橋梁基坑施工關鍵技術及變形控制研究

毛穎斌

（中鐵十八局集團第五工程有限公司 天津 300459）

隨著經濟發展和科技的進步，對基礎建設的投入不斷加大，為提高橋梁結構的施工質量，經常出現一些深基坑支護結構[1-5]。整體來看，橋梁工程支護結構一般深度較大，一旦出現事故，將會出現嚴重的損失。如何預測橋梁基坑結構變形，確保基坑工程的安全成為設計與施工階段的關鍵問題。

在橋梁工程深基坑施工過程中，需綜合考慮周邊區域地質情況，確定合理的開挖深度和支護形式尤為重要，已有研究人員對此方面問題進行了探討。齊永生、王雷[6]基于彈性支點法對橋梁支護結構進行了有限元分析，并編制了相應的計算程序。肖雨晨[7]依托工程實例對深水湖區深大橋梁基坑施工技術進行了總結和分析，為同類深水湖區施工提供了經驗。馮玉松[8]結合工程實際對大型橋梁深基坑常見支護形式及其特點進行了總結，并對各種支護施工方案進行了對比分析。

本文基于北京市東六環（京哈高速～潞苑北大街）改造工程，對施工過程中的關鍵工藝進行了闡述，并基于數值模擬和現場實測方法對工程案例進行了分析，研究結果可為類似工程提供參考和借鑒。

1 工程背景

北京市東六環（京哈高速～潞苑北大街）改造工程，需新建SW匝道橋1座，該橋全長573.9 m，SW匝道橋橫跨六環路（見圖1），SW14#墩橋梁下部施工時需占用六環路內外側車道，采用明挖基坑形式，基坑長度為8.5m，寬度為4.0 m，開挖深度為4.8 m，基坑設計采用拉森鋼板樁作為支護結構，如圖2所示。

圖1 SW匝道橋施工平面示意圖

圖2 基坑開挖平面布置圖

SW14#墩橋梁下部結構為雙矩形墩臺，承臺高度為2.85 m，承臺下接2根直徑為1.8 m的樁基礎，樁長為28.15 m，如圖3所示。

圖3 橋梁下部結構設計示意圖

2 關鍵施工工藝

2.1 打設鋼板樁

鋼板樁打設前，需要根據設計方案，測量放樣鋼板樁中心點及承臺開挖邊線位置，鋼板樁打設范圍為每個承臺結構邊緣外側0.5 m，打設深度為承臺底下5 m，即嵌入段深度為5 m，如圖4所示。打設過程中，需檢查樁-樁之間相互咬合情況。

圖4 鋼板樁布設斷面圖

2.2 承臺開挖

基坑開挖采用機械+人工配合的方式，基坑開挖時應保證基坑的穩定性，機械開挖至坑底，須預留20 cm進行人工清槽，防止基底擾動。

土方須隨挖隨運，嚴禁在坑邊堆載，開挖過程中需做好鋼板樁水平位移和地表沉降監測，基坑施工完成后須及時設置圍擋。

2.3 樁基施工及檢測

橋樁直徑為1.8 m，采用鉆孔灌注樁施工工藝，樁基施工時需采用泥漿護壁或鋼護筒防護，防止塌孔。待灌注混凝土達到設計強度后鑿除樁頭，樁頭采用環切法破除。

由于樁基為鉆孔灌注樁，且樁徑大于1.5 m，需采用超聲法和低應變法對灌注樁完整性和承載力進行檢測，檢測的數量和方法應符合規范要求。

2.4 澆筑墊層

墊層采用C15混凝土，高度為10 cm，尺寸為承臺四周各加寬10 cm。模板可采用10×10 cm方木支設，立鋼釬固定。墊層澆筑前，基底應清理干凈，不得有雜物。墊層澆筑要均勻、平整，振搗要密實，墊層表面應保持粗糙。

2.5 承臺施工

現場按設計圖紙對鋼筋進行綁扎、焊接，按圖紙尺寸分塊制作模板，模板支設完成后，及時澆筑承臺，承臺采用C35混凝土，承臺澆筑時留取同條件的試塊，當試塊強度達到5 MPa時，方可進行模板拆除。

為避免混凝土脫水干裂，承臺澆筑后需及時養護，養護方法為灑水養護。終凝前，在承臺頂面采用薄膜覆蓋養生，養護時間不少于7 d。

2.6 土方回填及灌縫處理

承臺及墩柱施工完畢后回填土方，采取分層回填夯實法，嚴格控制每層回填厚度在20 cm以內，嚴禁使用淤泥質土或含雜質較多的土。土的含水量宜為最佳含水量±2%。施工采用沖擊夯夯實，不得漏夯，基槽邊角應增加夯實遍數，以確保回填壓實度。

土方回填后進行鋼板樁的拔除，采用35 t吊車與振動錘配合進行，鋼板樁拔除后及時做灌縫處理，灌縫材料采用水泥凈漿，配合比宜為1:0.5，水泥標號不低于42.5。

3 數值計算及結果分析

有限元法被廣泛運用于地下結構施工的計算分析，本文采用Midas GTS軟件分析施工過程中應力及變形，可以為同類工程提供參考和借鑒。

2.1 數值模型

針對工程設計方案，考慮到現場實際情況，建立二維計算模型，場地計算長度取80 m，高度取為40 m，采用二維平面應變單元，模型中的土體假定為修正摩爾-庫倫模型，模型底部設置Y方向位移約束，側面設置X方向水平約束，數值計算模型如圖5所示。

圖5 有限元三維模型

2.2 計算參數

依據本工程地質勘察報告并參照地區相關工程經驗，地層物理力學參數取值見表1，橋墩與樁基采用平面應變單元模擬，假定支護結構為線彈性模型，結構計算參數見表2。

表1 土層計算參數

表2 結構計算參數

2.3 計算結果

施作大型橋梁結構需開挖基坑，施工過程中應控制圍護結構水平位移及地表沉降，從而保證基坑邊坡的穩定性。

2.3.1 圍護結構變形

圍護結構水平位移隨深度的變化曲線如圖6所示，由圖6可知，圍護結構水平位移隨鋼板樁深度的增加而減小，基坑開挖且未施作橫撐時，會圍護結構頂部產生較大變形，最大值為2.63 mm，支護結構底部，由于土層的嵌固作用，拉森鋼板樁水平位移較小。水平位移的主要影響區域約為2倍基坑深度。

圖6 圍護結構水平位移

2.3.2 地表沉降

根據工程經驗可知，地表沉降主要分為兩種類型，一種為三角形地表沉降，一種則為槽形沉降。基坑周邊土體沉降曲線如圖7所示。根據圖7可知，地表沉降曲線呈現出先增大后減小的沉降槽，最大沉降位于基坑邊約0.6倍基坑深度，最大沉降為1.73 mm。

圖7 地表沉降曲線

4 現場實測

為確保施工質量，對施工過程進行了監測，以及時調整設計參數和施工技術。現場對地表沉降及鋼板樁水平位移進行了監測，監測頻率為1次/天，測點布置見圖8。

圖8測點布置示意圖

圖9 為各測點地表沉降實測曲線，圖10為鋼板樁水平位移實測曲線。

圖9 地表沉降實測曲線

圖10 圍護結構水平位移實測曲線

由圖9監測數據可知，隨著開挖工況的持續，地表沉降總體呈現增大趨勢，最大值出現的時刻為基坑開挖至坑底，地表沉降最大值位于測點1位置，數值為1.69 mm，數值計算表明地表沉降最大值為1.73 mm，與實測值相差不大。

由圖10可知，鋼板樁水平位移隨著開挖工況的進行持續增大，最大水平位移為2.6 mm，為監測點SL1，數值計算結果為2.63 mm，數值計算結果可預測整體的變形趨勢，可用于指導工程施工。

5 結語

基于北京市東六環（京哈高速～潞苑北大街）改造工程，對橋梁基坑關鍵施工工藝進行了總結，通過數值模擬與現場監測的方法對基坑變形進行了研究分析，得出以下結論：

（1）基坑開挖后圍護結構水平位移隨鋼板樁深度的增加而減小，圍護結構頂部變形較大，最大為2.63 mm，由于土層的嵌固作用，拉森鋼板樁底部位移較小。

（2）地表沉降曲線為先增大后減小的沉降槽，最大沉降位于基坑邊約0.6倍基坑深度，最大沉降為1.73 mm。

（3）實際工程中與數值模擬計算結果整體趨勢較為一致，數值計算結果與現場實測差異較小，數值計算可以預測整體的變形趨勢。

（4）橋梁基坑涉及多個施工工藝和施工步驟，現場施工應符合規范要求，配合施工監測對全過程進行控制，可有效指導現場施工。