基于鄰近既有高鐵橋梁深基坑施工方案初探

【摘要】深基坑施工對(duì)鄰近既有高鐵梁橋的影響是工程設(shè)計(jì)和施工中的難點(diǎn)。以揚(yáng)州南站地鐵一號(hào)線深基坑施工為依托，從高鐵梁橋與基坑位置、土層工況、分層開挖等影響因素出發(fā)，采用有限元分析方法模擬深基坑施工對(duì)鄰近既有高鐵梁橋的影響，并提出現(xiàn)場施工的建議措施。通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果比較，吻合情況較好，研究表明，對(duì)于鄰近基于高鐵橋梁，深基坑施工采用坑底與高鐵橋梁樁基同時(shí)加固、分區(qū)開挖及控制降水等的保護(hù)措施是有效的。

【關(guān)鍵詞】鄰近、高鐵梁橋； 深基坑； 施工； 建議措施

【中圖分類號(hào)】U442.5+6A

0 引言

在國內(nèi)一二線城市眾多地下軌道交通建設(shè)過程中，不可避免地會(huì)涉及地鐵深基坑施工對(duì)既有高鐵梁橋的安全影響問題。在軟土地層中，開挖基坑引起的地層移動(dòng)會(huì)同步帶動(dòng)旁邊高鐵梁橋基礎(chǔ)位移，樁基由主動(dòng)變?yōu)楸粍?dòng)［12］，加之城市地鐵建設(shè)的不確定性和橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致了城市地鐵工程鄰近橋梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)的顯著增加［13］，從而對(duì)高鐵梁橋使用功能和安全性產(chǎn)生影響，稍有不慎將會(huì)嚴(yán)重威脅高鐵運(yùn)營安全。根據(jù)高鐵橋梁相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，保證橋梁安全預(yù)、報(bào)警值如表1所示［7］。

從表1中數(shù)值可以看出，高鐵橋梁對(duì)于變形要求相較于以往普通高架橋、普通鐵路橋梁更高，這就給工程建設(shè)提出更高的技術(shù)要求。何蓓［1］對(duì)深基坑附近砌體房屋進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)砌體房屋的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)提出加固措施，增加房屋抗變形能力。胡眾［2］結(jié)合合肥地鐵工程施工建設(shè)，針對(duì)當(dāng)?shù)毓こ痰刭|(zhì)條件及水文地質(zhì)特征進(jìn)行深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)分析，提出適用于合肥地區(qū)的施工安全控制技術(shù)和措施。段生福［3］對(duì)蘭州地鐵深基坑工程提出風(fēng)險(xiǎn)控制措施的風(fēng)險(xiǎn)管理流程，確定影響基坑工程安全風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)高的四個(gè)因素并提出相應(yīng)控制措施，為蘭州地區(qū)相似深基坑工程參考?？抵拒姷龋?］對(duì)上海軟土地區(qū)深基坑工程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析研究基坑被動(dòng)區(qū)不同加固形式對(duì)基坑變形影響，結(jié)果顯示通過采取被動(dòng)區(qū)加固可有效控制基坑底部隆起，以及地連墻位移、地表沉降；同時(shí)也證實(shí)了滿堂加固較裙邊加固更有利于增加基坑自身剛度。朱志祥等［5］利用FLAC3D研究了基坑加固的作用，但其采用的土體本構(gòu)模型不能反映土體卸載模量，且文中缺少數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的擬合對(duì)比，數(shù)值模型的合理性有待驗(yàn)證。李兵等［8］利用數(shù)值模擬軟件對(duì)地鐵深基坑開挖對(duì)鄰近橋樁的影響進(jìn)行分析，結(jié)果表明：樁基入土深度為1.5倍基坑深度為最優(yōu)樁基入土深度;橋墩距基坑最低標(biāo)準(zhǔn)安全距離為基坑深度的1/2。宋林等［9］借助深圳11號(hào)線工程實(shí)例，對(duì)緊鄰既有線地鐵車站基坑明挖順筑法和蓋挖逆筑法兩種施工方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究。溫淑荔［10］分析了深基坑開挖對(duì)緊鄰建筑物影響規(guī)律，并給出了對(duì)具體的加固措施以及加固范圍。

現(xiàn)有研究對(duì)深基坑自身變形控制已有頗多研究，但對(duì)于存在既有橋梁結(jié)構(gòu)安全施工措施研究較少，對(duì)高鐵橋梁的安全研究更是少之又少，因此，有必要進(jìn)一步研究明挖深基坑施工對(duì)鄰近高鐵橋梁的影響，合理選擇控制高鐵橋梁變形的設(shè)計(jì)方案，提出有效安全措施，確保高鐵橋梁可以正常運(yùn)營。本文以揚(yáng)州南站地鐵一號(hào)線深基坑施工為依托，從高鐵橋梁與基坑位置、土層工況，分層開挖等影響因素出發(fā)，采用有限元分析方法模擬深基坑施工對(duì)鄰近既有高鐵橋梁的影響，并提出現(xiàn)場施工的建議措施。以期對(duì)同類型深基坑的施工、設(shè)計(jì)以及監(jiān)測提供參考。

1 工程概況

本工程為揚(yáng)州地鐵1號(hào)線沙灣南路站—揚(yáng)州南站站區(qū)間下穿高鐵段區(qū)間工程，區(qū)間自西向東垂直穿越連鎮(zhèn)鐵路股道（橋墩編號(hào)Y45～Y46），區(qū)間預(yù)埋工程實(shí)施范圍合計(jì)長127 m，均為直線段。如圖1所示。揚(yáng)州地鐵1號(hào)線下穿南站高鐵區(qū)間工程長度127 m，寬度25 m；地鐵主體結(jié)構(gòu)為雙層三跨鋼筋混凝土矩形框架結(jié)構(gòu)，底板坐落于粉砂層；采用明挖順作法施工，開挖深度22～24 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 m厚地下連續(xù)墻，支撐體系采用支撐+立柱結(jié)構(gòu)形式，其中第一、四道撐采用混凝土支撐，其余均采用鋼管支撐。

工程場地開挖影響范圍內(nèi)主要以粉砂為主，且地下水豐富，滲透性差，易發(fā)生涌水涌砂等事故；基坑最大開挖深度達(dá)24 m，且基坑附近高鐵橋墩與地下連續(xù)墻的凈距僅為1.0 m，這些客觀條件均增大了基坑施工的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 主要技術(shù)措施

為提高工程抗風(fēng)險(xiǎn)能力，保證基坑開挖過程中基坑自身安全，同時(shí)確保高鐵橋梁正常運(yùn)營，故考慮采取相應(yīng)的措施，減少基坑開挖對(duì)既有高鐵橋梁的影響。

2.1 設(shè)計(jì)措施

由于基坑下穿高鐵橋梁，為盡量減少基坑開挖對(duì)既有高鐵橋梁樁基的擾動(dòng)，在滿足防水性能要求上盡可能增大基坑與樁基的安全距離，故基坑圍護(hù)采用 “地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐”的方案，增大圍護(hù)體系整體剛度，減少基坑側(cè)向位移［15］。

2.2 加固措施

采用“主被動(dòng)區(qū)加固”可控制基坑側(cè)向變形及坑底隆起變形，以及起到均衡土壓，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)整體性狀，抑制基坑后土體變形的作用［14］，故對(duì)基坑底部及高鐵橋梁樁基土體進(jìn)行提前加固。見圖2及圖3，加固范圍及方法：（1）基坑底板以下地基進(jìn)行處理：采用滿膛攪拌樁加固方法，加固深度為深入坑底以下3 m。（2）高鐵橋梁樁基周圍土體處理：選用注漿加固法，加固深度為28 m。

2.3 降水措施

基坑施工要求為無水環(huán)境，基坑內(nèi)部設(shè)置疏干井，在基坑開挖前進(jìn)行疏干降水，預(yù)抽水時(shí)間不宜小于15天。開挖前坑內(nèi)自由水位線應(yīng)降至開挖面以下1.0 m。在基坑外側(cè)設(shè)置降水井，坑外降水設(shè)計(jì)降深為68 m，基坑開挖過程中，應(yīng)確?？油獾叵滤桓叱绦∮?1.0 m。

2.4 施工措施

施工工期較長，為小單個(gè)基坑的規(guī)模， 充分利用了基坑的時(shí)空效應(yīng)［11］，因此將預(yù)留段的基坑分為三部分，集中先施工中間基坑，而后施工兩側(cè)的基坑，在兩側(cè)基坑開挖時(shí)，建議保留中間基坑臨近兩端的首道混凝十支撐暫不拆除，增加兩側(cè)基坑開挖時(shí)的安全系數(shù)（圖4）。

2.5 監(jiān)控措施

本工程施工過程中對(duì)高鐵橋梁及明挖基坑進(jìn)行全過程晝夜監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容主要包括：（1）圍護(hù)墻位移監(jiān)測；（2）立柱結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測；（3）支撐軸力監(jiān)測；（4）地下水位監(jiān)測；（5）周邊地表沉降監(jiān)測；（6）鐵路墩臺(tái)沉降、傾斜監(jiān)測。監(jiān)測過程嚴(yán)格按規(guī)范及國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，確保數(shù)據(jù)的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。一旦出現(xiàn)預(yù)警，立即停止開挖，采取應(yīng)急措施，保證施工安全。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

3.1 模型參數(shù)及計(jì)算工況

采用有限元分析軟件GTS NX建立三維數(shù)值模型，基坑開挖土體均采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)及坑底和樁基加固體采用各向同性的線彈性模型來模擬；初始地下水位以下的土體均處于飽和狀態(tài)。其中涉及混凝土材料均采用C35，鋼腰梁采用Q345，鋼支撐采用Q235模擬，其他模型參數(shù)設(shè)置見表2。

3.2 三維分析計(jì)算

根據(jù)圍護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)方案要求，計(jì)算工況如表3所示。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 基坑模擬結(jié)果

3.3.1.1 坑底隆起模擬結(jié)果

提取工況17與工況29兩關(guān)鍵施工階段，如圖5、圖6所示，可以看出坑底最大隆起量為+3.79 mm，發(fā)生在基坑一開挖完成時(shí)?；佣⒒尤_挖完成后坑底最大隆起依然在基坑一底部，為+3.77 mm，表明基坑二與基坑三開挖對(duì)基坑一坑底位移影響并不大，且坑底隆起值在可控范圍內(nèi)。

3.3.1.2 地表沉降模擬結(jié)果

由圖7和圖8可知，基坑一開挖各工況下，距基坑邊緣0～10 m之間第一排承臺(tái)處地面沉降較小，主要原因是由于預(yù)先對(duì)樁基周圍土體進(jìn)行加固處理，加固土體范圍內(nèi)存在明顯位移約束，30～40 m第二排承臺(tái)處地表沉降較小主要是由于距離基坑開挖面較遠(yuǎn)，加之該處樁基表面與周圍土體約束，土層位移受阻。從而在兩承臺(tái)之間土體位移呈現(xiàn)中間大兩頭小的“凹”形分布，沉降最大值約在距基坑邊緣20 m位置，約為2.7 mm，說明加固土體起到了約束土層沉降的作用，此時(shí)Hsieh和Ou等［6］的一般結(jié)論不再適用。

3.3.2 高鐵墩臺(tái)模擬結(jié)果

提取工況29如圖9所示，可以看出墩臺(tái)最大豎向位移發(fā)生在承臺(tái)邊緣，數(shù)值為-1.44 mm，小于報(bào)警值3.0 mm。故加固措施是有效可行的。

3.4 實(shí)測對(duì)比

基坑開挖引起了地連墻側(cè)移、地表沉降和地基土層的深層沉降。土層的變形會(huì)造成基坑附近的橋梁樁基礎(chǔ)產(chǎn)生附加沉降，從而影響高鐵橋梁樁基的穩(wěn)定性?，F(xiàn)在提取承臺(tái)上沉降監(jiān)測點(diǎn)相對(duì)應(yīng)位置處的最大沉降模擬值與最大監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比見表4。由以上承臺(tái)的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)以及模擬計(jì)算值來繪制承臺(tái)沉降計(jì)算值與監(jiān)測值對(duì)比曲線如圖10所示。

由表4和圖10可知，承臺(tái)最大沉降值模擬與實(shí)測基本吻合，且均小于預(yù)警值3.0 mm，說明橋梁墩臺(tái)的沉降控制良好，在該基坑開挖施工中對(duì)高鐵橋梁安全性在控制范圍內(nèi)。由此可見，本工程采用的基坑底部及高鐵樁基同時(shí)加固及分期施工組織方案對(duì)既有高鐵橋梁的保護(hù)有效、可靠，滿足施工的技術(shù)要求。

4 結(jié)束語

深大明挖基坑卸荷及降水對(duì)鄰近高鐵橋梁有一定的影響。通過三維有限元分析及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)來看，基坑開挖范圍越大、暴露時(shí)間越長、土體力學(xué)性質(zhì)越差，橋梁所受的影響程度也越大。根據(jù)實(shí)際工程情況提出的坑底土體加固、高鐵橋梁樁基注漿加固等措施，對(duì)高鐵橋梁起到了確實(shí)有效的保護(hù)作用，可為今后類似工程提供良好的借鑒。

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