軟土深基坑對鄰近高架橋的變形影響研究★

李 棟，平 揚

(1.深圳市龍崗區水務工程建設管理中心，廣東 深圳 518000； 2.中電建生態環境集團，廣東 深圳 518000)

1 概述

珠三角的軟土是全國最軟的軟土之一[1]，具有高壓縮性、高含水率和低承載力等特點，而隨著我國城市地下空間開發利用的蓬勃發展，基坑工程大面積化及大深度化的趨勢日益明顯，且鄰近工程結構的密度越來越大，給基坑開挖的變形控制帶來極大挑戰[2]。

瞿曉浩[3]對雙排樁應用在深厚軟土基坑中的支護特點、計算模型和設計要點進行了分析，認為雙排樁結構是軟土基坑中較好的支護措施。蘇玉英[4]則提出了可用于深厚軟土基坑的雙排樁抗傾覆穩定安全系數計算方法，該方法克服了常規方法未考慮雙排樁支護結構與重力式擋土墻變形性狀和失穩機理上有所差異的缺點。溫忠義等[5]認為水泥攪拌樁的加固放坡體的支護方案適用于開挖深度約5 m的深厚軟土基坑。應宏偉等[6]基于深厚軟黏土中深大基坑的實測數據分析，認為深厚軟黏土地基中的大型基坑開挖過程中不應忽視引起的周圍地層變形影響。汪海生等[7]認為裝配式H型鋼支撐可有效控制基坑圍護結構的水平位移，并能減小對周邊環境的影響。顏勇[8]利用有限元軟件Plaxis對比分析了深厚軟土深基坑開挖過程中不同加固措施對改善既有樁基附加變形及內力的效果。程玉蘭等[9]采用有限差分法(FLAC3D)對軟土深基坑與鄰近地鐵車站相互變形影響進行了研究。陳丹等[10]采用FLAC3D并考慮蠕變和滲流耦合作用，分析了軟土基坑開挖對鄰近地鐵區間隧道變形的影響。張治國等[11]利用Midas/GTS研究了軟土基坑開挖對鄰近大底盤多塔樓結構的受力變形影響。

本文以深圳市大空港新城區截流河綜合治理工程北排澇泵站深基坑工程為背景，研究深厚軟土條件下深基坑開挖對鄰近高架橋變形影響，并提出合理攪拌樁參數，為類似工程設計和施工提供科學依據和參考。

2 工程概況

大空港新城區截流河綜合治理工程位于深圳市寶安區西北部空港新城建設區域，該區域地處珠江口東岸，臨近遠東航運中心香港，背靠我國經濟最活躍的珠江三角洲地區，是中國社會經濟及對外貿易最發達的地區之一，也是空港運輸最繁忙的地區之一。伴隨著“一帶一路”合作發展的理念，以及前海蛇口國家級自貿區的建立，空港地區將成為自貿區的重要依托，是深圳市未來重要的戰略發展規劃區。工程的任務是防洪(潮)、排澇，提升水質保障率，提升生態景觀環境，實現城市發展與生態環境可持續發展相協調。

本文研究的對象為北排澇泵站，位于工程西北部，附近土體是典型的深厚軟土層，部分區域的淤泥層厚度近17 m，除此之外，還有較厚的礫砂層和殘積土層。基坑最大深度達到18 m，屬于深基坑。基坑邊緣與外環高速橋墩的最近距離為8.6 m，為確保外環高速橋梁能夠安全運行，基坑工程能夠順利施工，需要分析基坑工程對鄰近高架橋的變形影響。

3 數值模型及參數

3.1 力學參數

土體部分采用摩爾庫侖本構模型，橋梁樁基和攪拌樁采用彈性本構模型，基坑的支護樁和內支撐分別采用結構單元樁和梁，力學參數如表1所示。

表1 模型力學參數

3.2 模型尺寸及施工工況

根據設計方案，確定模型尺寸為205 m×80 m×50 m，如圖1所示。外環高速橋梁的樁基布置4個監測點，基坑支護樁布置3個監測點，結構梁靠近橋墩處布置1個監測點，該結構梁為第一道支撐，如圖1(a)所示。安裝間深度為16.5 m，泵房深度為18 m，基坑進水池深度為10 m，其余剖面尺寸如圖1(b)所示。

采用FLAC3D軟件建立深厚軟土條件下的深基坑模型，如圖2所示，為了更直觀表現基坑模型，圖2(a)選定放坡后的基坑模型。

基坑模型計算步驟如下：1)初始地應力計算；2)放坡計算，并加第一道撐；3)打樁計算；4)第1次開挖計算，開挖深度3 m；5)第2次開挖計算，開挖深度為6 m，并加第2道撐；6)第3次開挖計算，開挖深度為8 m；7)第4次開挖計算，開挖完全。

4 攪拌樁對鄰近高速橋梁樁基的影響分析

為了保證在基坑施工過程中外環高速的安全運行，需對外環高速樁基和基坑之間土體進行加固處理，確保樁基水平位移量在10 mm以內。土體加固方法是將水泥噴入土體并充分攪拌，從而提高地基強度。為了得到既經濟實惠又能保證橋梁安全的攪拌樁力學參數，本文進行了不同彈性模量攪拌樁的數值模擬，模擬工況為土體無加固措施、加固攪拌樁彈性模量為24 MPa，48 MPa和72 MPa四種情形，4次開挖不同埋深橋梁樁基A水平位移如圖3所示，其中水平位移由x和y方向位移的矢量和求得，埋深是地表以下深度。

由圖3可知，4種情形下，不同埋深樁基水平位移規律基本是一致的。隨著基坑開挖深度的增加，樁基的位移都在增加。隨著埋深的增加，樁基的水平位移都是先增大后減小，且樁頂位移比樁底位移大很多，這是因為樁底已處于全風化花崗巖中，具有一定的水平方向承受能力。樁基的最大水平位移均發生在埋深10 m左右，這是基坑的進水池開挖深度。

當無加固時，樁基最大水平位移為-12.00 mm；當攪拌樁彈性模量為24 MPa時，樁基最大水平位移為-10.01 mm；當攪拌樁彈性模量為48 MPa時，樁基最大水平位移為-7.85 mm；當攪拌樁彈性模量為72 MPa時，樁基最大水平位移為-7.49 mm。當不采用攪拌樁，或者攪拌樁的彈性模量為24 MPa時，樁基的水平位移量都超過-10 mm，基坑開挖對橋梁的影響較大。而攪拌樁彈性模量為48 MPa和72 MPa時，樁基水平位移量都在-10 mm以內，表明基坑開挖對外環高速橋梁的影響在可控范圍內，考慮到經濟效益，應當選用彈性模量為48 MPa的攪拌樁。

圖4為隨開挖次數的增加，靠近橋梁的結構梁軸力的變化曲線，該結構梁為第一道支撐。從圖4中可以看出，在無加固的情況下，在第2次開挖和第3次開挖過程中結構梁軸力變化較小，整體呈增加趨勢。當對土體進行噴入水泥攪拌加固后，結構梁軸力的變化趨勢相同，都是先增大后減小，在第3次開挖時，軸力最大，攪拌樁彈性模量為48 MPa時，結構梁最大軸力為1 635 kN。在開挖到第3次時，攪拌樁的彈性模量越大，結構梁的軸力就越大，這是因為攪拌樁的剛度在增加，所承受的荷載也在隨之增大，而這些荷載也會傳遞到結構梁上，從而使得結構梁的軸力也在增加。而在第4次開挖時，基坑底部開挖完全，并卸掉一部分荷載，減少了攪拌樁上半部分的承載力，所以結構梁的軸力有所下降。

5 基坑開挖對支護結構的影響分析

為了更準確的了解基坑開挖對橋梁及其附近支護結構的影響，本節進行開挖模擬計算，分析不同支護結構的力學變化規律，為工程實踐提供有效的科學依據和支撐。通過之前的研究分析，確定攪拌樁彈性模量為48 MPa，以下計算均采用此值。

5.1 基坑開挖對橋梁樁基的影響

提取圖1(a)中4個橋梁樁基的位移，分析在基坑開挖過程中不同埋深處的樁基水平位移，結果如圖5所示。

圖5中的不同位置的樁基水平位移規律基本相同，都隨著開挖次數的增加，水平位移在增加。圖5(a)，圖5(b)，圖5(c)中的A樁、B樁和C樁不同埋深處的水平位移均先增大后減小，且離A樁較近的B樁水平位移量與A樁較為接近，最大值已達到-7.54 mm，而離A樁較遠的C樁的水平位移量則相對較小，最大值位移量為-3.98 mm。在埋深小于5 m的時候，D樁的水平位移量較大，最大值已達到-8.14 mm，在埋深大于5 m時，隨埋深的增加水平位移量在減小。

為了便于分析D樁水平位移量過大的原因，將橋梁變形放大1 000倍，如圖6所示。從圖6中可以看出，x方向最大位移發生在右上角的橋梁邊緣處。這可能是由于橋梁邊緣未施加水平約束，同時距離基坑又較近，受基坑開挖擾動過大造成的,而對比遠離基坑x方向位移量較小的E樁，可以認為距離基坑較近是造成D樁位移量過大的主因。但為了不使模型尺寸過大而降低計算效率，也未施加水平約束而影響到A樁的變形，所以本文采取了保守的處理方式來進行計算。

5.2 基坑開挖對基坑支護樁的影響

提取圖1(a)中2個基坑支護樁單元的水平位移，對基坑開挖過程中不同埋深處的支護樁位移進行分析。為體現研究的科學性，在實際施工過程中，對2樁進行了深層水平位移監測，監測深度為11 m，監測點間距為0.5 m。本文提取了在不同開挖階段的實測數據，數值計算及實測結果如圖7所示。

在圖7(b)中，在埋深11 m以內數值計算結果與實測結果能夠保持較好的一致性，表明采用該數值方法模擬軟土深基坑開挖對鄰近高架橋的影響是可行的。1樁和2樁不同埋深處的水平位移規律相同，都是先增大后減小，但2樁的位移量更大，最大位移量已達到-11.21 mm，發生在埋深-7.8 m處。1樁最大位移量發生在埋深-11.8 m處，為-9.46 mm。這是因為2樁是前排灌注樁，所承受的荷載比1樁大，兩個樁的水平位移量均比A樁的大。

由圖8可知，1樁最大彎矩為316 kN·m，發生在埋深-7.8 m處，與其最大位移量所處埋深上方，但與2樁最大位移量所處的埋深相同。2樁最大彎矩達到了1 505 kN·m，發生在埋深-5.8 m處，也在其最大位移量上方。支護樁的最大彎矩值小于設計限值，表明基坑支護樁在保證外環高速橋梁安全的同時，最大彎矩也在其承載能力范圍之內。

6 結論

本文針對深圳市大空港新城區截流河綜合治理工程中北排澇泵站深基坑鄰近外環高速橋梁問題，通過有限差分法(FLAC3D)研究深厚軟土條件下深基坑開挖對鄰近高速橋梁的影響，得到如下結論：

1)不同埋深橋梁樁基水平位移規律基本一致。隨著基坑開挖深度的增加，樁基的位移都在增加。隨著埋深的增加，樁基的水平位移都是先增大后減小。當基坑與橋梁之間的土體無加固時，樁基最大水平位移-12.00 mm；當攪拌樁彈性模量為24 MPa時，樁基最大水平位移為-10.01 mm；當攪拌樁彈性模量為48 MPa時，樁基最大水平位移為-7.85 mm；當攪拌樁彈性模量為72 MPa時，樁基最大水平位移為-7.49 mm。為了使基坑開挖對外環高速橋梁的影響及經濟效益都在可控范圍內，應當選用彈性模量為48 MPa的攪拌樁。

2)在無加固的情況下，結構梁軸力呈增加趨勢，當對土體進行噴入水泥攪拌加固后，結構梁軸力的變化趨勢相同，都是先增大后減小，在第3次開挖時，軸力最大，攪拌樁彈性模量為48 MPa時，結構梁最大軸力為1 635 kN。

3)A樁、B樁和C樁不同埋深處的水平位移均先增大后減小，D樁水平位移量隨埋深的增加在減小，且D樁最大水平位移量-8.14 mm。

4)前排鋼筋混凝土灌注樁2樁最大位移量發生在埋深-7.8 m處，為-11.21 mm。2樁最大彎矩達到了1 505 kN·m，發生在埋深-5.8 m處。