城市深基坑開(kāi)挖對(duì)高架橋的影響及控制分析

□文/楊曉猛 楊杰仁

城市深基坑開(kāi)挖對(duì)高架橋的影響及控制分析

□文/楊曉猛 楊杰仁

文章以實(shí)際工程為例，通過(guò)對(duì)兩種工法進(jìn)行定性分析計(jì)算，確定采用蓋挖順作法作為鄰近高架橋一側(cè)的深基坑的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)擬定的設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用有限元軟件對(duì)開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬并在基坑開(kāi)挖前對(duì)橋樁進(jìn)行預(yù)埋注漿等一系列加固控制措施。

蓋挖順作法；數(shù)值模擬；高架橋；監(jiān)控；量測(cè)；深基坑

隨著我國(guó)工程建設(shè)的大力發(fā)展，城市地鐵的修建對(duì)于解決人們出行問(wèn)題顯得尤為重要。由于城市中建（構(gòu)）筑物密集，在地鐵基坑施工時(shí)不可避免會(huì)引起周圍土體的變形[1]，因此，如何有效地控制基坑鄰近建（構(gòu)）筑物的變形成為了工程成敗的關(guān)鍵。

1　工程概況

靖海公園地鐵站位于江蘇省無(wú)錫市上馬墩路與江海東路交界處，2號(hào)線沿上馬墩路縱向（東-西）布置，與設(shè)于沿江海東路布置的3號(hào)線形成T型換乘，車站西北側(cè)設(shè)置連接2號(hào)線與3號(hào)線的聯(lián)絡(luò)線。2號(hào)線車站基坑起始里程為SK11+536.379～SK11+874.179，全長(zhǎng)337.8 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度為22.70 m，基坑深度為16.362～16.97m，東端盾構(gòu)井基坑最深處為18.016 m，西端左線盾構(gòu)井基坑最深處為18.342 m，西端右線盾構(gòu)井基坑最深處為18.471m。3號(hào)線基坑平行于江海路高架，左線基坑長(zhǎng)度為145.78 m，右線基坑長(zhǎng)度208.25 m，南段盾構(gòu)井處基坑寬度為26.8 m，基坑深度為25.13 m；標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度為22.9 m，基坑深度為23.3 m；北端窄段基坑寬度為10.7 m，一般段基坑深度為23.1 m，盾構(gòu)井段基坑深度為24.45 m；三角形基坑是在2、3號(hào)線主體結(jié)構(gòu)完成后再進(jìn)行開(kāi)挖，最大開(kāi)挖深度15.5 m左右，其中局部有深坑，局部深坑深度為7.5 m。江海高架橋?yàn)榉蛛x式雙向6車道，交通量大，最大跨為50 m，基坑高架橋基礎(chǔ)為φ1 200mm@3 100mm的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)38～52 m?；庸卜秩谑┕ぃ渲幸黄谥饕?號(hào)線車站基坑；二期主要包含本站3號(hào)線車站基坑；三期主要包含聯(lián)絡(luò)線及三角商業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)基坑。2號(hào)線基坑里程SK11+763.179～SK11+770.279段為橫穿高架橋區(qū)域，橋樁承臺(tái)距離2號(hào)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最近處僅為3.74 m，為確?；釉谑┕み^(guò)程中高架橋的安全，本文特對(duì)此段里程基坑支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)專項(xiàng)分析研究?；悠矫嬉?jiàn)圖1。

圖1　靖海公園地鐵站周邊

2　地質(zhì)情況

靖海公園地鐵站地層屬江南地區(qū)江蘇部分，區(qū)內(nèi)第四系沉積物覆蓋廣泛，沉積連續(xù)，層序清晰，覆蓋厚度一般＞80m，場(chǎng)地位于太湖沖湖積平原區(qū)，地勢(shì)平坦，2號(hào)基坑周邊地質(zhì)條件主要以粉質(zhì)粘土、粉土為主，地表向下依次為雜填土、粉質(zhì)粘土、粘土、粉土、粉砂，見(jiàn)表1。

表1　土層物理力學(xué)參數(shù)

地質(zhì)條件結(jié)構(gòu)較為松散、固結(jié)時(shí)間短、存在空隙，在勘察深度內(nèi)沿線地下水類型主要為松散巖類孔隙水，地下水位埋深1.16～2.5 m，標(biāo)高1.81～2.5 m。由于開(kāi)挖深度大于該含水層埋深，故該含水層對(duì)基坑施工影響較大。

3　基坑開(kāi)挖支護(hù)方案

施工主要考慮明挖法及蓋挖順作法，兩者的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。由于江海高架橋承臺(tái)距離2號(hào)基坑最近處僅有3.74m，開(kāi)挖過(guò)程引起的卸荷作用極易造成高架橋的傾斜、外移甚至導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，因此，如何確保在施工過(guò)程中高架橋的安全，是施工的重中之重。

表2　工法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

由表2可知，明挖法在控制工期進(jìn)度、造價(jià)成本以及保證工程質(zhì)量等方面較蓋挖法有一定的優(yōu)勢(shì)，但是在控制地表變形方面，蓋挖法則更加有利。因此，運(yùn)用2D計(jì)算軟件分別對(duì)2號(hào)基坑里程SK11+763.179～SK11+770.279段采用明挖法及蓋挖順作法進(jìn)行模擬定性分析，對(duì)比兩者計(jì)算結(jié)果確定其開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)方案。結(jié)構(gòu)擬采用厚800mmC35連續(xù)墻+內(nèi)支撐的形式，基坑由上至下設(shè)置2道直徑為609mm壁厚16mm的鋼支撐及一道換撐，見(jiàn)圖2和圖3。

圖2　明挖法計(jì)算模型

圖3　蓋挖法計(jì)算模型

3.1計(jì)算結(jié)果比較

由表3可知，雖然在工期以及施工成本方面明挖法較蓋挖順作法有一定的優(yōu)勢(shì)，但是采用明挖法開(kāi)挖導(dǎo)致高架橋樁基的水平變形量為蓋挖法的2倍，而豎向變形量也較蓋挖法多出1.72mm；同時(shí)模擬開(kāi)挖并未考慮其開(kāi)挖過(guò)程中水位的變化、以及時(shí)間效應(yīng)的影響，且是按理論標(biāo)準(zhǔn)情況設(shè)定條件，而實(shí)際施工過(guò)程則很難達(dá)到，在這樣的情況下明挖法造成周圍土體水平最大的變形量為15.2mm，已經(jīng)超出了設(shè)計(jì)規(guī)范控制范圍，因此，施工方案確定采用蓋挖順作法，同時(shí)蓋挖順作法相對(duì)明挖法在控制橋樁的內(nèi)力方面上也有明顯的優(yōu)勢(shì)，并且能夠盡快恢復(fù)路面，對(duì)道路交通帶來(lái)的影響降到最低。

表3　模擬結(jié)果對(duì)比表

3.2總體設(shè)計(jì)方案

經(jīng)以上對(duì)明挖法及蓋挖法進(jìn)行定性計(jì)算分析，確定采用蓋挖法作為里程SK11+763.179～SK11+770.279段的總體方案，但考慮到周邊環(huán)境復(fù)雜，高架橋樁距離基坑最近處僅有3.74 m等特殊因素，本工程具體施工方案及其相關(guān)措施如下。

1）對(duì)2號(hào)基坑影響范圍內(nèi)的高架橋基進(jìn)行斜向袖閥預(yù)埋注漿管進(jìn)行加固處理并在基坑周邊設(shè)置降水井，防止土壁坍塌，提高地基承載力，若在施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)異常情況立即對(duì)橋基采取跟蹤注漿加固的應(yīng)急措施。

2）在靠近江海高架橋基的基坑一側(cè)，采用φ1.2 m@ 1 350mm鉆孔灌注樁以及雙排φ800mm@600mm三重管旋噴樁進(jìn)行加固并起到隔離效果。

3）對(duì)于高架橋區(qū)域范圍內(nèi)基坑主體結(jié)構(gòu)采用蓋挖順作法施工，其他未有鄰近建筑物區(qū)域均采用明挖法施工；支護(hù)形式采用800mm厚連續(xù)墻+內(nèi)支撐，基坑由上至下設(shè)置3道直徑為609mm壁厚16mm的鋼支撐及一道換撐，連續(xù)墻深度約為29m，加固措施見(jiàn)圖4。

圖4　基坑及高架橋樁加固

4　3D數(shù)值模擬仿真分析

4.1基坑參數(shù)及模型的選取

采用有限元軟件對(duì)蓋挖順作法施工的工序及方案進(jìn)行模擬。由于土體是典型的彈塑性材料，卸載模量遠(yuǎn)大于加載模量，摩爾-庫(kù)侖模型將壓縮和卸載模量統(tǒng)一采用楊氏模量E來(lái)表示，不能很好地模擬卸荷情況下土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，因此采用修正的摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，該模型可以較好的模擬土體卸載時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系?；又ёo(hù)鋼支撐采用桿單元，混凝土撐采用梁?jiǎn)卧?，橋梁樁采用樁單元，連續(xù)墻結(jié)構(gòu)采用板單元。計(jì)算各材料力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4　材料力學(xué)參數(shù)

4.2基坑開(kāi)挖模擬分析

1）2號(hào)基坑模擬開(kāi)挖。2號(hào)基坑模型長(zhǎng)寬高為440 m×135 m×55 m，高架橋承臺(tái)施加荷載4 500～5 000 kN，計(jì)算共分為8個(gè)計(jì)算階段，分別模擬不同施工階段的開(kāi)挖與支護(hù)，基坑及支護(hù)結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖5和圖6。

圖5　2號(hào)基坑模型

圖6　2號(hào)基坑支撐結(jié)構(gòu)模型

2）結(jié)果分析。由圖7-圖9可知，2號(hào)基坑開(kāi)挖引起江海高架橋最大沉降變形為3.42mm（JHZ119、JHY119），朝基坑內(nèi)方向最大水平位移為3.26mm，平行基坑方向最大水平位移為1.51mm（JHY119），承臺(tái)間最大的差異沉降量為3.206mm均小于設(shè)計(jì)規(guī)范要求承臺(tái)間最大差異沉降量的5mm以及樁基水平位移的6mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7　2號(hào)基坑開(kāi)挖橋樁Z方向位移

圖8　2號(hào)基坑開(kāi)挖X方向位移

圖9　2號(hào)基坑開(kāi)挖Y方向位移

5　現(xiàn)場(chǎng)高架橋變形監(jiān)測(cè)與分析

5.1江海高架橋監(jiān)測(cè)等級(jí)

為有效地反饋基坑開(kāi)挖對(duì)高架橋造成的安全性影響，針對(duì)高架橋進(jìn)行專項(xiàng)監(jiān)測(cè)方案。根據(jù)總體技術(shù)要求，本基坑變形控制保護(hù)等級(jí)為一級(jí)，具體變形控制值見(jiàn)表5。橋梁差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)：樁間差異沉降量10mm，其余橋樁間的差異沉降量控制在5mm。橋梁樁基水平變形控制標(biāo)準(zhǔn)是6mm，監(jiān)測(cè)布置點(diǎn)見(jiàn)圖10。

圖10　高架橋監(jiān)測(cè)平面布置

5.2高架橋現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鄰近基坑的4個(gè)橋樁進(jìn)行了沉降及水平位移變形監(jiān)控，沉降累計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖11，水平位移最終變形量見(jiàn)表5。

圖11　高架橋現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)沉降

表5　高架橋水平位移最終變形量mm

在對(duì)高架橋樁進(jìn)行注漿加固的階段，承臺(tái)稍有隆起現(xiàn)象，隨著基坑的開(kāi)挖進(jìn)行，造成了地應(yīng)力的卸荷作用，基坑周圍土體有向基坑內(nèi)方向變形的趨勢(shì)，承臺(tái)出現(xiàn)略微沉降，在對(duì)基坑進(jìn)行支護(hù)后，變形逐漸趨于穩(wěn)定，最大沉降變形量為3.12mm，最大水平變形量為2.24mm，均小于設(shè)計(jì)規(guī)范要求，說(shuō)明此工法及優(yōu)化方案行之有效，確保了橋樁的安全穩(wěn)定。

5.3理論預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)結(jié)果分析對(duì)比

將實(shí)測(cè)基坑開(kāi)挖造成高架橋的變形量與軟件預(yù)測(cè)變形量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6　預(yù)測(cè)變形累計(jì)值與實(shí)測(cè)變形累計(jì)值比較mm

高架橋最終沉降預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)沉降值誤差值分別為0.83、0.19、0.34、0.35mm，承臺(tái)最大差異沉降量誤差值為0.87、0.49mm，最大水平變形量誤差值為0.88mm，其誤差值均控制在1mm以內(nèi)，說(shuō)明有限元模擬軟件對(duì)基坑開(kāi)挖造成鄰近高架橋的影響分析較符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況；此外實(shí)測(cè)變形數(shù)據(jù)均稍大于數(shù)值模擬預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，說(shuō)明數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程較實(shí)際情況還有待更好地?cái)M合，同時(shí)，可為相關(guān)類似工程起到一定的安全預(yù)警作用。

6　結(jié)論

1）為確保鄰近高架橋在基坑開(kāi)挖過(guò)程中的安全，從控制橋樁變形、土體變形、受力等方面綜合定性的對(duì)比了明挖法及蓋挖順作法，確定采用蓋挖順作法作為鄰近高架橋區(qū)域內(nèi)的基坑開(kāi)挖支護(hù)方式，是確保高架橋安全的關(guān)鍵。

2）考慮到地層以粘土及粉砂為主并且地下水較為豐富的原因，在基坑開(kāi)挖前對(duì)高架橋樁基礎(chǔ)進(jìn)行了預(yù)埋注漿加固處理并在靠近江海高架橋基的基坑一側(cè)，采用φ1.2 m@1 350mm鉆孔灌注樁以及雙排φ800mm@600mm三重管旋噴樁進(jìn)行加固并起到隔離效果，通過(guò)施工過(guò)程的監(jiān)控量測(cè)結(jié)果顯示，此優(yōu)化方案行之有效，很好地控制了橋樁及周圍土體的變形。

3）采用數(shù)值模擬軟件對(duì)基坑開(kāi)挖進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，其誤差均控制在1mm以內(nèi)，說(shuō)明此方法較符合現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖情況，可為今后類似的基坑工程提供了一定的理論參考和經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)。但由于對(duì)本工程基坑進(jìn)行模擬分析時(shí)未考慮到水以及時(shí)間效應(yīng)的影響，完全按照理論標(biāo)準(zhǔn)條件設(shè)定，因此，模擬結(jié)果均較實(shí)際結(jié)果略小，其模擬值可為實(shí)際工程起到一定的安全預(yù)警作用，如何將理論計(jì)算更好的與實(shí)際工程問(wèn)題相擬合，是目前研究人員還需亟待解決的難題。

[1]劉建航，侯學(xué)淵.基坑工程手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

[2]賈善坡，陳衛(wèi)忠，楊建平，等.基于修正Mohr-coulomb準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型及其數(shù)值實(shí)施[J].巖土力學(xué)，2010，（7）：2051-2058.

[3]陶帥，王學(xué)濱，潘一山，等.基于摩爾-庫(kù)侖模型的非線性本構(gòu)模型的開(kāi)發(fā)及其在應(yīng)變局部化中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2011，(S1)：403-407.

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.01.018

□楊杰仁/中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司。

□TU433

□C

□1008-3197（2015）01-51-04

□2014-10-20

□楊曉猛/男，1983年出生，工程師，中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，從事隧道與地下工程設(shè)計(jì)工作。