緊鄰高架橋樁深基坑支護結構研究

王飛

（安徽省皖江城際六慶鐵路股份有限公司，合肥 23000）

0 引言

隨著城市基礎建設高速發展，基礎設施愈發密集，建筑空間擁擠和交通錯雜問題日益突出，隧道近距離下穿高架橋樁也越來越多。由于地下工程地質和水文條件復雜，若設計與施工方案不合理，極易引發隧道基坑開挖導致橋樁側移、橋梁上部結構坍塌等風險。隨著地下工程開發建設逐步向深大化、復雜化發展，臨近橋樁的基坑開挖將會越來越多，因此在緊鄰高架橋樁情況下，研究深基坑選用何種支護結構具有重要的工程實際意義。

唐鵬［1］通過有限元手段，綜合考慮支護結構與水土壓力的相互作用，對比分析了分區開挖和整體開挖兩種不同工況下基坑支護結構、既有高架橋梁的變形特性。周海波［2］結合實際工程，分析了在緊鄰橋樁的情況下不同的支護型式的橋樁位移、基坑位移等。沈建芳等［3］基于工程實例，采用三維有限元數值模擬，并結合現場監測數據，研究了基坑開挖對鄰近橋梁樁基的變形影響。芮勇勤等［4］結合具體工程，研究了車站基坑群施工對鄰近橋梁、高鐵路基穩定性的影響。安玉紅［5］采用數值模擬的方式研究了CSM 水泥土攪拌隔離樁在地鐵基坑緊鄰橋樁時的保護效果。王恒等［6］研究了深基開挖時鄰近橋梁樁基的響應性狀，分析了樁基兩側土體的位移情況，并給出了對應的樁基加固措施。李翠［7］結合地鐵車站施工，采用有限元軟件，對基坑開挖引起的臨近輕軌高架橋梁結構變形進行模擬計算，結合計算結果對現場監測及施工提出相應的建議和措施。萬嘉成等［8］基于上海軟土地區某基坑工程開挖實例，通過建立三維有限元模型，深入探究了基坑開挖卸載對鄰近樁基豎向受荷性狀影響。

文中以蘇州某隧道工程為案例，綜合考慮樁土相互作用，探討了在緊鄰橋樁的情況下隧道基坑的支護形式的合理選型，并借助理正結構軟件和ABAQUS有限元軟件，分別建立計算模型，分析對比了隧道基坑開挖對橋樁的影響，可供類似工程參考。

1 工程概況

蘇州某隧道項目受現狀有軌電車高架橋墩影響，采用兩孔分離式隧道，隧道與現狀高架區間平行，采用明挖法施工。緊鄰橋樁段隧道基坑深度最大處為8.4m，寬14.9m，基坑距離現狀有軌電車橋梁承臺最近約2.0m，距橋樁最近約2.65m。該段地質情況從上而下分述如下：

（1） ①1-b雜填土層（道路結構層）：瀝青混凝土路面和二灰碎石，工程特性較好。

（2） ①4-1素填土層（壓實填土層）：褐黃-灰-灰黃色，壓實，以粘性土為主，夾少量碎石、石灰等，大多含有摻灰道渣或摻灰土，經過壓實處理，土質不均。

（3） ③1粘土：褐黃-灰黃色，可-硬塑，含鐵錳質結核，夾灰色條紋。該層壓縮性中等，工程特性良好。

（4） ③2粉質粘土：灰黃-青灰，可塑為主。含鐵錳質斑點及灰色團塊，下部夾薄層粉土，局部粉土含量高，該層壓縮性中等，工程特性中等。

（5） ④2粉土：灰黃-灰色，稍密-中密，飽和。夾薄層粉質粘土，含云母碎片，該層壓縮性中等，工程特性中等。

（6） ⑤粉質粘土：灰色，軟塑-流塑。薄層理發育，夾少量粉土薄層，該層壓縮性中等偏高，工程特性一般。

（7） ⑥1 粘土：暗綠-灰黃色，可塑-硬塑。含灰色團塊、條紋、鐵錳質斑點，下部見鐵錳質結核，偶夾薄層粉質粘土，該層壓縮性中等，工程特性良好。

（8） ⑥2粘土夾粉質粘土：灰黃-青灰，可塑-硬塑。含鐵錳質斑點，局部粉粒含量高，夾少量薄層粉土，偶夾姜結塊，該層壓縮性中等，工程特性中等-良好。

（9） ⑦1 粉質粘土：灰色，局部青灰色，可塑-軟塑。稍具層理，夾少量薄層粉土，該層壓縮性中等，工程特性一般。

（10） ⑦3 粉質粘土：青灰-灰色，可塑-軟塑，薄層理發育，夾少量薄層粉土，該層壓縮性中等偏高，工程特性一般。

各巖土層力學性質指標見表1。隧址區測得穩定水位標高在0.9～1.10m 左右。既有高架橋樁樁徑1.2m，樁長35m，高架橋上部橋跨結構底至現狀地面凈空約5.5m。隧道施工過程中若產生過大的水平變形，將有可能導致橋墩及橋梁下部結構變形及開裂，嚴重的話將影響整座橋梁的安全，因此，工程重難點為分析隧道基坑圍護結構施工的擠土影響和基坑開挖期間卸載等因素對臨近橋梁結構的的影響。

表1 各巖土層力學指標

2 基坑支護方案

根據《建筑基坑支護技術規程》［9］的有關規定，參考《上海市基坑工程技術標準》［10］、《蘇州軌道交通建設技術標準》，并查閱原有軌電車橋樁設計文件要求，綜合考慮基坑施工期間各項因素影響，確定：隧道臨近有軌電車橋樁處基坑安全等級和基坑環境保護等級均為一級，橋墩承臺水平位移應小于10mm，橋墩承臺沉降應小于10mm，傾斜允許值i 小于0.002。基坑整體穩定性安全系數不得小于1.35，抗隆起安全系數不得小于1.8，嵌固穩定性安全系數不得小于1.25。

由于現狀高架橋上部橋跨結構底至現狀地面凈空約5.5m 且基坑距橋梁承臺最近僅2m，經適用性和經濟性必選，圍護樁采用剛度大、控制變形好的1000mm@1200mm 鉆孔灌注樁，止水帷幕采用800mm@550mm 三重管高壓旋噴樁，基坑內部支撐采用兩道支撐+一道換撐（增設換撐主要為了控制隧道主體結構回筑階段基坑變形），其中第一道支撐采用800mm×800mm 鋼筋混凝土支撐，第二道支撐及換撐選用609×16mm鋼支撐。

為減少隧道基坑施工期間對有軌電車橋梁結構的影響，確保有軌電車運營安全，對基坑施工期間采取如下施工措施：

（1） 對鄰近橋樁墩臺側的隧道基坑被動區進行裙邊加固，采用800mm@600mm雙重管旋噴樁裙邊加固，隧道橫向范圍加固寬度為5m，縱向在有軌電車橋梁承臺兩側各延伸5m，加固至坑底以下3m。旋噴樁水泥摻量30%，加固后土體無側限抗壓強度不小于1.0MPa。

（2） 隧道基坑開挖過程中，同一里程位置處左右線基坑同步開挖土體，橋樁兩側均勻卸載，有利于減少橋樁的變形。

（3） 嚴格控制隧道基坑周邊堆放棄土，禁止重物堆載，基坑周邊超載不得超過20kPa。

（4） 坑內設置疏干井，坑外設置一定數量的觀測井兼做回灌井。基坑內地下水位在基坑開挖之前應降至基坑面以下1m。基坑降水應提前基坑開挖不少于20d進行。

（5） 在隧道施工期間，一旦監測發現異常情況及時對橋樁周圍土體進行注漿加固，以控制樁基沉降的發展。

圖1 基坑支護斷面圖（單位：mm）

（6） 基坑設置橫向止水帷幕，分區降水。分區、分塊進行基坑開挖。開挖至坑底后，盡快施工隧道主體結構。

采用理正結構計算軟件對不同開挖工況下基坑變形、周邊地表沉降以及穩定性進行計算，均滿足規范安全穩定要求。其中，圍護結構的最大水平位移為3.39mm，地表最大沉降量7mm，較好地反映了該方案能滿足基坑開挖對鄰近有軌電車橋梁的安全性要求。具體如表2所示。

表2 基坑變形及穩定性計算結構

3 數值模擬

上述計算中僅考慮基坑本身受坑周水土壓力及坑周荷載作用下產生變形和位移，為全面考慮基坑與橋樁相互作用，采用有限元分析方法建立模型來模擬基坑開挖過程中土體與圍護體系間的相互作用，分析基坑開挖引起的橋樁的位移。選用有限元軟件ABAQUS，建立二維模型。考慮模型邊界效應，保證數值模擬的計算精度和計算效果，模型在x 軸（水平）方向取300m；基坑開挖深度為8.4m，在y 軸（豎向）方向取52.5m，確保模型的寬度和深度均滿足基坑開挖卸載效應引起的影響范圍的要求。模型的邊界條件為對土體的左右、底部界面進行x、y雙向約束。為模擬有軌電車橋梁承臺所受上部荷載（考慮橋梁結構自重和上部電車行駛荷載），在承臺施加395kPa的均布荷載。

考慮巖土體具有彈塑性，因此土體的彈性部分選用線彈性模型模擬，塑性部分選用Mohr-Coulomb 模型模擬，此模型采Mohr-Coulomb強度準則，假定σ和τ分別表示土體內某剪切面上一點的正應力和剪應力，考慮土體材料在極限狀態下，剪切破壞面上的σ 和τ的關系可表示：

土體采用Mohr-Coulomb 準則的彈塑性本構模型，其應力空間的屈服表達式：

式中，I1為應力張量的第一不變量；J2為應力偏量的第二不變量；θ為應力羅德角。

對于基坑支護結構及橋梁結構均采用彈性模型模擬。基坑支護結構及橋梁結構見表3。

表3 支護結構及橋梁結構參數

基坑圍護結構與各道內支撐按照綁定關系考慮。有軌電車橋樁基礎、基坑圍護樁與周邊土體均建立摩擦接觸關系，考慮樁身范圍內主要為粉質粘土，摩擦系數取0.35。

有限元計算模擬工況根據現場實際施工工況進行設置，主要分為5個工況，如表4所示。

表4 基坑施工工況描述

重點對基坑的水平位移及既有橋樁的水平變形有限元計算結果作重點分析。

從上圖2 可以看出，基坑圍護結構水平位移整體呈“兩頭小，中間大”狀的變形規律，最大水平位移（6.3mm）發生在坑底附近。分析其原因，只要由于第一道支撐采用混凝土撐，剛度大，較好地限制了基坑頂部附近位移；第二道支撐采用鋼支撐，剛度較小，且與第一道支撐豎向間隔較大，再加上坑底存在隆起等問題。因此基坑開挖過程中及時架設支撐減少基坑暴露時間、開挖至坑底及時進行墊層及底板的澆筑、適當的進行坑底附近被動區的加固等均可有效減少基坑水平變形。

圖2 開挖至坑底基坑圍護結構水平位移

從圖3 可以看出，由于基坑開挖卸載已導致現狀橋樁產生“魚腹狀”彎曲變形，橋樁朝向基坑側的最大水平變形量為5.49mm。基坑開挖范圍內支撐及圍護結構體系剛度大，故橋樁上部水平變形小；基坑底部隆起造成橋樁中部水平位移變大；深部由于巖土層對樁基產生“嵌固”作用，故水平變形較小。

圖3 開挖至坑底處既有橋樁水平變形

綜上所述，根據有限元分析可得，理正結構軟件計算的基坑水平位移（3.39mm）＜有限元軟件計算的基坑水平位移（6.3mm），主要由于理正結構計算軟件僅考慮基坑單側支護結構受到水土壓力及超載作用，而有限元計算分析時考慮了隧道左右線基坑開挖卸載相互影響，與實際情況也更加吻合。此外，橋樁的最大水平變形為5.49mm滿足相關規范及文件所規定對應的限值。

基坑開挖時實施全過程的信息化施工監測，嚴格監控有軌電車橋樁承臺的變形情況和止水帷幕滲漏情況，并對坑周地表沉降和有軌電車橋樁變形（包括墩身沉降、水平位移及傾斜）進行嚴密監測。經監測結果分析反饋，基坑周邊沉降值、橋墩承臺水平位移值，橋墩承臺沉降值，傾斜值均小于設計文件控制值的要求。

4 結語

文中結合具體工程，探究了隧道在緊鄰橋樁情況下，隧道基坑的合理支護結構形式。并借助理正結構軟件和ABAQUS有限元軟件，分析對比了隧道基坑開挖對橋樁的影響，結果表明：

（1） 采用鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁+兩道支撐+一道換撐方案合理、可行。

（2） 理正結構軟件計算的基坑水平位移小于有限元軟件計算結果，主要由于理正結構計算軟件僅考慮基坑單側支護結構受到水土壓力及超載作用，而有限元計算分析時考慮了隧道左右線基坑開挖卸載相互影響，與實際情況也更加吻合。

（3） 既有橋樁的最大水平位移為5.49mm 滿足相關規范及文件所規定對應的限值要求。