杭州某國道明挖下穿對既有市政高架橋橋墩影響分析

陳建軍，劉延昭，吳高創(chuàng)，李 俊，徐 超，王金昌

（1.浙江交工地下工程有限公司，浙江 杭州 310005；2.浙江大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310058；3.浙江大學 平衡建筑研究中心，浙江 杭州 310058）

0 引 言

為緩解城市與城市之間日益增長的交通壓力，國道線路網、高架橋梁系統(tǒng)等發(fā)展迅速。兩者之間的交叉節(jié)點工程案例也不斷涌現，交叉節(jié)點段多采用隔離樁等措施以減小下穿施工對鄰近高架橋墩的影響[1-2]。由于橋梁的位移控制標準較其他類型建筑更加嚴格，近接基坑施工造成的卸載效應勢必會對鄰近橋墩和樁基的結構安全產生不利影響，橋梁結構的附加位移過大，一旦出現工程事故，后果將不堪設想[3]。因此，為確保鄰近高架橋的結構安全，研究明挖下穿對高架橋橋墩和樁基的不利影響就顯得尤為重要。

針對這一問題，相關學者開展了大量研究[4-9]：張愛軍等[5]、江杰等[6]提出了兩階段分析方法，通過解析解得到了基坑施工下樁基的變形響應結果。陳福全等[7]通過Plaxis 軟件對排樁加內撐支護體系的基坑開挖全過程進行了有限元分析，討論了基坑開挖深度、支護剛度、基坑凈距、樁身剛度、樁身長度等對樁身水平位移和彎矩的影響。木林隆等[8]基于土體小應變特性，提出了基坑開挖卸載引起周圍土體位移變化的經驗計算公式，得到了鄰近樁基的變形結果，并通過有限元驗證了該經驗公式的有效性。唐德琪等[9]通過模型試驗分析了明挖施工對鄰近樁基的側向變形、彎矩與剪力的不利影響。

但由于巖土具有典型的區(qū)域特點和加載應力依賴性，因此需要對具體巖土工程相關問題開展針對性研究。本文首先基于現場實測和有限元模擬得到了隧道段明挖施工過程中圍護結構的變形，并進行對比分析，驗證了計算模型的有效性。進而展開235 國道下穿留祥路西延互通主線橋的隧道段建造全過程模擬分析，研究隧道明挖下穿施工對鄰近橋墩及樁基變形的影響。

1 依托工程

235 國道杭州老余杭至五常段改建工程，起于科技大道與235 國道交叉口，路線由西向東經過東西大道（320 國道）、良睦路（規(guī)劃）、良祥路（規(guī)劃）、振華西路，高架橋終點與杭州繞城高速公路三墩互通改建工程高架橋相接，地面道路接至余杭塘路與良祥路（規(guī)劃）交叉口。路線全長約11.26 km，其中地面道路長度為7.9 km，高架和隧道（快速通道部分）總長度為 9.9 km，其中高架橋梁長度共4.9 km，隧道（不含U 型槽）長度為2.976 km，依托工程位于杭州城西以軟土為主的區(qū)域。

隧道于K4+195～K4+235 下穿在建留祥路西延互通主線橋高架橋，兩側既有W27、W28 橋墩現場照片如圖1 所示。隧道與高架橋的平、立面位置如圖2～3 所示。

圖1 W27 和W28 橋墩現場照片Fig.1 Photos of W27 and W28 piers

圖2 下穿段節(jié)點平面示意圖Fig.2 Undercrossing section node plane diagram

圖3 下穿段節(jié)點立面示意圖Fig.3 Undercrossing section node facade diagram

高架橋為雙向六車道，橋梁標準寬26.5 m。W26～W29 橋墩跨徑布置“45 m+60 m+35.5 m”組合鋼梁，下部結構采用柱式墩、承臺+鉆孔灌注樁基礎。W27 與W28 橋墩下部結構為2.3 m×2.3 m 柱式墩，高21.0 m，承臺尺寸為8.1 m×12.6 m，高3.5 m，各承臺累計6 根鉆孔灌注樁基礎，樁徑為1.8 m，順橋向與橫橋向樁間距為4.5 m，樁長為55 m。

235 國道下穿留祥路西延互通主線橋段為二期基坑，基坑總長129.9 m，寬35.5 m，基坑兩端通過排樁+攪拌樁止水帷幕作封堵墻與一期基坑隔開?；又ёo結構采用排樁+水泥攪拌樁止水帷幕，內支撐為一道混凝土支撐+二道鋼支撐，立柱為樁徑0.9 m鉆孔灌注樁。其中排樁為C30混凝土，樁徑0.9 m，間距1.05 m，樁長26.4 m；水泥攪拌樁樁徑0.85 m，間距0.6 m；第一道支撐為C30 混凝土支撐，支撐截面為0.8 m×0.9 m，水平間距為9 m，第二、三道為Ф609 鋼支撐，水平間距3 m，支撐豎向間距由上至下依次為4.12 m、3.5 m。主線橋橋墩附近基坑坑底加固采用旋噴樁進行滿堂加固，加固深度4 m；主線橋橋墩較遠處基坑坑底加固采用水泥攪拌樁進行抽條加固，加固深度3 m。高壓旋噴樁與攪拌樁樁徑均為0.85 m，間距0.6 m，水泥摻量20%。由于二期基坑北側距離橋墩較近，且現場原地面與整平后高差較大，冠梁處開挖采用拉森鋼板樁作臨時支護，同時減小冠梁開挖及施工對主線橋橋墩的不利影響。采用6 m 長拉森IV 鋼板樁進行隔離，待冠梁施工結束土體回填后拔除拉森鋼板樁。二期基坑圍護結構的立面和平面示意如圖4～5 所示。

圖4 明挖段圍護結構立面示意圖Fig.4 Open-cut section bracing structure facade diagram

圖5 明挖段圍護結構平面示意圖Fig.5 Open-cut section bracing structure plan diagram

2 有限元數值模擬分析模型

根據235 國道下穿留祥路西延互通主線橋工程設計圖紙與地勘資料，235 國道以明挖隧道方式下穿高架橋。本文采用地層結構法建立三維數值分析模型，基坑的平面尺寸寬度35.5 m，挖深最大11.7 m，模型尺寸的選取為基坑兩側各外擴5 倍基坑挖深，土層深度約為7 倍基坑挖深，以消除邊界的影響，模型尺寸取 160 m×150 m×84.35 m（X×Y×Z），其中，X 方向為橫橋向，Y 方向為順橋向，Y 正向為橋梁大樁號方向，Z 方向為豎向，如圖6 所示。模型網格采用空間四面體10 節(jié)點單元進行劃分，累計179 408 個單元，258 803 個單元節(jié)點。

圖6 有限元模型網格Fig.6 Mesh of finite element model

土體均采用小應變土體硬化模型（HSS）進行模擬；拉森鋼板樁以及鉆孔灌注樁等采用板單元進行模擬；橋梁樁和立柱樁采用嵌入梁單元進行模擬；支撐采用梁單元進行模擬。模型中高壓旋噴樁、水泥攪拌樁的坑底加固根據圖5 所示的加固范圍通過實體單元進行模擬，水泥摻量為20%，采用Mohr-Coulomb 本構模型，彈性模量取為120 MPa，黏聚力c'=300 kPa，φ′=30o[10]。參考HSS 本構模型參數確定的相關研究[11-15]，確定土體及結構模型參數如表1～3 所示。表2 中圍護結構樁的板單元厚度根據圍護結構每延米的剛度等效進行確定。

表1 HSS 土體本構模型參數表Table 1 Parameter table of HSS soil constitutive model

表2 板單元模型參數表Table 2 Parameter table of plate element model

表3 嵌入梁單元模型參數表Table 3 Parameter table of embedded beam element

有限元計算工況為：現狀模擬（主線橋按運營狀態(tài)考慮）→圍護結構施工→清表至第一道支撐底→施工冠梁與第一道混凝土支撐及擋墻→回填土并回收拉森鋼板樁→開挖至第二道支撐底→施工第二道支撐→開挖至第三道支撐底→施工第三道支撐→開挖至坑底→施工底板及腋角上方0.3 m 擋墻→拆除第三道支撐→施工側墻至第二道支撐底→拆除第二道支撐→施工剩余側墻及頂板→拆除第一道支撐→回填土。

根據235 國道下穿明挖段的建造時序，留祥路西延互通主線橋為運營狀態(tài)，在下穿段施工期間，主線橋交通繞行至西段隧道頂板。因此在下穿段施工期間，主線橋橋墩W27、W28 墩頂荷載主要為上跨梁體自重。W26～W29 上跨為“45 m+60 m+35.5 m”組合鋼梁，梁體自重依次為29 550 kN、39 400 kN、23 300 kN，傳遞到W27 墩頂集中荷載為34 475 kN，傳遞到W28 墩頂集中荷載為31 350 kN。

3 有限元結果與現場實測對比

3.1 有限元與現場實測對比分析

235 國道下穿留祥路西延互通主線橋節(jié)點工程在下穿明挖段基坑開挖施工過程中，對圍護結構的深層水平位移展開了監(jiān)測?；诂F場監(jiān)測數據以及有限元結果，整理了圍護結構施工、第一道支撐施工、開挖至第二道支撐底、開挖至第三道支撐底、開挖至坑底的關鍵施工節(jié)點的基坑圍護結構最大水平位移結果，以及基坑開挖至坑底工況時圍護結構沿深度分布的水平位移，如圖7 所示。從圖7 中可以看出，下穿段明挖隧道基坑開挖的不同工況下，圍護結構最大水平位移的有限元計算結果與現場實測吻合較好，反映出由于基坑開挖卸載引起圍護結構側向位移內凹形變形規(guī)律；根據基坑開挖至坑底工況下圍護結構水平位移沿深度分布情況，現場實測值與計算值吻合較好。因此說明了HSS 本構模型能較為準確地模擬基坑開挖。但由于現場施工較為復雜，還存在現場施工車輛等外部偶然荷載，現場實測數據較有限元結果稍大。

圖7 圍護結構水平位移實測值與計算值Fig.7 Measured value and calculated value of horizontal displacement of bracing structure

3.2 有限元計算結果

235 國道以明挖隧道方式下穿留祥路西延互通主線橋，從主線橋W27、W28 橋墩之間下穿。由于前述計算工況較多，此處選取最不利工況即隧道基坑開挖至坑底工況進行分析。提取該典型工況下圍護結構水平位移云圖，橋墩水平和豎向位移云圖，橋墩樁基水平和豎向位移以及彎矩云圖，如圖8～9所示。在隧道基坑從兩側高架橋橋墩中間明挖下穿施工的影響下，兩側高架橋橋墩往基坑側偏移，豎向位移主要表現為隆起。近高架橋橋墩基坑坑底加固采用滿堂加固，而遠離高架橋橋墩基坑坑底采用抽條加固。根據圍護結構位移云圖，最大水平位移發(fā)生在遠離橋墩處，說明了該加固方案能較好地控制高架橋橋墩水平位移。基坑開挖至坑底時，圍護結構水平位移最大為15.500 mm；橋墩最大水平位移為 1.056 mm，最大豎向位移為0.118 mm，表現為隆起；橋墩樁基最大水平位移為-1.856 mm，最大豎向位移為0.247 mm，表現為隆起。橋梁樁基混凝土強度等級為C30，樁徑1.8 m，樁身彎矩設計值為2 214.35 kN·m。受隧道基坑開挖的影響，兩側橋梁樁基最大彎矩由841.28 kN·m 增長至1 152.00 kN·m，低于彎矩設計值。

圖8 開挖至坑底工況位移云圖Fig.8 Displacement nephogram of excavation to the bottom of the pit

圖9 橋墩樁基彎矩云圖Fig.9 Bending moment nephogram of bridge pier pile foundation

3.3 主要施工工況下橋墩位移匯總

根據235 國道下穿留祥路西延互通主線橋工程設計圖紙與地勘資料，采用地層結構法建立三維數值分析模型，得到了各個施工工況下W27、W28 橋墩和橋墩樁基在各個方向上的最大位移響應結果，匯總主要施工工況的計算結果如表4 所示。在國道下穿段整個施工過程中，W27、W28橋墩的橫橋向最大水平位移為0.883 mm，順橋向最大水平位移為 3.061 mm，最大豎向位移為-0.330 mm。

表4 主要工況下橋墩與樁基位移匯總表Table 4 Summary table of pier and pile foundation displacement under main working conditions

根據《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》（JTG 5120—2021）[16]，參考國內類似工程經驗，橋墩變形控制要求為：豎向位移不大于10 mm，水平位移不大于5 mm。在國道下穿段全過程施工影響下，兩側橋墩變形滿足控制要求。

4 結 論

本文依托235 國道下穿留祥路西延互通主線橋節(jié)點工程，基于HSS 本構模型開展下穿段施工全過程仿真模擬，并結合現場實測數據驗證模型的有效性，最終得到了在各個施工工況下W27、W28橋墩及其樁基在各個方向的位移響應結果，主要結論如下：

（1）考慮土體小剛度的土體硬化模型（HSS）能夠反映土體的加載和卸載的非線性，能夠反映出土體單元的應力路徑，同時可以采用地質勘察報告結合已有的研究成果來標定其強度和剛度參數，為明挖基坑下穿施工對橋梁的影響分析提供可靠的評價手段。

（2）235 國道下穿段隧道基坑開挖過程中，圍護結構的有限元計算結果與現場實測吻合較好，說明分析模型能夠反映實際的施工工況。

（3）下穿段明挖施工全過程中，明挖基坑卸載引起圍護結構發(fā)生側向變形，進而影響周圍土層的變形，從而對兩側主線橋橋墩產生了一定的影響，其中橫橋向最大水平位移為0.883 mm，順橋向最大水平位移為3.061 mm，最大豎向位移為-0.330 mm。說明基坑開挖主要影響橋梁順橋向變形，在工程實施過程中應重點關注橋梁的順橋向變形。橋墩變形滿足《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》（JTG 5120—2021）的變形10 mm 控制要求。

（4）橋梁樁基彎矩發(fā)生一定增長，但低于樁基彎矩設計值，橋梁結構處于安全狀態(tài)。