基坑降水開挖對地鐵高架橋墩的影響分析

王振楠，楊冬英，李學東，方涵青

（1.蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州215011；2.江蘇蘇州地質工程勘察院，江蘇 蘇州215129）

隨著城市立體交通的發展，軌道交通日益興起，輕軌高架因其既能夠降低城市軌道交通的單位造價又能夠有效利用城市空間而被廣泛采用。由于地鐵線路規劃建設越來越多，地鐵線路建設中常出現地鐵施工下穿既有輕軌高架線路的情況，考慮到既有線路在基坑施工中仍然高頻次地運營，保證基坑開挖過程中的既有線路的安全穩定格外重要。近幾十年來，許多專家學者進行了大量基坑開挖對建（構）筑物的影響研究，取得了一系列的研究成果。丁勇春總結了在軟土底層深基坑施工過程中，基坑開挖對地表沉降的影響范圍[1]。徐中華等通過大量的實測統計分析，總結了上海地區基坑開挖過程中墻后地表沉降規律并提出了凹槽型墻后地表沉降形態的預測曲線[2]。結合基坑周邊地表沉降規律許多中外專家學者對鄰近基坑的建（構）筑變形特性也做了大量研究，總結了其豎向、水平位移等變形規律[3-6]。龔曉南、陳卓等則通過理論求解，總結了鄰近基坑的樁基承載力的變化規律[7-8]。隨著計算機模擬軟件快速發展，越來越多的專家學者在鄰近地鐵車站問題的研究上，采用數值模擬結合實際工程進行分析討論，研究了新建地鐵車站近接施工對其周邊既有地鐵車站結構的穩定性影響[9-13]。陳鋒、劉書斌等對多種土體本構模型進行對比，認為硬化土模型（HS模型）在蘇南地區偏硬土體的模擬計算中優于其他本構模型，其計算結果與實測值較為吻合，可以預測復雜施工環境下基坑開挖對周邊建（構）筑的影響[14-15]。

當下基坑工程周邊施工環境日趨復雜，線路交叉穿越，需要特別關注既有線路在新建地鐵基坑施工期間的使用（運營）安全問題，故本文將以蘇南地區某換乘車站基坑施工為背景，結合數值模擬分析軟件建模，綜合分析基坑開挖過程中的橋墩基礎豎向變形、橋墩水平位移及樁基礎變化情況，以期對類似工程設計、施工提供指導借鑒。

1 項目背景及模型建立

1.1 項目概況

新建地鐵車站為地下二層島式車站，如圖1所示。基坑外包總長357.5 m，外包總寬19.7 m。標準段基坑深度約16.1 m，支護結構采用800 mm厚地下連續墻+三道內支撐形式，地下連續墻固嵌深度約為27 m；鄰近高架處基坑采用人工鉆孔灌注樁+五道內支撐形式，人工鉆孔灌注樁埋深約為27.5 m，鄰近橋墩基坑開挖斷面如圖2所示。基坑所在場地地下水類型主要為松散巖類孔隙水，年平均水位埋深約2.0 m，年變幅2.0 m—————————左右。基坑周圍重要建（構）筑物較多，尤其是下穿既有高架段，既有高架橋墩承臺埋深3 m，基礎形式為直徑1.2 m人工鉆孔灌注樁，埋深55 m，基坑圍護結構距離橋墩承臺僅有3 m，對變形控制要求極高。

圖1 新建地鐵車站基坑平面布置圖

圖2 鄰近橋墩基坑開挖斷面圖

1.2 模型規劃及工況劃分

本文將采用數值模擬分析軟件Midas GTS/NX建立三維模型對基坑開挖全過程進行數值模擬，并結合現場實測數據進行對比分析。考慮到在軟土底層深基坑施工過程中，基坑開挖對地表的影響一般不超過圍護結構邊緣外5H（H為開挖深度），主要影響在2H范圍以內且受基坑長寬比的影響[1]。數值模型新建車站基坑主體平面尺寸取358 m×20 m，地下連續墻固嵌深度取27.5 m，模型水平邊界取距圍護結構邊緣5H，豎向邊界取1.5倍高架樁基長度。

數值計算中，土體、高架橋墩、承臺、橋面板、既有車站地下室均采用實體單元模擬；內支撐、格構柱、鉆孔灌注樁、高架橋樁采用梁單元模擬；地下連續墻、基坑底板采用板單元模擬，其中地下連續墻單元滲透系數取0 cm/s用于模擬止水帷幕；既有建筑物、圍護結構及新建車站主體結構均假定為彈性材料，參數取值如表1所列；樁-土界面、地下連續墻-土界面均采用庫倫摩擦接觸，摩擦系數已列入表1中。基坑下穿高架段模型如圖3所示，在圖3中，①為既有輕軌高架，②為基坑主體，③為既有輕軌車站。

表1 樁、地下連續墻、支撐、既有車站及高架等材料參數

基坑采用分段分層放坡開挖，且嚴格按照先支后挖的施工步驟。按照施工設計方案，基坑共分為三個開挖段：主基坑開挖段，高架處基坑開挖段，逆作區開挖段，如圖4所示。其中①為主基坑開挖段，②為高架處基坑開挖段，③逆作區開挖段，④為既有輕軌車站，⑤為既有輕軌高架，箭頭表示開挖方向。

圖4 基坑開挖段

實際施工中按照先主基坑及逆作區基坑開挖后下穿高架段基坑開挖的順序逐層放坡開挖，施工中充分考慮時空效應。數值模擬中開挖順序完全遵循現場施工工序，僅將實際工程中的放坡開挖簡化成分層開挖，主基坑開挖前基坑采用坑內集水井進行排水，保證基坑開挖前坑內整體水位降至開挖面下1 m，整體降水時長為20 d。模型計算中，按照先滲流場分析后應力場分析的步驟進行應力-滲流耦合分析的計算。按照下穿高架段基坑的施工步驟，模型中基坑施工共分為十個階段，基坑施工工序如表2所列。

表2 施工工序

1.3 本構模型及計算參數

工程所在地區土體偏硬呈現典型土層的偏應力-軸向應變成雙曲線關系，適合采用硬化土模型（HS模型）進行模擬分析[14]。HS模型中共有11個參數，結合如表3所列的參數取值方法，本文所需HS模型主要參數如表4所列。

表3 HS模型部分參數取值

表4 土層HS模型參數

2 基坑降水開挖下橋墩豎向位移

2.1 基坑降水開挖前現場實測數據

如圖5所示，下穿高架段基坑共設置了10個地表沉降監測點以及8個橋墩沉降監測點，其中橋墩沉降監測點位于橋墩承臺四周，在下穿高架段基坑開挖過程中，保持每天一測的監測頻率。

圖5 現場監測點布置

基坑降水開挖前現場橋墩豎向位移如圖6所示，這一階段各監測點豎向位移變化在1～2 mm左右，主要可分為兩個部分：第一部分為地連墻施工前，此時的豎向位移量在-1～1 mm之間波動，可以認為此時的豎向位移量主要是由于既有高架線路地鐵列車正常運營所引起的；第二部分為地連墻施工階段，造成此部分豎向位移的因素除運營列車影響外還有因圍護結構施工造成的土體擾動。此時橋墩承臺有最大2.1 mm的隆起值，且最后在1 mm左右波動，波動范圍為±1 mm，與第一部分既有線路正常運營引起的波動范圍吻合。

圖6 現場橋墩豎向位移

2.2 基坑降水開挖后橋墩基礎豎向位移對比

圖7 、圖8所示為A、B橋墩（見圖5）各開挖階段豎向位移模擬計算值及現場實測值對比。從整體上看，A、B橋墩在基坑開挖過程中均表現出先隆起后沉降趨勢，在車站主體結構施工過程中則以上抬趨勢為主。

圖8 B橋墩沉降計算對比

Ⅲ階段前，此時基坑開挖較淺，承臺有明顯的上抬趨勢，其主要原因是蘇南軟土地區基坑大面積開挖會造成坑底土體回彈，繼而帶動鄰近的樁基礎上拔。其中在Ⅱ階段，由于開挖前基坑降水，模擬值與實測值均表現出較小的沉降值（約1 mm），隨后下穿高架處基坑繼續開挖卸荷，橋墩又表現出上抬趨勢。在Ⅴ階段由于降水以及主體基坑開挖深度的增加，橋墩由上抬轉為沉降。

Ⅵ階段，此時水位穩定，且基坑開挖以下穿高架段為主，此時開挖深度較淺，橋墩承臺豎向位移變化相對穩定（約0.5 mm）。Ⅶ階段，基坑開挖至坑底，坑內水位降至坑底以下，橋墩承臺最大沉降幅度達4.8 mm，且此時出現最大累計沉降值6.4 mm（實測值6 mm），超過預警值（5 mm），是整個施工過程中最為危險的階段。

Ⅷ、Ⅸ階段，隨基坑開挖完成，車站主體結構施工，受車站側壁混凝土澆筑的影響，橋墩基礎由沉降轉為抬升，在基坑封頂覆土后沉降穩定在+1 mm（實測+2 mm）左右，最終橋墩基礎表現為上抬。與模擬值平滑的沉降曲線不同，實測值沉降曲線有較多的波動且波動范圍在±1 mm左右。波動范圍與施工前期既有高架線路地鐵列車正常運營所造成的位移量相符合。

單獨對比A橋墩承臺的四個監測點（JDT1-5～JDT1-8），靠近基坑一側的監測點（JDT1-6）無論是累計變形量還是變形幅度都是最大值，這使得橋墩承臺在整個基坑開挖過程中呈現出靠近基坑一側高，遠離基坑一側低的狀態，且隨著基坑開挖深度加深，橋墩基礎傾斜越大。

Ⅶ階段A橋墩及橋墩周邊地表沉降如圖9（a）所示，此時橋墩承臺沉降值以及傾斜度均達到最大值，是整個基坑開挖施工過程中的關鍵節點。這一階段A橋墩周邊最大地表沉降點距圍護墻約0.59H，最大沉降約為H×0.69%，橋墩基礎沉降趨勢與周邊地表沉降趨勢較為吻合，沉降值約為周邊地表沉降值的57%（實測值約54%）。測點JDT1-6、JDT1-8最大沉降差達3.6 mm（實測3.1 mm），橋墩基礎達到最大傾斜度會對既有輕軌線路造成一定的變形影響但此變形始終在設計允許值要求內。隨著基坑主體結構施工，橋墩承臺沉降逐漸穩定，橋墩基礎傾斜度減小，最終JDT1-6、JDT1-8兩點沉降差為0.3 mm（實測0.4 mm）。相較于JDT1-6、JDT1-8，東西兩側的監測點JDT1-5、JDT1-7，豎向位移差則始終相對較小，但其豎向位移大小在整基坑降水開挖過程中仍是最大值，施工過程中需要重視。

圖9 （b）所示為B橋墩承臺及周邊地表沉降曲線，Ⅶ階段B橋墩承臺傾斜度達到最大，橋墩承臺亦表現為靠近基坑一側高于遠離基坑一側，最大沉降差為2 mm（實測1.8 mm）。受既有車站基礎影響，B橋墩承臺及周邊地表沉降均略小于A橋墩承臺，地表最大沉降點距圍護墻約0.56H最大沉降約為H×0.67%。按照一級基坑設計要求，基坑施工期間地表及橋墩基礎豎向位移量僅在Ⅶ階段接近或少許超出預警值，基坑開挖施工過程中橋墩豎向變形不會對既有輕軌高架造成嚴重影響。

圖9 Ⅶ階段橋墩周邊地表沉降

3 基坑開挖對橋墩水平位移影響

本工程對A、B橋墩兩個方向的水平位移進行了監測，其中沿基坑方向為x方向，沿高架方向為y方向。圖10所示為A橋墩在基坑施工過程中的水平位移變化，橋墩基礎在基坑開挖過程中其水平位移在多個方向均有發展。

圖10 A橋墩水平位移值

階段Ⅰ此時基坑開挖較淺，橋墩承臺僅有0.45 mm左右的水平位移。階段Ⅱ逆作區基坑開挖深度大于主體基坑及下穿高架段基坑，橋墩承臺水平位移朝逆作區基坑發展，此時最大位移模擬值為1.5 mm（實測0.98 mm）。階段Ⅱ～Ⅴ，項目保持先主基坑及逆作區基坑開挖后下穿高架段基坑開挖的工序，此時受到兩側基坑不對稱開挖的影響，橋墩基礎在x方向上的位移由偏向逆作區基坑轉向主基坑方向，在y方向上隨基坑開挖加深橋墩基礎進一步朝向基坑方向。階段Ⅴ～Ⅷ，下穿高架段基坑持續施工，橋墩基礎水平位移發展趨于平穩，最大水平位移模擬值為2.5 mm（實測1.7 mm）。階段Ⅷ、Ⅸ，隨著主體結構施工、土體回填，橋墩基礎上抬的同時y方向上也逐漸由朝向基坑轉為遠離基坑，x方向上水平位移值稍有減小，最終橋墩基礎朝西南方向有1.7 mm左右的水平位移（實測1 mm）。

圖11 所示為B橋墩水平位移變化，其變化規律與A橋墩相似，階段Ⅰ、Ⅱ橋墩基礎在x方向朝向逆作區基坑發展，y方向遠離基坑；階段Ⅲ～Ⅷ，x方向朝向主基坑，y方向則進一步遠離基坑，基坑開挖期間最大水平位移為1.92 mm（實測1.6 mm）。不同于A橋墩，B橋墩靠近既有地鐵車站，在階段Ⅷ、Ⅸ，由于既有車站地下室對B橋墩承臺有一定約束，而模擬計算中既有車站僅設置了淺基礎，所以導致實測數據中橋墩在y方向的位移值小于模擬值（模擬值1.49 mm，實測0.55 mm）。

圖11 B橋墩水平位移值

A、B橋墩基礎水平位移發展在基坑降水開挖過程中總體上處于x方向朝向主基坑開挖段，y方向遠離基坑的狀態；在后續主體結構施工過程中y方向轉為朝向基坑，B橋墩基礎受既有車站地下室及基礎影響其水平位移值小于A橋墩基礎；與水平位移控制值（6 mm）相比，A、B橋墩基礎水平位移模擬值與實測值均小于控制要求。

4 基坑開挖對橋墩樁基礎的影響

4.1 樁基變形

圖12 所示為A、B橋墩樁基礎在Ⅶ階段變形值。在基坑開挖至坑底標高時，鄰近的樁基礎變形主要集中在圍護結構固嵌深度內，距離基坑較近的樁基礎變形略小于距離較遠的樁基礎。

圖12 橋墩樁基礎變形

A橋墩位于基坑南側，受到橋墩承臺水平位移的影響樁頂產生2.55 mm的變形，樁身最大變形發生在第五道支撐處，最大變形值約為4.8 mm；-40 m以下的樁身變形接近零。B橋墩位于基坑北側，樁基礎變形規律與A橋墩相似，但B橋墩樁基受既有車站基礎影響，樁基礎變形小于A橋墩，其最大變形值約為4.1 mm。A、B橋墩樁基礎在Ⅶ階段的變形均小于控制值，本工程的支護形式能有效地控制鄰近的樁基礎的側向變形。

4.2 樁基承載力損失

基坑施工前，既有橋墩基礎上部最大恒載為11 654.1 kN，最大活載為2 272 kN，按照《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》[21]計算可得最大設計荷載值為17 960 kN。樁周土極限摩阻力標準值如表5所列，經計算橋墩樁基礎極限摩阻力為10 780 kN，極限端阻力為1 043 kN，單樁豎向承載力極限值11 823 kN。

表5 樁周土極限摩阻力標準值

通過在樁基礎單元頂部施加大小為單樁豎向承載力極限值的豎向荷載，并提取各施工階段單樁側摩阻力值，以A橋墩單樁承載力為例對本工程基坑開挖階段橋墩承載力變化作出分析（見圖13）。橋墩單樁承載力隨基坑開挖深度加深而逐漸減小，其減小速率與開挖深度呈線性關系。單樁承載力在基坑開挖到坑底設計標高時達到最小值，此時樁基承載力為9 850 kN，損失比達16.7%，考慮到樁基設計過程中參數取值均比較保守，實際設計中安全系數[21]一般取值為2，故此幅度的承載力損失基本不會對高架橋安全造成威脅。

圖13 承載力損失

5 結論

（1）基坑降水開挖施工過程中，土體開挖較淺時，受卸荷效應影響橋墩基礎會有所上抬，隨基坑降水以及開挖深度加深，橋墩基礎發生沉降。基坑周邊地表及橋墩基礎在基坑開挖至坑底標高時產生最大沉降，最大地表沉降距圍護墻0.59H，最大沉降值為H×0.69%，鄰近基坑的橋墩基礎沉降趨勢與周邊地表沉降趨勢相吻合，沉降值約為周邊地表沉降值的57%，此時橋墩基礎略有傾斜，靠近基坑一側承臺高于遠離基坑一側承臺3.6 mm。隨后續施工完成，橋墩基礎沉降逐漸恢復，橋墩基礎傾斜度減小兩側沉降差減小至0.3 mm，橋墩基礎最終表現為上抬。

（2）對比發現，基坑降水開挖施工過程中橋墩基礎朝基坑方向產生水平位移，位移值隨基坑開挖深度加深而逐漸增大，最大水平位移值為2.5 mm；橋墩基礎水平位移易受不對稱開挖影響且朝向基坑土方開挖量大的一側發展；主體結構施工后橋墩基礎上抬的同時逐漸朝遠離基坑方向位移，最大水平位移值為2 mm。

（3）基坑降水開挖施工過程中，鄰近基坑的樁基礎會產生深層水平位移變形，其變形主要在圍護結構固嵌深度范圍以內，最大變形發生在第五道支撐處，最大變形值約為4.8 mm；靠近基坑一側的樁基礎變形略小于遠離基坑一側樁基礎；既有車站基礎對樁基礎變形有一定約束作用。

（4）模擬計算表明項目施工過程中橋墩單樁承載力隨基坑開挖深度加深而逐漸減小，單樁承載力在基坑開挖到坑底時達到最小值，損失比達16.3%。但考慮到實際設計中安全系數取值較高，此幅度的承載力損失基本不會對高架橋安全造成威脅。