深基坑開挖對基坑內外橋臺基礎的變形影響分析

濮黎明, 肖朝昀, 朱浩杰, 黃山景

(華僑大學 土木工程學院, 福建 廈門 361021)

高架橋是城市中一種常見的基礎設施,因獨特的結構形式而具有跨度大、可承受車輛動荷載、變形控制嚴格等特點.由于城市建設的需要,不可避免地會遇到在高架橋周邊進行基坑施工的情況.例如,某新建快速路基坑右線基坑圍護結構距橋樁僅1.53 m[1];福建省平潭試驗區管廊基坑邊線距橋樁的最小距離為3 m[2];福州市某下穿高架橋涵洞基坑距橋樁14 m[3].開挖卸載會引起周邊土體的變形,帶動基坑及其周邊的橋梁基礎隨之變形,從而影響橋梁結構的穩定性.因此,深入研究基坑開挖對鄰近橋梁基礎變形的影響具有重要意義.

目前,對于開挖引起的鄰近橋樁基礎變形的研究主要針對坑外鄰近橋樁,對坑內橋臺基礎的變形規律的研究較少.關于開挖對坑外橋樁基礎變形的影響,一些學者通過理論解析法[4-9]先計算開挖引起坑外位移場的變化,再提出坑外樁基變形的解析解,但由于復雜地層及復雜施工條件的限制,該方法仍需進一步完善.近年來,針對開挖對鄰近橋梁基礎影響的研究主要采用數值模擬方法[10-14],并據此給出主要影響因素、影響范圍及控制手段.丁勇春等[15]依托上海市某下穿城市高架橋梁的地鐵基坑工程,采用Flac 3D有限差分軟件,模擬開挖對橋梁樁基的影響.在此基礎上,采取對帷幕進行180°噴射注漿、底板加固方式,控制基坑圍護結構變形來維護橋樁的穩定,由此取得了較理想的加固效果.梁發云[16]基于Winkler地基梁和樁土協調條件,揭示土體水平變形對控制橋梁樁基變形的影響規律.張驍等[17]依托某地鐵高架線路鄰近工程,采用Plaxis軟件結合HS-Small本構模型,對基坑開挖階段橋樁影響區進行劃分,并將樁基水平變形作為主要變形控制指標.目前,對工程建設中高架橋下穿基坑時,開挖對坑內橋梁基礎變形影響的研究尚不多見,對開挖過程中的變化規律有待進一步研究.基于此,本文以福建省廈門市某下穿快速公交系統(BRT)橋的隧道基坑工程為背景,分析下穿橋梁基坑的變形及其對坑內外橋臺基礎的影響.

1 工程概況

1.1 基坑與橋梁概況

廈門市某明挖暗埋隧道工程在K22+925～K22+985段基坑下穿BRT橋.基坑與橋梁相對位置平面圖,如圖1所示.基坑與橋梁基礎相對位置剖面圖,如圖2所示.

圖1 基坑與橋梁相對位置平面圖Fig.1 Plan view of relative position between foundation pit and bridge

圖2 基坑與橋梁基礎相對位置剖面圖Fig.2 Section view of relative position between foundation pit and bridge foundation

該區段基坑位于高崎南八路與云頂北路交匯處的東側,基坑正上方為既有BRT橋第七聯,其下部為17#～20#橋臺基礎(橋墩、承臺、橋樁),其中,19#橋墩頂部與橋面澆筑在一起,其余橋墩頂部為滑動支座.18#,19#橋墩位于坑內,BRT橋樁均為嵌巖樁,嵌入中風化花崗巖層的深度為2 m.北側坑外20#橋墩和承臺距離基坑圍護結構最近約2.5 m,南側坑外17#橋墩和承臺距離基坑圍護結構約9 m.該區段基坑開挖深度約16 m,基坑寬度約33 m.基坑圍護結構采用Φ1 200@1 200鉆孔灌注樁+內支撐的支護方案,設兩排立柱樁,布置一道800 mm×800 mm混凝土撐+兩道Φ609 mm×16 mm鋼支撐,混凝土撐橫向間距約8 m,鋼支撐橫向間距約4 m.基坑開挖將使坑內橋樁、承臺及上部橋墩逐漸裸露,開挖見底后,坑底至上部橋面達26 m,上部BRT橋在開挖過程中需要保持正常通車營運.

1.2 工程地質條件

根據工程地質勘察報告,該區段基坑圍護樁樁底以上有4層土層,樁底以下有3層土層.第1層為雜填土,回填時間較短,密實度及均勻性較差;第2層為中粗砂,顆粒不均,砂質不純,工程力學性質一般;第3層為粉質黏土,土質較純,具有中等壓縮性,強度一般;第4層為砂質黏性土,天然狀態下的力學強度較好;第5層為全風化花崗巖,呈灰黃或灰白色,除石英以外其他礦物風化為粉末或粘粒,巖體已呈砂土狀,手捏即散;第6層為強風化花崗巖,呈灰黃或灰白色,原巖結構大部分破壞,巖質軟,遇水易軟化,巖芯多呈砂土狀,手捏易碎;第7層為中風化花崗巖,巖芯以柱狀為主,少量碎塊狀,錘擊聲較清脆,較難擊碎.場地土體的物理力學參數,如表1所示.表1中：γ為重度;c為粘聚力;φ為內摩擦角;Es為壓縮模量;μ為泊松比.

表1 場地土體的物理力學參數Tab.1 Physical and mechanical parameters of site soils

2 施工工況

基坑采用明挖法施工,2021年10月13日開挖,2022年1月13日底板澆筑完成,整個開挖過程歷時93 d.基坑從開挖至底板澆筑完成共分為5個階段.

為敘述方便,將K22+925～K22+945記為A區,K22+945～K22+970記為B區,K22+970～K23+020記為C區.基坑施工情況,如表2所示.

表2 基坑施工情況Tab.2 Foundation pit construction situation

3 工程變形監測方案

為了全面掌握開挖過程中基坑變形及其對周邊結構物的影響,在基坑施工過程中,對各分區均設置了圍護結構及周邊環境的監測點.橋梁測點布設在主要影響范圍內的橋梁(17#～20#)上.

基坑測點平面布置圖,如圖3所示.

圖3 基坑測點平面布置圖Fig.3 Layout plan of foundation pit measurement points

橋梁測點平面布置圖和剖面布置圖,分別如圖4,5所示.為了減少誤差,在監測前對所有監測設備進行檢定與校準.

圖4 橋梁測點平面布置圖Fig.4 Layout plan of bridge measurement points

圖5 橋梁測點剖面布置圖Fig.5 Section layout of bridge measurement points

4 基坑變形監測結果與分析

通過K22+945監測段面數據,對基坑開挖各階段變形展開分析.圍護樁側向位移與坑外地表沉降曲線,如圖6所示.圖6中：δh,m為圍護樁側向位移(圍護樁水平位移);He為圍護墻深度;D為地表測點與基坑邊緣的距離;Δs為坑外地表沉降(墻后土體沉降).由圖6可知：圍護樁側向位移和坑外地表沉降曲線與文獻[18]中廈門地區內支撐式基坑變形特征一致,圍護結構側向變形呈凸肚形,墻后地表形態大致呈三角形或凹槽形,可驗證基坑圍護結構變形監測結果的合理性;開挖至坑底后,斷面圍護樁最大側向位移為20.15 mm,最大沉降量為7.55 mm,最大側向位移未超過GB 50497-2019《建筑基坑工程監測技術標準》的0.2%H～0.3%H(H為基坑開挖深度)的控制值32～48 mm.

圖6 圍護樁側向位移與坑外地表沉降曲線Fig.6 Curves of lateral displacements of retaining piles and surface settlements outside pit

圍護樁水平位移在各工況下的變化曲線(CX6施工損壞),如圖7所示.

(a) CX1 (b) CX2 (c) CX3

在階段1,2,由于放坡和淺開挖,圍護樁側向變形很小,隨著開挖深度的增大,圍護樁水平位移顯著增大.在階段3,圍護樁最大水平位移均增大至10 mm左右,但CX4處最大水平位移為17.06 mm,明顯大于北側圍護樁變形,這是由于該階段施工過程中封堵墻外側有臨時堆土,進一步擠壓墻體和外側土體,使樁身外側主動土壓力增大.相較于階段2,3,階段4的南側圍護樁水平位移增大更加顯著,由階段3的15.76 mm增大至階段4的28.91 mm.原因可能有以下2點：1) 受施工次序的影響,南側CX5處圍護樁在開挖后暴露時間更長,坑外土體產生更多蠕變;2) 南側土體在基坑施工前剛施作完成雨水箱涵,墻后回填土體不密實,加劇了土體的蠕變.階段5在開挖見底并澆筑底板后,圍護樁水平位移得到有效約束,這是由于底板的澆筑增強了圍護結構的整體剛度,限制了圍護樁水平位移的進一步發展.

5 坑外橋臺基礎變形結果與分析

5.1 豎向位移分析

通過橋墩豎向位移測點數據分析坑外20#橋臺的豎向位移,位移變化曲線(17#測點因施工原因破壞),如圖8所示.圖8中：δv,m為橋墩豎向位移.由圖8可知：開挖初期,坑外橋墩豎向位移變化小,最大沉降量約為0.6 mm,坑外橋墩的豎向變形隨著開挖深度的增大逐漸由沉降轉為隆起,最大隆起(2.8 mm)發生在開挖至坑底后的測點QDC-9處,坑外橋墩的豎向變形是樁底以上部分土體隆起及地表以下一定區域內土體沉降綜合作用的結果;開挖階段2由于卸荷量較小,鄰近運土通道,橋樁周邊土體隆起值小于沉降值,隨著開挖深度的增加,階段3,4土體隆起區域逐漸擴大,導致坑外橋墩產生隆起變形.

圖8 坑外20#橋臺豎向位移變化曲線Fig.8 Vertical displacement variation curves of 20# abutment outside pit

坑外20#橋臺差異沉降變化曲線,如圖9所示.圖9中：差異沉降變化通過累計變化量δds進行量度,此處δds為測點QDC-9與QDC-10豎向位移的差值(δv,m(QDC-9)-δv,m(QDC-10)).由圖9可知：當開挖深度增大后,更靠近基坑處的測點QDC-9隆起值更大,差異沉降最大為1.58 mm.

圖9 坑外20#橋臺差異沉降變化曲線Fig.9 Differential settlement variation curves of 20# abutment outside pit

5.2 水平位移分析

通過橋墩水平位移測點數據分析垂直與平行基坑方向坑外橋臺的水平位移,水平位移變化曲線分別如圖10,11所示.圖10,11中：δvp,h,δpp,h分別為垂直與平行基坑方向的坑外橋墩水平位移.

圖10 垂直基坑方向坑外橋臺水平位移變化曲線Fig.10 Horizontal displacement variation curves of abutment outside pit perpendicular to direction of foundation pit

圖11 平行基坑方向坑外橋臺水平位移變化曲線Fig.11 Horizontal displacement variation curves of abutment outside pit parallel to direction of foundation pit

由圖10,11可知：在開挖過程中,坑外橋墩水平位移隨開挖深度的增大而增大,且坑外橋墩在垂直基坑方向上呈現朝坑內整體平動的趨勢,在平行基坑方向上則呈現相向而動的規律;基坑開挖至坑底后,在垂直基坑方向,坑外17#橋墩最大水平位移為10.8 mm,20#橋墩最大水平位移為6.9 mm,在平行基坑方向上,17#橋墩最大水平位移為5.1 mm,20#橋墩最大水平位移為3.6 mm.顯然,坑外橋墩的變形主要發生在垂直基坑方向,即側向變形上,與文獻[11,17]中基坑開挖對坑外橋樁的影響主要集中在側向位移上的結論一致.

坑外橋墩側向位移(δy,m)與圍護樁最大側向位移(δh,m,max)的關系曲線(坑外17#橋墩對應的圍護樁取測點CX5),如圖12所示.

圖12 坑外橋墩側向位移與圍護樁最大側向位移的關系曲線Fig.12 Relationship curves between lateral displacements of piers outside pit and maximum lateral displacements of retaining piles

由圖12可知：坑外橋墩的側向位移與圍護樁最大側向位移的變化趨勢相同,說明垂直基坑方向與基坑開挖卸載的主要方向相同,均由坑外土體朝向坑內位移從而推動圍護樁及坑外橋樁產生朝向坑內的位移,進而引起橋墩變化.此外,應當注意到17#橋墩距基坑稍遠,但其側移量卻大于距基坑邊緣稍近的20#橋墩,這是在開挖前17#橋墩至基坑邊緣間剛施作完成的雨水箱涵回填不密實所致,土體更易在開挖卸載下朝向坑內移動,與前述基坑南側圍護樁測點CX5處樁身水平位移值偏大的結果一致.

6 坑內橋臺基礎變形結果與分析

6.1 豎向位移分析

通過橋墩和承臺豎向位移測點數據分析開挖過程中坑內橋臺的豎向位移,豎向位移變化曲線如圖13,14所示.由圖13,14可知：坑內橋墩與承臺在豎向位移上的變化規律一致,坑內橋墩與承臺隨開挖深度的增大而逐漸隆起,這是坑內土體開挖卸載回彈所致;階段1,2開挖深度在6.7 m以內時,由于土體卸荷小,坑內橋臺豎向位移變化不大,坑內橋臺隆起值在2 mm左右;進入階段3,4后,受土體開挖卸載作用影響,橋臺隆起進一步增大,坑內18#橋墩豎向位移增大1.77 mm,19#橋墩豎向位移增大2.42 mm;在階段5墊層底板澆筑完成后,坑內土體的隆起受到抑制,從而有效限制坑內橋臺的豎向隆起,坑內橋臺豎向位移趨于穩定,18#橋墩最大隆起為4.34 mm,19#橋墩最大隆起為4.24 mm.因此,當開挖深度較大時,應盡快施作墊層底板,以減小基坑開挖對坑內橋臺豎向變形的影響.

圖13 18#橋臺豎向位移變化曲線Fig.13 Vertical displacement variation curves of 18# abutment

圖14 19#橋臺豎向位移變化曲線Fig.14 Vertical displacement variation curves of 19# abutment

坑內橋臺差異沉降變化曲線,如圖15所示.由圖15可知：坑內18#橋墩差異沉降在0附近波動,幾乎未發生差異沉降,而19#橋墩呈現由基坑南側朝向北側的傾斜,最大差異沉降為2.26 mm.這是由于19#橋臺基礎更靠近基坑中心,下部橋樁由于基坑開挖產生不均勻隆起,導致上部橋臺出現朝向北側的差異沉降.

圖15 坑內橋臺差異沉降變化曲線Fig.15 Differential settlement variation curves of abutments in pit

從測點中選取8個監測點(監測點1～8)分析坑內18#,19#橋臺周邊豎向位移增量(δinc,v),結果如圖16,17所示.由圖16,17可知：18#橋墩和承臺在階段3的豎向位移增量最大(約為2.2 mm),19#橋墩和承臺在階段2的豎向位移增量最大(約為1.7 mm),但在開挖深度更大的階段4,其豎向位移增量均相對較小,但坑內立柱豎向位移未見類似規律.原因可能有以下2點：一是雖然坑內橋臺基礎受土體開挖卸載回彈的影響向上隆起,但仍受到上部橋梁結構的約束作用,特別是在開挖深度較大時,橋臺基礎的隆起受到橋面的約束越強;二是坑內橋樁在開挖過程中逐漸裸露,裸露部分樁側荷載轉移至下部樁側與樁端承擔,橋樁端部土體對樁基的約束進一步增強,限制了橋臺隆起速率的加快,坑內立柱的隆起則主要受到圍護支撐結構自重、基底土的回彈作用及施工荷載等影響.

圖16 坑內18#橋臺周邊豎向位移增量Fig.16 Vertical displacement increments around 18# abutment in pit

圖17 坑內19#橋臺周邊豎向位移增量Fig.17 Vertical displacement increments around 19# abutment in pit

6.2 水平位移分析

通過橋墩和承臺水平位移測點數據分析垂直和平行基坑方向坑內橋臺的水平位移,水平位移變化曲線如圖18,19所示.圖18,19中：正值表示自坑中心朝向18#橋臺的垂直方向;負值表示自坑中心朝向19#橋臺的垂直方向.

圖18 垂直基坑方向坑內橋臺水平位移變化曲線Fig.18 Horizontal displacement variation curves of abutment in pit perpendicular to direction of foundation pit

圖19 平行基坑方向坑內橋臺水平位移變化曲線Fig.19 Horizontal displacement variation curves of abutment in pit parallel to direction of foundation pit

由圖18,19可知：在整個開挖過程中,坑內橋臺在垂直基坑方向上出現穩定增大的水平位移,這與基坑卸載方向一致,在平行基坑方向上水平位移則波動變化.值得注意的是,在階段4開挖至坑底時(12月23日-12月25日),18#橋墩和承臺各測點水平位移同時出現陡然增大,這是現場對樁周土體的非對稱開挖所致,18#下部橋樁北側土體先于南側土體挖除,致使橋樁基礎受到南側未挖去土體的擠壓作用,進而導致上部承臺與橋墩的水平位移的變化速率陡然增大.因此,開挖時應當著重注意坑內橋臺垂直基坑方向的水平位移,坑內橋樁周邊土體開挖宜采用對稱開挖,以減少對橋樁的水平變形的影響.開挖至坑底后,在垂直基坑方向,18#橋墩最大水平位移為10.7 mm,19#橋墩最大水平位移為3.8 mm;在平行基坑方向,18#橋墩最大水平位移為2.7 mm,19#橋墩最大水平位移為2.0 mm.兩坑內橋臺水平位移的明顯差異是因為坑內兩橋臺基礎與上部橋面的連接方式略有不同,19#橋墩為制動墩,橋面與橋墩共同澆筑,能夠承受上部結構傳來的水平力,比18#橋墩具有更強的抵抗水平變形的能力.

通過橋墩和承臺水平位移測點數據分析18#,19#橋臺水平變形與開挖深度的關系,結果如圖20,21所示.圖20,21中：X向為平行于基坑的方向;Y向為垂直于基坑的方向.由圖20,21可知：在開挖過程中,橋墩下部的平面位移與承臺中心的位移基本一致,即坑內橋墩下部與承臺在平面上發生整體變形;坑內橋臺的水平位移變化速率增大主要集中在開挖深度較大的12～16 m的過程中,最大水平位移主要發生在Y向,相較于19#橋墩和承臺,18#橋墩和承臺在該階段的水平位移變化速率變化偏大.這是由于該位置處橋樁周邊土體開挖不對稱,使逐漸裸露的橋樁承擔了額外的土體側向壓力.

圖20 18#橋臺水平變形與開挖深度的關系Fig.20 Relationship between horizontal deformations and excavation depths of 18# abutment

圖21 19#橋臺水平變形與開挖深度的關系Fig.21 Relationship between horizontal deformations and excavation depths of 19# abutment

開挖至坑底后,下穿BRT橋范圍內17#～20#橋墩在兩個方向上水平位移的平面圖,如圖22所示.由圖22可知：雖然坑內外橋墩在開挖過程中均產生了較大的垂直基坑方向的水平位移,但其整體的平面變形仍以平行橋面方向的順橋向變形為主,在垂直橋面方向的橫橋向變形相對較小,這說明在基坑開挖影響下,下穿區域內橋墩沿橋面方向出現了一定的滑移.

(a) 平行與垂直基坑方向 (b) 平行與垂直橋面方向圖22 橋墩水平位移平面示意圖Fig.22 Plan sketch of horizontal displacements of piers

7 結論

1) 深基坑開挖過程中,坑外橋臺基礎在豎向上呈現先略微沉降后隆起的趨勢,這是由樁底以上部分土體隆起及地表以下一定區域內土體沉降共同作用的結果,開挖初期,最大沉降約為0.6 mm,開挖至坑底后,坑外20#橋墩最大隆起為2.8 mm,最大差異沉降為1.58 mm.

2) 坑外橋墩的水平變形主要發生在垂直基坑方向上,表現為朝向坑內位移.鄰近箱涵開挖回填不密實導致開挖卸載時基坑與坑外橋樁間土體更易朝向坑內移動,距基坑邊緣更遠的坑外17#橋墩的側向位移比鄰近的20#橋墩更大.開挖至坑底后,17#,20#橋墩最大側向變形分別為10.8,6.9 mm.

3) 開挖過程中,逐漸裸露的坑內橋墩與承臺在豎向位移上變化規律一致,均受坑內土體卸載回彈影響隨開挖深度的增大而逐漸隆起,開挖見底后,盡快澆筑底板、墊層可以有效抑制坑內橋臺基礎的隆起,最終18#橋墩最大隆起為4.34 mm,19#橋墩最大隆起為4.24 mm.

4) 開挖過程中,坑內橋臺基礎在平面位移上為整體變形,水平變形均以垂直基坑方向變形為主;坑內橋臺在垂直基坑方向上出現穩定增大的水平位移,在平行基坑方向上呈現波動變化的規律.在垂直基坑方向上,18#,19#橋墩最大水平位移分別為10.7,3.8 mm.整體而言,基坑開挖影響使下穿區域內坑內外橋臺基礎沿橋面方向出現了一定的滑移,平面變形以平行橋面方向的順橋向變形為主.