新建航道基坑下穿高鐵橋梁對鄰近橋墩的影響分析*

李曉龍

(上海東華地方鐵路開發有限公司, 200071, 上海)

隨著長三角地區經濟的高速發展,航道運量快速增長但航道通過能力卻嚴重不足。為了緩解該矛盾,國家加快建設長江三角洲地區高等級航道網。在高鐵分布較為密集的長三角地區,航道下穿高鐵已成為網絡化交通的必然結果。然而,航道基坑開挖卸載勢必會引起周邊土體產生位移,進而影響高鐵橋梁等鄰近建構筑物[1]。如何確保在航道施工期間高鐵線路的運營安全是一個亟待解決的問題。

文獻[2]運用有限元軟件,分析鄰近橋梁樁基的基坑開挖對既有結構的影響。文獻[3]以深圳地鐵 12 號線和平站主體基坑下穿穗莞深城際鐵路高架為項目依托,通過有限元模型,分析了無加固、隔離樁加固、旋噴樁土體加固以及結合隔離樁與旋噴樁土體加固等4種保護措施對既有結構的保護效果。而針對下穿高鐵橋梁的航道基坑施工,國內外學者在航道基坑開挖對既有結構的影響方面卻鮮有研究。

本文以京杭大運河三級航道整治工程新建航道基坑下穿滬昆高鐵工程為例,制定下穿段的抗擾動加固方案,并基于該工程建立三維有限元模型,針對不同施工階段模擬分析土體和橋墩的變形規律,最后基于監測的實測數據分析支護結構和橋墩變形特征,驗證加固方案的可行性。

1 工程概況

京杭大運河(浙江段)三級航道整治工程在杭州與嘉興的邊界附近下穿滬杭高鐵橋,設計新建三級航道采用復式梯形斷面,頂面寬 60 m,下底寬 45 m,下穿滬昆高速鐵路橋孔段航道開挖深度約 7 m。高鐵橋梁為 48 m+80 m+48 m 三跨連續梁,無砟軌道,設計速度為350 km/h。高鐵線路和京杭運河航道夾角為72°,航道基坑開挖邊界距高鐵橋墩的最小距離不足 3 m。受影響橋墩為中墩 232#和233#兩個橋墩,橋墩橫截面為圓端形,橋墩高度為19.5 m,墩底尺寸為 4.5 m(順橋向)×9.0 m(橫橋向),承臺尺寸為14.3 m×14.3 m×3.5 m。每個橋墩下設16根樁基,樁徑為1.5 m,樁長為 67 m。根據現場地質勘查報告,場地土層主要為粉質黏土和淤泥質黏土,地下水位埋深為1.1～4.9 m。表1 為該場地土體的主要物理力學參數。

表1 土體物理力學參數

為保護既有高鐵線路,該基坑擬采用多排鉆孔樁+斜撐進行加固處理。其中多排鉆孔樁布置在滬昆高速鐵路兩側各 45 m 范圍內,共設置 6 排直徑1.2 m(樁間距1.4 m)鉆孔樁,232#和233#橋墩之間4排鉆孔樁深度為28 m,橋墩外側2排鉆孔樁深度為30 m。根據鉆孔樁的位置,將該基坑分為兩側斜撐基坑(基坑A和基坑B)、中部基坑(基坑C和基坑D)和航道基坑(基坑E),如圖1所示。除基坑E之外其余基坑鉆孔樁采用 1.0 m×1.0 m、水平間距6.0 m 鋼筋混凝土橫撐連接形成整體?；覣和基坑B所在鉆孔樁采用1.0 m×1.0 m、水平間距 6.0 m、坡率 1∶4 斜撐進行加固,并且連接基坑C和基坑D外側鉆孔樁形成永久支護結構?；覥和基坑D豎向設置2道橫撐,間距3 m,同時采用長度 10 m的水泥攪拌樁進行地基加固。航道基坑(基坑E)設置1.0 m×1.0 m、水平間距不大于15.0 m鋼筋混凝土縱橫錨梁,并利用斜錨梁形成“米”字形格構。在基坑C、D和E底部設置1.5 m厚鋼筋混凝土底板,在緊貼航道邊線設置防撞墻,墻底采用長 15 m、直徑1 m 樁基礎。河底采用0.4 m厚混凝土鋪砌,兩端設置垂裙,如圖2所示。

圖1 工程平面圖

單位:m

2 數值模擬與結果分析

2.1 有限元模型的建立

使用PLAXIS 3D 有限元軟件,對該新建航道基坑施工進行有限元模擬。為減小邊界效應,模型的尺寸應選取基坑圍護結構尺寸的3～5倍,因此有限元模型尺寸為300 m×150 m×100 m(順橋向×橫橋向×深度)。根據施工計劃,將該有限元模型分為10個工況進行計算,分別為:圍護結構施工;橫撐施工;承臺上方土體開挖;斜撐施工;基坑C、基坑D開挖到4 m深;基坑C、基坑D架設第二道橫撐并開挖至坑底;基坑C、基坑D底板施工;航道基坑E開挖;拆除橫撐,截斷圍護樁至設計高程,鋪砌河床;河道通水。

2.2 數值結果分析

2.2.1 橋墩豎向位移

上述各工況下橋墩累計豎向位移如圖3所示。其中,233#和232#橋墩墩頂和承臺的豎向位移幾乎完全相同,同時兩橋墩豎向位移趨勢一致,都為先下沉后上浮。在圍護結構施工(工況1)期間,由于橋墩側向土壓力的釋放,導致橋墩產生一定的沉降變形。承臺上方土體開挖(工況3)期間釋放承臺頂原有土壓力,造成橋墩上浮,其后基坑開挖工況由于不在橋墩正上方,并且有鉆孔樁的存在,對橋墩豎向變形影響較小。在工況 8下,橋墩豎向累計上浮位移達到最大值,232#橋墩豎向位移最大值為0.82 mm,233#橋墩豎向位移最大值為0.74 mm。

圖3 各工況下橋墩累計豎向位移

2.2.2 橋墩水平位移

各工況下橋墩的累計水平變形如圖4所示。由圖4可知,233#和232#兩個橋墩整體向基坑側傾斜,并且隨著基坑的施工,順橋向水平位移逐漸增大,在航道通水(工況10)之后,在水側壓力作用下,橋墩水平位移有所減小。對比橋墩墩頂和承臺的數據發現,墩頂水平變形大于承臺,原因是橋墩較高,且橋墩本身剛度較大,對基礎變形敏感。橋墩的順橋向水平位移要遠大于橫橋向水平位移。

圖4 各工況下橋墩累計水平位移

3 現場監測與數據分析

3.1 監測方案

為保證航道基坑施工過程中高鐵線路的安全,同時驗證加固方案的實際效果,對航道基坑支護結構和既有橋墩進行現場監測,其中:鉆孔樁深層水平位移監測點21個(CX1—CX21),樁頂水平位移監測點36個(QD1—QD36),既有橋墩沉降監測點和水平位移監測點4個(Q233-1、Q233-2、Q232-1和Q232-2)。上述監測點布置如圖5所示。高速鐵路橋橋墩沉降和水平位移限值為2 mm。樁深層水平位移限值為32 mm,圍護樁頂部水平位移限值為14 mm[4]。

圖5 監測點位平面布置圖

3.2 實測數據分析

3.2.1 有限元模型驗證

為證明本文所建立有限元模型的準確性,選取CX18測點的深層水平位移最大值進行對比,結果如圖6所示。由圖6可知,實測值與有限元模型計算結果較為吻合,證明了數值模型的準確性。

圖6 CX18測點深層水平位移

3.2.2 鉆孔樁深層水平位移

鉆孔樁深層土體水平位移最大值時程曲線如圖7所示。由圖7可見,鉆孔樁深層土體水平位移隨著基坑的開挖先增大后減小,最大值出現在施作基坑C和D時間段內。對比不同測斜點的數據可以看出,鉆孔樁越靠近高鐵橋墩水平變形越大,同時外側鉆孔樁的水平位移要大于內側鉆孔樁的,這是因為在基坑B外側的鉆孔樁始終受到墻后土壓力的作用,而內側基坑鉆孔樁在基坑E開挖完成后,不再受到土壓力的作用。由圖7可知,鉆孔樁的最大水平位移為6.88 mm,小于規范限值(32 mm)[4],證明施工期間,鉆孔樁的深層水平位移在安全范圍內。

圖7 深層水平位移最大值時程曲線

3.2.3 鉆孔樁頂部水平位移

由于左側基坑A、C和右側基坑B、D所在的樁頂水平位移變形規律大致相同,選取基坑B和D中的數據進行分析。樁頂水平位移的時程曲線如圖8所示。由圖8可見:基坑B的外側鉆孔樁在開挖期間頂部水平位移快速增長,之后趨于穩定;內側鉆孔樁樁頂水平變形隨著基坑開挖不斷增大,并且在基坑E開挖期間,其水平位移快速增大,明顯大于外側鉆孔樁的。由圖8可知,樁頂水平位移最大值為1.4 mm,小于規范限值要求(14 mm)[5],證明基坑施工期間樁頂部變形在安全范圍內。

圖8 樁頂水平位移時程曲線

3.2.4 高鐵橋墩位移

高鐵橋墩各個監測點累計變形的最大值如表2所示。由表2可見,橋墩累計沉降和累計水平位移均小于規范要求限值(2 mm)[4],證明該加固方案可有效保護既有結構,確?；邮┕て陂g滬昆高鐵的運營安全。

表2 橋墩累計位移量最大值

4 結論

1) 航道基坑下穿高鐵橋梁施工引起的橋墩變形主要是順橋向水平位移,橫橋向水平位移和豎向位移較小,因此應適當增加順橋向整體剛度,以減小橋墩順橋向變形。

2) 在基坑施工期間,鉆孔樁變形呈現先增大后減小的趨勢,最大值出現在中部基坑(基坑C和基坑D)開挖期間。鉆孔樁越靠近高鐵橋墩水平變形越大,同時外側鉆孔樁的水平位移要大于內側鉆孔樁。

3) 采用本文提出的多排鉆孔樁+斜撐的加固方案后,基坑施工期間橋墩豎向位移和水平位移均小于2 mm限值的要求,證明該加固方案能夠有效控制既有高鐵橋墩的變形,滿足高鐵安全運營的要求。