基坑開挖對臨近橋梁樁基的影響分析

上官士青，楊 劍

（中交公路規劃設計院有限公司 上海分公司，上海 200082）

關鍵字：明挖隧道；基坑；被動樁；保護措施

引 言

堆土或基坑開挖造成的土體水平位移可能會導致臨近的樁基礎撓曲變形，進一步引起嚴重的工程事故。如上海蓮花河畔倒樓案例，其樓房主體結構倒塌主要原因之一為樓房一側堆土而另一側開挖基坑造成地基土發生大范圍水平位移，引起樁基變形過大，整體傾斜后樓房傾倒。又如寶鋼廠房倒塌案例，該廠房經過長期重復堆載-卸載，服役10多年后發生倒塌，經分析其主要原因為長期堆卸載造成的土體發生水平位移，造成樁基的側移過大。以上由于土體水平位移造成的樁基失效通常稱為被動樁問題。

對于基坑開挖引起的被動樁問題，文獻[2-7]通過理論分析、案例分析、有限元分析等手段研究了基坑開挖條件下臨近樁基撓曲和樁基附加沉降等問題，取得了較多的有益成果。整體上，基坑開挖下的被動樁問題多采用有限元法進行研究，選取的計算案例有一些為假想案例，實際工程案例較少，且對被動樁的保護措施研究較少。在實際工程中，由于缺少對被動樁有效的保護措施的研究，通常要求基坑工程與需要保護的樁基礎保持一定避讓距離，限制了明挖隧道設計中道路的線路設計。

本文通過對某一明挖隧道工程初步設計中的被動樁案例進行分析，研究了被動樁和基坑開挖支護樁變形的關系，分析和比選了多種被動樁保護措施，以供工程設計人員參考。

1 工程概況

某隧道初步設計時第K22+900至K22+980段從底部穿過既有BRT橋。隧道為雙向六車道，標準段采用單箱雙室鋼筋混凝土箱型結構，隧道凈寬14.05 m，凈高 7.45～7.95 m。該段地下通道采用基坑明挖法施工，將影響 Brt17、Brt18、Brt19、Brt20共計 4個橋墩。其中位于隧道基坑中的樁基和 BRT橋擬拆除重建，其他位于基坑外的橋墩擬檢測后重新利用。Brt20號墩位于基坑邊線外側，擬重新利用。Brt20墩下基礎由1.2 m直徑混凝土樁按2×2正方形排列構成，其受到基坑開挖造成的土體位移的影響，屬于小型被動群樁。其最近的樁基距離基坑僅3.58 m（凈距），將會受到基坑開挖的影響。

此處地下通道基坑開挖尺寸大，其地下結構寬度達到36 m左右，開挖深度為17.02 m。每延米開挖土方量達500 m3以上，開挖工程將導致周邊土體產生明顯位移，宜采用有限元方法進行分析。

圖1 平面布置

2 有限元分析

2.1 計算方法和建模

采用有限元方法對基坑開挖和Brt20號被動群樁進行平面應變分析。分析軟件采用 Plaxis。基坑開挖部分按基坑開挖的施工順序進行模擬計算。基坑施工過程共有12個工況。該基坑采用3道內支撐，分別位于-2.3 m、-6.3 m、-11.9 m處，拆撐時在-7.61 m處換撐，支撐水平間距為4 m，均為鋼筋混凝土支撐。（以上均為相對高程）。其中支撐剛度等計算參數按基坑設計計算書取值。支護樁為1.2 m直徑鉆孔灌注樁，樁底嵌巖，樁長28 m。

被動群樁Brt20位于基坑外3.58 m（凈距）處，承臺埋入土中。由于承臺角度并未與地下通道走向平行，四根樁基在基坑剖面方向上呈3排排列。被動群樁采用等效板墻法對其剛度進行折減，進行模擬。對于被動單樁，常對其剛度折減1.5～3倍進行計算。

圖2 模型尺寸示意

根據對稱性對基坑進行簡化，取基坑模型的一半進行模擬。模型的邊界條件主要考慮嵌巖樁樁長和基坑開挖的影響范圍，其模型高度為70 m，寬度為70 m。其中邊界距離基坑支護結構的距離達到了35 m以上。

2.2 參數取值

計算參數依據勘察報告提供的該場地地勘實驗數據取值。土層埋深依據地層剖面圖取值。其中巖體缺乏彈性模量數據，巖石模量取經驗值。

場地中土層主要由填土、粉質粘土、砂質粘性土三種構成，對于填土采用摩爾庫倫本構計算，對于其他兩種土采用硬化土（HS）本構計算，參數取值情況見表1和表2。基坑開挖為臨時性工程，通常按不排水分析計算。

表1 樁身參數取值情況

表2 土體參數取值情況

2.3 計算結果

主要考察基坑開挖至坑底及換撐拆撐后工況的基坑變形和對Brt20群樁的影響。圖3給出了拆撐后的土體水平位移，可見基坑拆撐后支護結構為13.42 mm，符合基坑設計控制標準。圖4給出了基坑開挖后土體隆起的情況，可見BRT20群樁承臺隆起量約16～20 mm，支護樁也有明顯的隆起情況。

本工程基坑采用理正軟件按基坑規范彈性支點法進行驗算，計算結果表明基坑支護樁最大水平位移為10.4 mm，與本文計算結果13.42 mm接近，表明本文有限元模型計算結果可靠。

圖 5對比了基坑開挖完畢拆撐后的支護樁和Brt20群樁前樁（靠近基坑一側的樁）的變形，可見兩者變形趨勢接近，支護樁變形達到了13.4 mm，橋梁樁基變形達到了 11.8 mm。Brt20承臺水平變形為8.0 mm，承臺傾斜0.029 %。

圖3 拆除支撐后水平變形

圖4 拆除支撐后垂直變形

圖5 基坑支護樁和被動群樁水平位移對比（拆撐后）

由圖5可見，Brt20橋墩下的被動樁變形與基坑支護樁的變形趨勢基本一致。被動樁在坑底位置達到水平變形最大值，但在地表處變形大于基坑支護樁，這主要是由于本案例被動樁樁頂嵌入承臺，該承臺具有較大的樁頂轉角剛度，而支護樁為樁頂自由狀態，且受到第一道支撐的有效支撐，支護樁在埋深較淺的深度下變形更小。

3 保護措施研究

3.1 被動樁保護措施調研

本文整理了被動樁常見的處理措施，并對這些處理措施對于本例的適用性進行了分析。

1）方法一：控制土體水平變形

該方法主要是針對公路路堤填筑或堆載下的被動樁提出的保護措施，具體的方法可以分為地基處理和輕質路堤兩種方法。土體的水平位移場與地表的最大沉降量具有一定的經驗關系[9]，若從根本上控制土體水平位移，最直接的方法是控制堆填土施工造成的最終地表沉降量。但該方法并不適合作為基坑開挖下的被動樁的保護措施，因為在該條件下土體水平位移并不是堆載造成的。

2）方法二：應力卸荷鉆孔

該方法在被動樁受擠壓一側進行小直徑鉆孔，孔中填入一些毛竹籠或貫入海水。典型孔徑為 80～90 cm。當土體位移開始發展后，該應力卸荷孔首先受到擠壓變形，吸收一部分土體水平位移，詳見圖 6。但對于本文所討論的情況，基坑開挖下的被動樁位于基坑主動土壓力一側，并沒有土體水平應力增量，需要采用應力卸荷孔進行釋放，因此也不適用基坑開挖條件下的被動樁。

3）方法三：采用水泥土加固

在對于寶鋼工業廠房地基加固項目中，楊敏[10]曾提出兩種主動區、被動區加固方案，如圖6所示。主動區加固為土體水平位移方向設置阻擋結構，可以是隔離樁或重力式擋墻。被動區加固為對被動樁變形方向土體進行加固，以減小被動樁變形。分析認為，主動加固效果要優于被動加固，但主動加固必須保證加固體深度達到硬土層。

圖6 各類被動樁保護措施示意

4）方法四：采用真空堆載聯合預壓

對于路堤堆載的情況，案例表明[11]，采用真空堆載聯合預壓可以有效的控制路堤地基的土體水平位移。理論上如能控制土體的水平位移，則可有效地保護被動樁。但采用該方法對被動樁進行保護的案例尚未有報道，可以進一步研究。

5）方法五：提高樁承臺水平方向剛度

提高樁頂承臺平剛度的方法有以下幾種：增大承臺尺寸、增加樁數、采用斜樁、采用錨索等。增加被動樁承臺處水平方向剛度可直接減小被動樁變形。但對較大范圍的堆載或基坑開挖，被動樁變形往往呈現整體平移的形式，增加樁頂承臺剛度效果需要通過計算驗算后確定。一般樁基礎在設計時，只有在明確的意識到該樁基礎為被動樁時，才會考慮上述結構措施，如堆載場、筒倉、重工業廠房的樁基可采用斜樁等措施加強樁頂承臺水平剛度。對于大多數橋梁樁基，并不能在設計時預見其可能會承受大范圍的土體水平位移。

3.2 本文案例分析

上文總結的處理措施針對的是廣義的被動樁問題，大多數是針對大面積堆載如路基填筑等工程條件下的被動樁，因此對于基坑開挖條件下引起的被動樁問題，并不一定具有適用性，應逐個討論分析。

對于方法一，控制土體水平方向變形的思路，本文所討論的基坑開挖的情況仍然適用。可增加支擋結構剛度，以減小地基土開挖造成的土體水平位移。具體的方法為增加支撐平面布置數量，增加支撐道數，增加支護樁樁徑，必要時采用坑底加固措施，均可減小支護樁變形，相應的減小臨近被動樁的變形。

對于方法三，采用水泥土進行主動區、被動區加固也適用于本文討論的情況。基坑開挖下的被動樁其主動加固和被動加固可分為以下類型：坑外加固和坑內加固，見圖 6。其中坑外加固可采用隔離樁、攪拌樁或旋噴樁，可有效地減小基坑坑外土體的主動土壓力，大幅減小基坑變形，保護坑外的被動樁。坑內加固則是與基坑坑底加固相同，采用攪拌樁等方式，增加基坑內部被動土壓力范圍內土體的模量和強度，減小支擋結構變形。

經過上述討論，選用增加基坑支擋結構措施和坑外加固措施來對被動樁進行保護。本文所討論的案例土質條件較好，其坑底為強風化花崗巖，因此不再采取坑內加固的處理措施。通過有限元驗算，對被動樁8 m范圍內的土體采用旋噴樁加固后，基坑開挖后樁頂承臺水平位移小于 5 mm，樁身最大水平位移小于10 mm。

4 結 語

本文將某隧道基坑開挖對臨近橋梁樁基進行了計算分析，并討論了被動樁的各類保護措施。研究表明：當被動樁距離基坑較近時，基坑開挖引起的被動樁變形略小于支護樁變形。如不能保持足夠的安全避讓距離，應采取保護措施。適用于基坑開挖條件下的保護措施有增加支護結構剛度、采用坑內加固、坑外加固等。