明挖基坑對高鐵高架橋墩變形的影響研究

陸敬松

（安徽鐵建工程有限公司，安徽 蚌埠 233040）

0 引言

隨著我國高鐵網絡的不斷拓展與延伸，在高鐵橋墩附近進行基坑開挖的案例越來越多[1-3]。基坑開挖誘發周邊土體產生位移，進而引起鄰近高鐵橋墩的承臺、樁基礎產生一定的位移。高鐵對橋墩沉降要求極為嚴格，當基坑開挖誘發的變形達到一定數值時，將影響高鐵運營的舒適性與安全性。因此，降低基坑開挖對鄰近高鐵橋墩的影響，確保高鐵線路的安全運營，是基坑施工的關鍵問題[4,5]。

本文以某實際工程為背景，基于有限元方法分析了基坑施工不同階段高鐵橋墩的水平位移與豎向沉降，考察基坑開挖對高鐵橋墩的影響，為確保高鐵的安全運營提供技術參考。

1 橋墩水平位移與豎向沉降的有限元計算模型

某高鐵相鄰橋墩中心距32.0m，承臺長寬高為12.3m×8.6m×3.0m，承臺底部設置11根鉆孔灌注樁，樁徑1.25m、樁長68m。隨著經濟發展需要，需在高鐵相鄰橋墩中間新建下穿公路隧道。

公路隧道采用U型槽結構，基坑開挖深度為6.5m，寬度為17.4m。圍護結構采用Φ1000mm間距1100mm的鉆孔灌注樁，樁長20.0m。在鉆孔灌注樁的外側還設置高壓旋噴樁，樁長16.0m，直徑Φ600mm，間距500mm。圍護樁頂部設置冠梁，采用Φ609mm鋼管支撐，支撐間距4.0m。不妨把基坑兩側的高鐵橋墩標記為橋墩A與橋墩B，橋墩A的承臺邊緣距基坑3.5m，橋墩B的承臺邊緣距基坑2.5m，見圖1所示。

圖1 基坑與相鄰高鐵橋墩位置示意圖

根據地勘報告，從上至下各土層為：①雜填土，②砂質粉土，③淤泥質粉質黏土，④粉質黏土，⑤粉質黏土，⑥砂質粉土,⑦粉砂。采用小應變土體硬化（HS-Small）本構模型對各土層進行模擬，主要計算參數見表1。

表1 土層計算參數

現建立三維值模型，抗滑樁等效為板單元，軸向剛度EA=2.44E7kN/m、抗彎剛度EI=1.339E6kN·m2/m。鋼支撐用梁單元（beam）進行模擬，樁基礎用“Embedded樁”單元進行模擬。橋墩上受到的高鐵荷載等效為均布荷載作用在承臺上。基坑及橋墩結構的建模情況見圖2所示，網格剖分情況見圖3。

圖2 基坑與橋墩建模示意圖

圖3 有限元網格剖分（隱藏部分土體）

有限元模擬的施工順序為：（1）初始地應力平衡；（2）激活高鐵橋墩的樁基礎、承臺與均布荷載；（3）激活基坑圍護結構的板單元，位移清零；（4）開挖至-1.0m；（5）激活鋼支撐；（6）開挖至-3.0m；（7）開挖至-5.0m；（8）開挖至坑底設計標高；（9）激活坑底板單元，代表澆筑基坑底板；（10）拆除鋼支撐，開展后續施工。

2 計算結果分析

底板澆筑完畢時，基坑土體的水平位移（即x方向位移）如圖4所示。可見，此時土體水平位移最大值位于基坑坑底附近，達到10.0mm。

圖4 底板澆筑后土體的水平位移分布云圖

拆除鋼支撐后，土體水平位移等值線分布如圖5所示。可見，鋼支撐拆除后，土體水平位移位于抗滑樁頂部附近。

圖5 支撐拆除后土體水平位移等值線分布圖（單位:mm）

不同施工階段的圍護樁水平位移分布如圖6所示。在鋼支撐未拆除前，由于鋼支撐的對撐作用，圍護樁樁頂的水平位移非常小，僅為0.9mm左右，為鋼支撐的彈性變形。開挖至坑底時，圍護結構水平位移最大值位于坑底位置處，為6.6mm。鋼支撐拆除后，圍護結構發生較大的水平位移，樁頂水平位移達到14.33mm。

圖6 橋墩B附近圍護樁水平位移分布

該基坑深度雖然不大，但兩側毗鄰高鐵橋墩，土體過大變形對周邊環境影響很嚴重，故安全等級定為一級，其樁頂水平位移控制要求為0.2%h(h為基坑開挖深度)，即為13.0mm。上述計算得到拆除鋼支撐后樁頂水平位移達14.33mm，是在未考慮U型槽剛度貢獻條件下的結果。實際工程中，在底板澆筑完畢后再進行U型槽施工，待U型槽（鋼筋混凝土結構）強度達到一定值后再拆除鋼支撐，其水平位移值能符合規范要求。

計算還表明，鋼支撐拆除后，橋墩B一側的圍護樁樁頂水平位移比橋墩A一側的圍護樁樁頂水平位移小0.52mm。這是由于橋墩B與圍護樁之間的距離更近，對于該側的圍護樁而言，其周邊土體與橋墩B綜合后的總體剛度更大，對該側圍護樁有利，因而其水平位移更小。而對于橋墩A一側的圍護樁而言，橋墩A離其相對較遠，對周邊土體綜合剛度的提高作用減弱，導致其水平位移偏大。

不同施工階段的鋼支撐軸力分布如圖7所示。可見，隨著基坑開挖深度的增大，鋼支撐軸力越來越大，底板澆筑時鋼支撐軸力達到621.2kN。

圖7 各施工階段鋼支撐的軸力分布

基坑開挖過程中，不僅需關注基坑圍護結構的變形是否滿足規范要求，還需關注基坑開挖對鄰近高鐵橋墩的影響。計算得到不同施工階段兩個橋墩承臺頂部中心點位置處的變形情況，如表2所示，表中各施工階段數據為累計變形數據。可見，鋼支撐拆除后，橋墩A的水平位移為2.85mm、豎向沉降為1.336mm，橋墩B的水平位移為3.41mm、豎向沉降為1.68mm。由于橋墩B離基坑距離更近，其受基坑開挖卸荷影響更大，故其水平位移值與豎向沉降值均更大。

表2 基坑開挖誘發的橋墩變形

根據《高速鐵路設計規范》（TB10621-2014），無砟軌道路基工后沉降量應符合扣件調整能力和線路豎曲線圓順的要求，路基的工后沉降不宜超過15mm，路基與橋梁、隧道或橫向結構物交界處的工后沉降差不應大于5mm，不均勻沉降造成的折角不應大于1/1000。基坑開挖誘發各橋墩產生的傾斜如表3所示，承臺沉降差與傾斜均在規范允許范圍內。需要說明的是，規范所指的沉降差與傾斜限值應包括工后沉降與基坑開挖誘發的沉降兩部分。本文計算結果僅為基坑開挖誘發橋墩產生的變形，至于高鐵橋墩運行期間已產生的工后沉降，應由工前檢測提供。

表3 基坑開挖誘發的承臺傾斜

基坑開挖誘發高鐵橋墩樁基礎產生的水平位移變形趨勢如圖8所示。

圖8 支撐拆除后橋墩樁基礎的水平位移趨勢圖(放大800倍)

由圖8可見，樁基礎均向基坑開挖面發生側移。橋墩A靠近基坑最近一排樁的水平位移為2.71mm，最遠一排樁的水平位移為2.68mm；橋墩B靠近基坑最近一排樁的水平位移為3.24mm，最遠一排樁的水平位移為3.20mm。樁基礎的水平位移相對較小，說明基坑開挖對橋墩影響非常小。

綜上所述，由于基坑開挖深度較小，且圍護樁樁徑與長度相對較大，基坑總體剛度較大，對周邊土體及既有高鐵橋墩影響較小。鑒于巖土工程的復雜性與不確定性，基坑施工過程中應加強對高鐵橋墩的變形監測，若發現異常應及時處治，確保既有高鐵線路的安全運營。

3 結束語

該新建下穿公路隧道從兩相鄰高鐵橋墩之間穿過，距橋墩承臺最近距離為2.5m。本文基于三維有限元法考察了基坑開挖對高鐵橋墩的影響，計算表明基坑施工導致橋墩產生的水平位移最大值為3.41mm、豎向沉降最大值為1.68mm，橋墩樁基礎的水平位移最大值為3.24mm，承臺的沉降差與傾斜均非常小，各值均在規范允許范圍內。基坑施工過程中應加強對高鐵橋墩的變形監測，若發現異常應及時處治，以確保既有高鐵線路的安全運營。