

3.1 實例一計算分析

采用2.2節介紹的高鐵橋墩鄰近荷載豎向變形影響計算軟件PIAS,對某城市道路下穿既有高鐵造成的隆起影響進行計算。計算所采用的土體參數如表1所示。

表1 某城市道路下穿既有高鐵土體參數

注：m值指考慮土體壓硬性的冪指數，如2.3節所示。

計算結果與實測值對比如圖13所示。由圖13可知，計算值與監測值的趨勢較為吻合，最大計算誤差為0.33 mm。由對比結果可知，所采用的計算方法及參數是適用的，可用于基坑開挖對樁基礎橋墩隆起影響的定量計算。

圖13 實例一既有高鐵實測值與計算值的對比

3.2 實例二計算分析

圖14 實例二實測值與計算值的對比

采用高鐵橋墩鄰近荷載豎向變形影響計算軟件PIAS，對某高速公路下穿既有高速鐵路造成的隆起影響進行計算。計算所采用的土體參數如表2所示，計算結果與監測值的對比如圖14所示，需要說明的是，圖14中的監測值為既有高鐵上行側與下行側隆起值的平均值。由圖14可知，計算值與監測值的趨勢較為吻合，最小誤差為0.01 mm，位于距離基坑最近的140號橋墩；最大誤差為0.91 mm，位于距離基坑最遠的143號橋墩。由對比結果可知，所采用的計算方法和計算參數是適用的，可用于基坑開挖對樁基礎隆起影響的定量計算。

表2 某高速公路下穿既有高速鐵路土體參數

4 結論

針對兩例鄰近高鐵橋墩基坑開挖工程，對既有高鐵橋墩隆起變形進行實時自動化監測，在監測結果分析的基礎上，采用基于疊加原理的薄層分層總和法編制了高鐵橋墩鄰近荷載豎向變形影響計算軟件PIAS，對計算結果與監測數據進行對比驗證，得出以下結論。

(1)基坑開挖的卸載效應引起既有高鐵橋墩的隆起變形。監測結果顯示，實例一引起既有高鐵橋墩隆起變形0.93 mm，實例二引起既有高鐵隆起變形3.10 mm。隆起值隨基坑體量的增加而增加，隨基坑與橋墩距離的增加而減小。

(2)計算結果顯示，實例一引起既有高鐵橋墩隆起變形1.12 mm，實例二引起既有高鐵橋墩隆起變形2.79 mm，計算結果與實測數據趨勢一致，吻合較好。

(3)計算軟件PIAS能夠較好地反映基坑開挖對既有高鐵橋墩隆起值的影響，通過與監測數據的對比，驗證了高鐵橋墩鄰近荷載豎向變形影響計算軟件PIAS的適用性。