海上堰筑隧道施工對臨近橋梁影響研究

饒立恒，崔佳杰，周世軒，莫山峰，杜 賀

(1.深圳市交通公用設施建設中心建設管理部,廣東 深圳 518000; 2.深圳市市政設計研究院,廣東 深圳 518000; 3.大連理工大學土木建筑設計研究院有限公司,遼寧 大連 116024; 4.大連理工大學建設工程學部,遼寧 大連 116024)

0 引言

隨著經濟發展和城市化水平提高,我國的土木工程又有了新一輪的發展,伴隨著人口的不斷增長,我們可利用的地面空間越來越少,無法滿足人們對建筑及交通設施的需求,各類基礎設施建設逐漸向地域延伸,地上建筑物更高大,地下結構更深遠,從而達到節省空間的目的。地下道路與地上道路交叉并行,基坑與高層建筑和橋梁的樁基礎相鄰的現象隨之出現。例如北京財源國際中心,基坑北側距居民樓僅3.36 m,西側距24層的麗晶苑6.9 m,基坑開挖深度為24.86 m～26.56 m。北京銀泰中心距離北側地鐵基坑圍護墻僅1.95 m～2.13 m,開挖最深部位22.95 m。青島市地鐵8號線市民健身站,車站標準段基坑南鄰高新一號橋,橋臺距離基坑約5.73 m[1]。樁基礎受到基坑開挖時土體位移不同程度的擾動產生縱向不均勻沉降,對橋梁上部結構安全造成威脅,引發路面結構下沉、地下管線破壞等不利現象,基坑工程為鄰近建筑物帶來的破壞及損失受到人們廣泛關注。

國外學者在20世紀中葉已對深基坑變形問題進行了大量的研究,并取得了一定成果,當土地利用率逐漸增大,越來越多的下穿工程出現和建筑密度增大的情況普遍存在,基坑變形對鄰近既有橋樁的影響研究也隨之逐漸增多。C.J.Lee與S.W.Jacobsz[2]通過數值模擬研究了在風化殘積土中施工隧道對既有樁基的影響,考慮了樁與隧道的位置對樁基性狀的影響。H.G.Poulos等[3]人采用兩階段分析法研究了黏性土中各參數對樁身響應的影響及開挖引起樁側移過程的支護開挖方法。J.L.Pan等[4]研究單樁在側向土運動下的性能,確定沿樁身作用的極限土壓力及內力位移變化特征,證明了樁基在樁土相互作用的影響下,樁基的響應與樁本身結構材料性質有很大關系。陳福全等[5]運用有限元軟件模擬了在不同開挖深度、不同樁基和支護樁剛度、樁基與開挖面距離、樁長等因素對單、雙排樁水平位移和附加彎矩的影響規律。畢繼紅等[6]對某群樁高速鐵路附近基坑建立了三維和二維有限元模型,比較了各自的優、劣勢,表明基坑開挖豎向位移與規范要求相差甚遠,可用二維模型簡化計算,簡化了某些問題的分析過程。楊敏等[7]研究剛性樁在土體卸載后回彈產生側摩阻力的分布,分析了樁的位移、樁徑、樁長、開挖深度等因素間的相互影響關系,對勻質土中開挖引起的立柱回彈位移提出一種新的估算方法。

在以往的研究中,專門針對海上鋼板樁圍堰法隧道施工對連續小箱梁安全性影響方面缺少相應的研究,因此本文結合工程實際開展海上鋼板樁圍堰明挖隧道施工對臨近連續小箱梁橋影響的研究,給出此類工程的研究思路以供參考。

1 項目背景

本文以某地區沿江高速為工程背景,規劃中的海濱大道毗鄰現狀沿江高速,海濱大道全線分為海域隧道段、路域隧道段、地面道路以及遠期高架橋。

根據海域段隧道的平面與縱斷面設計方案,第一典型斷面T-1位于K2+100里程處,該斷面臨近沿江高速第Ⅳ標段第14聯橋64號橋墩。該斷面地處海岸線,需考慮滲流。該處為海域段隧道距離沿江高速距離最近的位置,隧道邊緣距離沿江高速內側橋樁約為32 m,開挖深度15 m,該位置開挖段存在淤泥等軟弱地層,且淤泥層厚達5 m,地質條件不佳。

綜合比較土石圍堰明挖法和雙排鋼板樁圍堰明挖法在對沿江高速的影響、清淤與土石方堆填量、圍堰堆載清淤影響、施工難度與風險、工程造價等方面的優劣,雙排鋼板樁具備較明顯的優勢,因此本項目基坑開挖采用雙排鋼板樁圍堰明挖法施工。

本文將以該工程典型斷面T-1為例,如圖1所示,對該斷面對應的隧道基坑開挖過程展開分析研究,并對既有的廣深沿江高速第Ⅳ標段第14聯橋(5×30 m簡支變連續預制小箱梁)變位安全性進行評價分析。

廣深沿江高速第Ⅳ標段第14聯橋為5 m×30 m簡支變連續預制小箱梁,橋寬19.85 m,下部結構是由蓋梁、橋墩、承臺、樁基組成的框架體系,橋墩采用變截面形式,墩頂截面橫橋向寬2.3 m,順橋向寬1.5 m,自墩頂向下4 m范圍內,通過半徑10.4 m的圓曲線均勻過渡為橫橋向寬1.5 m,順橋向寬1.5 m的矩形截面。橫斷面布置圖如圖2所示。

2 原橋安全驗算

根據已知設計資料,采用Midas civil有限元軟件,利用梁格法建立沿江高速第14聯橋梁上、下部結構三維整體模型,承臺用有厚度的板單元,其余結構均用梁單元模擬,5×30 m小箱梁連續梁橋有限元模型如圖3所示,有限元模型共2 689個單元,2 558個節點。對沿江高速第Ⅳ標段第14聯的原橋受力性能分析結果,如圖3所示。

由表1可知,經驗算橋梁上部結構應力及承載能力均滿足規范對A類預應力混凝土的規定限值,但主拉應力即將達到規范限值,確定主梁受力控制指標為主拉應力。

表1 原橋受力性能評價表

3 海上鋼板樁圍堰明挖隧道施工對臨近連續小箱梁橋的影響

3.1 地層信息

在鄰近沿江高速第Ⅳ標段第14聯K2+100里程處,地處海岸線需考慮海水滲流過程的影響。該處基坑邊緣與沿江高速第14聯的6排橋樁間距離逐漸變化,最近處約為32 m,最遠處約為83 m,基坑開挖深度15 m,該位置開挖段存在淤泥等軟弱地層,且淤泥層厚達5 m。本工程沿線分布著第四系覆蓋層,土層分布主要有以下幾種:淤泥層,黏土層,礫砂層,砂質黏性土層,全風化混合花崗巖層以及中風化混合花崗巖層,土層參數如表2所示。

表2 土層參數信息表

3.2 隧道施工方法及支護形式

海域段隧道采用雙排鋼板樁圍堰明挖法進行施工。采取分段分倉圍堰開挖施工方式,總計分為5倉進行施工,圍堰填筑采取兩岸雙端頭相向填筑施工。施工過程為首先施工鋼板樁圍堰形成封閉結構,圍堰內抽水形成干作業面,施工地連墻后再分區段進行基坑開挖支護澆筑隧道結構。

雙排鋼板樁之間采用吹填砂進行填筑。堰頂高程3.82 m,中間填砂頂高程3.62 m,外側鋼板樁高程4.32 m,內側鋼板樁高程3.82 m。圍堰外海側鋼板樁樁長18.0 m,內側鋼板樁樁長按照穿透砂層2 m設計,兩排鋼樁間距8 m,1.4 m高程處設置拉桿連接兩排鋼板樁,雙排鋼板樁間采用吹填砂工藝填筑至3.82 m高程。為防止越浪對內側填土產生破壞,在堰頂設置20 cm厚碎石層。基坑所在地層賦存薄厚不均的淤泥層、砂層,且長區段臨近沿江高速樁基礎,基坑安全等級需求高,因此采用整體剛度較大,止水效果好的地下連續墻。地下連續墻厚度為1.0 m。基坑支護結構采用地下連續墻+內支撐型式,基坑斷面中間設置立柱。第一道混凝土支撐位于標高-6.9 m處,第二道混凝土支撐位于標高-11.9 m處,支撐尺寸均為1.0 m×1.0 m(高×寬),間距為9.0 m。

3.3 有限元模擬

采用Midas/GTS NX建立三維數值模型,假設所有材料均為各向同性,土體材料服從Mohr-Coulonb破壞準則,混凝土和鋼支撐等均為線彈性材料,不考慮開挖中時間空間效應。根據圣維南原理選取模型尺寸長260 m,寬190 m,深80 m,基坑寬90 m,開挖深度15 m,鄰近沿江高速的橋梁樁基距基坑長度各不相同,樁基長度23 m～36 m不等,樁基直徑1.6 m,承臺長9.2 m,寬6.3 m,高2.5 m。土體和承臺用3D實體單元模擬,橋梁樁基均為嵌巖樁,相對于土的位移非常小,滑移效果不明顯,采用梁單元模擬,混凝土支撐、鋼支撐、立柱用梁單元模擬,地連墻采用板單元更能接近實際情況。立柱采用雙拼I45,鋼圍檁φ609 mm壁厚16 mm鋼管,鋼板樁是采用拉森式SP-Ⅳ型鋼板樁,相關參數如表3所示。

表3 拉森式SP-IV型鋼板樁材料指標

模型通過激活和鈍化網格模擬土體開挖過程,結合實際開挖過程,如表4所示,模型共分12個工況進行分析。

表4 模型施工工況

有限元整體模型及支護結構如圖4,圖5所示,橋梁承臺埋于地下,圖示結構隱去第一層土顯示。

3.4 基坑開挖引起橋樁變位分析結果

支護結構位移見圖6,由圖6可知,隨著開挖深度增加,土體變形也逐漸增大,對臨近的橋樁及支護結構的影響增大,圍護結構受基坑外側土壓力影響產生水平變形,向基坑內部移動,且靠近橋樁一側的圍護結構水平位移較大,最大位移位于地連墻頂部側移值7.12 mm,與基坑變形理論相符。

如圖6—圖8所示,樁基隨土體的松動發生水平及豎向位移,在三次開挖降水工況過程中,樁基沉降值隨之增大。整聯橋范圍內承臺最大差異沉降值為0.8 mm,滿足設計規范對承臺間最大差異沉降不超過5 mm的限值。橋梁樁基整體上與基坑方向斜交,承臺和樁基距離基坑邊緣的遠近不同,因此基坑工程對其影響程度也不同。經計算分析,距離基坑邊緣近的橋樁位移變化特征明顯,圖9,圖10為距離基坑最近的橋樁經三次開挖步后的位移變化。

樁基最大沉降值為樁頂處-3.30 mm,最小沉降值位于樁底-1.35 mm,三次開挖后,樁基的沉降值變化幅度較小且趨勢相同,嵌巖樁樁底全部嵌入了堅硬的花崗巖內,土體彈性模量明顯大于其他土層,對樁基豎向沉降起到很好的約束作用,樁基嵌入花崗巖深度較大的位置對樁基沉降的控制效果相對更加明顯,在樁埋深20 m至樁底的位置,幾乎不再受開挖影響。根據沉降結果計算得到,橋下樁基由于不均勻沉降造成最大傾斜度為0.000 039 9,可以預測樁基不均勻沉降較大時將引起橋墩傾斜,對上部結構產生不利影響。

3.5 地基變位后小箱梁安全評價

考慮基坑開挖降水過程對臨近橋樁的影響,將其過程產生的不均勻沉降與側移,通過施加強制位移方式,加于橋梁樁基每一個對應位置,對地基變位后的橋梁情況進行安全評價,以針對提出橋梁加固方式或應急預案。在橋梁模型中,樁周土的約束情況采用我國JTG D63—2007公路橋涵地基與基礎設計規范中“m法”計算[8-9]。地基土水平抗力系數的比例系數m,在不滿足實驗條件下可參照規范經驗值確定,地基系數C=mz,與土體深度成正比,再由其計算得到土彈簧水平剛度,以此種方式確定土彈簧剛度方法簡單,結果偏安全,在國內外工程界均得到廣泛應用,將計算得到的土彈簧剛度通過節點彈性支撐,施加在對應深度的橋樁上。

開挖過程導致樁基產生變位后,按其變位影響對主梁模型安全驗算結果如表5所示。

表5 橋梁評價指標驗算表

受開挖影響后的樁基承載力按照以下公式驗算:

(1)

選取最“危險”的橋樁進行驗算,結果如圖11所示。

參數計算D=1.80m,樁直徑Ap=2.54m2,樁底橫截面面積U=5.65m,樁周長L=24.00m,樁長樁端端阻力部分計算c1=0.50端阻發揮系數frk=28 500kPa,樁端巖石飽和單軸抗壓強度標準值折減系數0.75中風化層作為持力層,c1,c2折減系數樁端端阻力合計=27 196.44kN入巖部分的側阻力計算入巖巖層參數巖層數巖層厚度hi/m各巖層樁端巖石飽和單軸抗壓強度標準值frki/kPa側阻發揮系數C2i巖層一2.0028 5000.04入巖部分樁側阻力合計=9 669.84 kN土層部分的側阻力計算地基土參數土層數土層厚度Li/m樁側第i層側阻力標準值qik/kPa土層一8.0510.00土層二4.3040.00土層三1.5060.00土層四2.6055.00土層五3.4070.00土層六2.15150.00ξs=0.50土的側阻力發揮系數樁側摩阻力合計=356.96kN合計[Ra]=37 223.25kN,承載力容許值單樁樁底豎向力計算值6 512.25kN結果合格

由表5可知,原橋驗算考慮5 mm地基不均勻沉降,受開挖影響后模型考慮自重、車輛效應的同時考慮溫度、基礎變位,裂縫對結構抗力的折減影響,得到主梁截面的安全儲備系數值,經驗算安全儲備系數最小值為1.27,表明在基坑開挖完成后,主梁結構仍具有足夠的安全儲備。但正常使用極限狀態下主拉應力值將達到A類部分預應力混凝土結構限值,主梁斜截面抗裂性能較差,需加強對裂縫寬度擴展情況的關注。表6的驗算結果表明,橋梁樁基承載力容許值遠遠大于樁底豎向力計算值,安全儲備較大。

4 控制基坑臨近橋樁變形的加固應急預案

既有沿江高速橋梁已投入使用多年,自身已產生一定沉降,開挖模擬結果存在不確定性,現實中水的滲流情況與模擬過程會存在差異,因此仍需加強現場位移監測,以實際變位影響為基礎,對突發及危險情況及時采取加固措施修復。施工過程中,當基坑及橋樁的監測位移沉降值達到預警值,且經現場評定位移變形處于不利狀態,應及時采取應急預案,調整施工方式或對其采取合理加固措施。結合本工程實際,提出加固應急預案如下:

1)當支護結構變形過大不足以充分發揮作用時:

a.可在原基礎上增設斜撐提高穩定性,防止基坑變形坍塌。b.在圍護擋墻內側,設置膜袋砂,加強擋墻支護作用。

2)若基坑變形過大,產生向基坑內滑動趨勢,應及時用砂回填坑腳,防止基坑滑動坍塌,待趨勢穩定后再對基坑妥善處理。

3)隨著基坑內開挖降水,基坑內外形成水頭差,基坑外的水不斷向基坑內滲流,當坑底發生涌水,將提前備好的填滿砂袋的鋼絲網兜投入涌水處,防止淹沒基坑無法控制,待回壓穩定后再對基坑處理。

4)在開挖底層下方土體土質較差的工程中,可通過對底層土體灌注混凝土漿液形成底板,既可限制坑底土體隆起,又可有效防止坑下水滲流造成的涌水現象。

5)加強監測,當發現基坑出現超過預警值的變形后,依開挖斷面具體情況,啟動被動支撐、主動支撐預案,堅決杜絕臨近橋墩發生超規范的傾斜和開裂。

6)實時關注小箱梁的主拉應力,一旦發現有超限趨勢,啟動上部結構加固預案,及時增設體外預應力,保證小箱梁的受力及耐久性。

5 結論及建議

本文提出了類似工程項目的前期分析模式,即首先對原橋進行分析,掌握原橋上部及下部結構的安全狀況及安全儲備情況,其次,采用合適的方法模擬基坑開挖過程,分析基坑開挖對土體及樁基引起的變位,在此基礎上分析原橋疊加基坑開挖變位的安全儲備情況,最后結合實際工程情況給出預警及加固建議。

在本項目中,采用了合理布設圍護結構,基坑開挖過程雖然使臨近橋梁的樁基產生附加力和位移,但影響可控且不會造成橋梁上部結構的嚴重損壞或安全威脅;樁基發生傾斜和沉降,承載能力結果仍滿足要求。通過分析小箱梁的斜截面抗裂性能較差,基坑開挖后將達到A類預應力混凝土構件限值,因需加強關注,必要時采取有效加固措施修復。結合本項目實際情況,本文提出了地基及橋梁的加固應急預案,以期為同類工程提供借鑒經驗。