深基坑開挖對支護結構及橋梁變形的影響

摘要：在深基坑工程采用明挖法施工的過程中，當基坑開挖至鄰近橋梁結構僅有約2 m的距離時，鑒于橋梁結構在施工期間沉降較大，需對其在基坑施工中的變形進行分析。文章通過建立三維有限元模型，探究不同基坑開挖深度對橋梁結構變形及支護結構的影響。研究結果顯示，隨著開挖深度增加，橋墩的水平及垂直位移均呈遞增趨勢，并且垂直位移明顯超過水平位移。隨著基坑開挖深度從1 m增至5 m，鉆孔灌注樁樁頂彎矩持續減小，然而當深度超過5 m后，樁頂彎矩轉而逐漸增大。同時，鉆孔灌注樁位移經歷了一個復雜的變化過程，即先減小后增大、再減小再增大。因此，當基坑開挖深度超過7 m時，建議采用地下連續墻支護結構，以增強基坑穩定性。

關鍵詞：深基坑；支護結構；橋梁變形；結構沉降

中圖分類號：TU433" " " "文獻標識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）09-0064-04

0 引言

隨著城市建設步伐的加速，城市道路和地下管線建設項目日益增多，深基坑工程作為重要的地下工程形式而備受關注。然而，深基坑開挖對周邊土體的影響較復雜，并且不同基坑工程的影響機理不盡相同。目前，深基坑施工主要通過支護結構（如錨桿、內支撐、樁等）控制變形。支護結構和樁的變形會對周邊土體產生較大影響，因此在基坑施工中必須合理設計支護結構并嚴格管控基坑變形。當前，如何有效控制深基坑開挖過程中的變形問題，已成為巖土工程領域中的重要課題。橋梁是一種常見的跨越障礙的建筑物，對交通運輸起著十分重要的作用。目前，基坑工程理論研究已取得一定的成果。例如：汪小南等［1］研究軟土地層中深基坑開挖對鄰近橋梁樁基的影響，發現靠近基坑的橋樁水平位移增大，彎矩累計變化率雖然較小，但是仍需優化設計。沈建文［2］探討了明挖基坑、暗挖或盾構隧道施工對鄰近橋樁的影響，以及在不同影響因素下，臨近橋樁的側向變形規律和彎矩變化規律，得出基坑開挖深度宜控制在3～16 m的結論，但缺乏對橋梁樁基變形的研究。楊濤等［3］采用兩階段分析法研究基坑開挖卸荷作用下公路橋梁的受力變形規律，研究結果表明，隨著橋梁樁基與基坑距離的增大，樁基水平位移及最大彎矩逐漸減小，但未探討開挖深度對橋梁結構變形的影響規律。

上述研究對基坑開挖對鄰近橋梁影響的分析仍不夠充分。隨著城市建設向地下空間拓展，基坑工程施工與鄰近橋梁之間的相互影響及潛在風險逐漸加劇，尤其是在城市高架線路交會區域，對高架線路與周邊建筑物的變形控制要求更為嚴格。隨著深基坑工程的增多，其對周邊環境尤其是臨近支護結構和橋梁等重要基礎設施的變形影響，成為亟待解決的關鍵問題。因此，本文以某深基坑工程為例，探究基坑開挖深度對橋梁結構變形的影響規律，旨在通過數值模擬研究，更準確地預測深基坑開挖引起的變形情況，為工程設計和施工提供科學的依據，確保工程安全及周邊設施的正常運行。

1 工程簡介

1.1 基坑概況

某工程隧道全長約1 552 m，內徑為3.5 m，采用盾構法施工，沿線共設置2座盾構井。盾構井施工采用明挖順作法，基坑支護采用“地連墻+環形鋼砼”圍檁，內部結構為現澆鋼筋混凝土框架結構。1號工作井處于道路紅線范圍內，為盾構始發井，井中心里程為K0+511.279，隧道中心標高為-26.94 m（絕對標高）。1號工作井為外包直徑為 16 m 的圓形結構，底板埋深為35.07 m，共設地下5層。1號工作井出入口的基坑圍護結構由?850@600三軸攪拌樁內插型鋼、3道鋼支撐及1道換撐組成，攪拌樁長度為21.5 m，基坑開挖深度為11.1 m。深基坑平面呈不規則多邊形，挖掘深度為5.3～11.2 m，總周長約331.9 m。深基坑東側緊鄰橋梁，橋墩樁基中心線與基坑圍護結構中心線的距離為2～12 m。深基坑支護采用鉆孔灌注樁，樁長35 m，樁徑為1.4 m，有效支護長度為11.3～13.8 m，削坡高度為0～1 m，坡比為1∶1。鉆孔灌注樁頂端設有冠梁用于連接，冠梁尺寸為1.2 m × 0.8 m，采用C30混凝土。深基坑斜坡表面鋪設2 mm×100 mm×50 mm的鋼板網，并噴射混C20凝土，厚度為 80 mm。為監測鉆孔灌注樁支撐結構的水平變形情況，沿深度方向對其水平位移進行實地測量［4］。同時，采用?800 mm樁間噴射灌注樁對樁周圍的松散土層進行加固處理，防止樁間水土流失。施工后，將現場監測結果與數值模擬結果進行對比，以驗證數值模型的合理性［5-7］。

1.2 基坑土層地質

根據相關地質調查資料和鉆探分析結果，場地地表覆蓋層主要由第四系人工填土層和沖積層構成，其下部基巖為二疊系棲霞組泥灰巖和石灰巖。在基坑影響范圍內，土層由上至下依次為人工填土、粉質黏土、黏土、完全風化泥灰巖及中度風化泥灰巖，各土層的厚度可根據土剖面所顯示的高程精確計算得出。通過現場和實驗室測試確定的土壤參數見表 1。

2 模型構建

本研究采用有限差分軟件進行三維數值模擬分析，構建了一個尺寸為200 m × 200 m × 60 m的深基坑模型，其外邊界距離挖掘坑90 m（約為挖掘深度的8.2 倍）。坑底以下區域深度設為49 m（約為挖掘深度的4.5倍），確保邊界條件對模擬結果的影響降至最低。模型周邊施加法向位移邊界約束，底部采用固定約束［8］。為獲得精確的計算結果，模型包含約340 000個尺寸為1 m左右的六面體單元。數值模型設置的邊界約束僅考慮自重應力效應，并對鉆孔灌注樁和橋樁基礎施加扭轉約束。橋樁基采用界面和樁端單元模擬與土體的相互作用，土體等采用六面體實體單元，共計143 053個單元和101 182個節點，未考慮地下水、土壤固結和蠕變的影響［9］。采用軟件進行模擬前，對模型進行了初始地應力平衡處理，使其處于平衡狀態，并適當簡化模型，去除對模擬結果影響較小的細節部分，以提高計算效率。

為滿足工程需求并快速求解深基坑開挖對支護結構及橋梁變形的影響，數值模擬中選用修正的Mohr-Coulomb 模型描述土體應力應變行為［10］。該模型為非線性彈性塑性復合模型，它充分考慮了剪切和壓縮變形，適用于黏土模擬，可忽略土層的不均勻性和個別透鏡體，將土體簡化為層狀土。數值模型假定支撐結構和其他部件為各向同性材料，未考慮水位、開挖時間和空間對模擬結果的影響，并合理界定了數值模擬的研究區域范圍，充分考慮了深基坑開挖對周邊土體和橋梁的潛在影響因素。

3 結果與分析

3.1 不同開挖深度對橋墩沉降位移的影響

基坑開挖深度對橋梁橋墩的影響主要體現在橋墩的豎向和水平位移上。在開挖過程中，鉆孔灌注樁雖然能起到一定的土體變形阻擋作用，從而在一定程度上限制了橋墩的變形，但是橋梁與深基坑的距離太近，所以仍會加劇橋墩的位移。為進一步探究不同開挖深度對橋墩位移的影響，本文進行了相關試驗，橋墩的沉降位移見圖1。圖1清晰地展示了隨著開挖深度的增加，橋墩的水平及垂直位移均呈上升趨勢，并且垂直位移顯著大于水平位移。當開挖深度至1 m時，橋墩水平位移為0.1 mm，開挖1～5 m深時，橋墩水平位移變化較小，為0.1～0.42 mm。當開挖深度超過7 m時，橋墩水平位移迅速增大，最大達到1.72 mm，較開挖深度為1 m時增長了1 620%。出現這一現象的主要原因是基坑開挖時，整體變形以豎直方向為主，水平方向變化相對較小。同時，受鉆孔灌注樁的影響，橋墩結構的水平變形小于豎向變形。此外，深基坑開挖會改變周圍土體的應力狀態。隨著開挖深度的增加，土體側向壓力減小，豎向壓力相對增大，導致土體向坑內位移，進而傳遞至鄰近的橋墩基礎，引起橋墩沉降和位移。在開挖過程中，橋墩的豎向位移變化較大。開挖深度為1 m時，橋墩垂直位移為0.2 mm；隨著開挖深度的增加，垂直位移持續增大。出現這一現象的主要原因是基坑開挖深度越深，基坑土體的有效應力釋放速率越大，對土體擾動效果越明顯，導致橋墩的垂直位移進一步增大。當開挖深度達到11 m時，橋墩出現最大垂直位移，達到2.79 mm；開挖深度超過9 m時，橋墩垂直位移均大于2 mm。因此，基坑開挖深度對橋墩的豎向位移的影響較大，對水平位移的影響相對較小，后續應對橋墩周圍土體進行加固處理，以防橋墩出現過大的垂直位移，確保其穩定性。

3.2 不同開挖深度對鉆孔灌注樁彎矩的影響

深基坑支護結構的穩定性受多種因素影響，這些因素主要包括基坑深度、開挖深度、土體性質、支撐剛度、施工工藝及周邊環境等。其中，開挖深度對支護結構的力學性能具有顯著影響。在深基坑開挖過程中，周圍土體的應力狀態發生變化，導致鉆孔灌注樁所受的側向土壓力隨之改變。隨著開挖深度增加，樁體承受的側向土壓力逐漸減小，而樁后土體的主動土壓力與樁前土體的被動土壓力差值增大，進而產生樁身彎矩。同時，樁頂所受的上部結構荷載及樁底約束條件也會影響樁身彎矩分布。

為探究不同開挖深度對鉆孔灌注樁樁頂彎矩的影響，本文進行了相關試驗，鉆孔灌注樁樁頂彎矩變化見圖2。隨著基坑開挖深度從1 mm增加至5 m，鉆孔灌注樁樁頂彎矩不斷減小。出現這一現象的主要原因是鉆孔灌注樁連接成樁群，整體剛度顯著提升，從而減小了樁彎矩，提升了基坑支護的穩定性。當基坑開挖深度小于5 m時，對下部土體的擾動較小，鉆孔灌注樁能有效分散和抵抗外力，進一步增強了基坑的穩定性。在此階段，樁頂彎矩與開挖深度呈負相關，開挖至5 m時，樁頂彎矩達到最小值（735 kN·m），較開挖深度為1 m和3 m時的彎矩分別下降了14.13%和7.54%。然而，當基坑開挖深度超過5 m時，樁頂彎矩逐漸增大。出現這一現象的主要原因是樁身承受的土壓力和側向力增大，特別是在樁頂部位，彎矩變化尤為顯著。隨著開挖深度繼續增加，坑內外土壓力差增大，鉆孔灌注樁彎矩也隨之增加。當基坑接近底部11 m時，受底土強烈約束的影響，鉆孔灌注樁樁頂彎矩再次呈現增大的趨勢，達到最大彎矩（915 kN·m）。

3.3 不同開挖深度對鉆孔灌注樁垂直位移的影響

在深基坑開挖過程中，為確保樁基礎的安全性，需對鉆孔灌注樁的垂直位移進行監測，這是因為樁頂垂直位移能夠反映樁身的受力狀態?；诖?，本文開展了不同開挖深度對鉆孔灌注樁垂直位移的影響試驗，鉆孔灌注樁垂直位移變化見圖3。圖3清晰地展現了在開挖過程中鉆孔灌注樁存在明顯的下沉現象，最大下沉距離為2.79 mm左右。隨著開挖深度的增加，鉆孔灌注樁的位移呈現先減小后增大、再減小又增大的趨勢。出現這一現象的主要原因是基坑開挖深度的增加導致土體內摩擦角減小，進而增大了土體對樁的向下推力。同時，在基坑開挖過程中，周圍土體的應力狀態發生改變，土體對鉆孔灌注樁的側向土壓力減小，樁周圍土體向坑內移動，進而引起鉆孔灌注樁的垂直位移。此外，開挖引起的土體沉降通過樁與土體的相互作用傳遞給鉆孔灌注樁，進一步加劇了其垂直位移。

在開挖初期，鉆孔灌注樁經歷了一個向下沉降的過程，直至達到最大值后，沉降量逐漸減小并趨于穩定。這種沉降過程通常發生在基坑開挖深度較大的情況下。當深基坑開挖深度為1～3 m時，鉆孔灌注樁的垂直位移由2.56 mm下降至2.14 mm，樁身最大位移隨開挖深度增加而減小，并且樁頂所受荷載大于樁身荷載。然而，當開挖深度達到7～11 m時，鉆孔灌注樁的位移從2.77 mm增加至2.79 mm，出現較大的垂直位移。這表明不同開挖深度對鉆孔灌注樁的位移影響較大。因此，當基坑開挖深度超過7 m時，建議采用地下連續墻支護措施，以提高基坑的穩定性。

4 結論

為進一步提高橋梁結構的安全性和穩定性，本文通過構建三維有限元模型，深入分析了不同基坑開挖深度對橋梁結構變形及支護結構的具體影響，主要結論概括如下。

（1）基坑開挖深度對橋墩豎向位移的影響較大，而對水平位移的影響相對較小。因此，建議對橋墩周邊土體實施加固措施，防止橋墩產生過大的垂直位移，確保其穩定性。

（2）當基坑深度接近11 m時，鉆孔灌注樁受到底土的強烈約束，導致樁頂彎矩呈現增大趨勢。針對此情況，建議增加鉆孔灌注樁的長度，以有效降低樁身彎矩。

（3）在深基坑開挖深度為7～11 m時，鉆孔灌注樁的位移從2.77 mm增加至2.79 mm。為提升基坑的穩定性，建議采取地下連續墻支護措施。

5 參考文獻

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*中國智慧工程研究會職業素養專業委員會重點課題“公路路基路面的試驗檢測技術實施要點研究”（ZHGC85032）。

【作者簡介】左云，男，廣西武宣人，本科，工程師，研究方向：道路橋梁工程。

【引用本文】左云.深基坑開挖對支護結構及橋梁變形的影響［J］.企業科技與發展，2024（9）：64-67.