城市深基坑开挖对高架桥的影响及控制分析

□文/杨晓猛 杨杰仁

城市深基坑开挖对高架桥的影响及控制分析

□文/杨晓猛 杨杰仁

文章以实际工程为例，通过对两种工法进行定性分析计算，确定采用盖挖顺作法作为邻近高架桥一侧的深基坑的设计方案。根据拟定的设计方案，运用有限元软件对开挖过程进行了仿真模拟并在基坑开挖前对桥桩进行预埋注浆等一系列加固控制措施。

盖挖顺作法；数值模拟；高架桥；监控；量测；深基坑

随着我国工程建设的大力发展，城市地铁的修建对于解决人们出行问题显得尤为重要。由于城市中建（构）筑物密集，在地铁基坑施工时不可避免会引起周围土体的变形[1]，因此，如何有效地控制基坑邻近建（构）筑物的变形成为了工程成败的关键。

1　工程概况

靖海公园地铁站位于江苏省无锡市上马墩路与江海东路交界处，2号线沿上马墩路纵向（东-西）布置，与设于沿江海东路布置的3号线形成T型换乘，车站西北侧设置连接2号线与3号线的联络线。2号线车站基坑起始里程为SK11+536.379～SK11+874.179，全长337.8 m，标准段基坑宽度为22.70 m，基坑深度为16.362～16.97m，东端盾构井基坑最深处为18.016 m，西端左线盾构井基坑最深处为18.342 m，西端右线盾构井基坑最深处为18.471m。3号线基坑平行于江海路高架，左线基坑长度为145.78 m，右线基坑长度208.25 m，南段盾构井处基坑宽度为26.8 m，基坑深度为25.13 m；标准段基坑宽度为22.9 m，基坑深度为23.3 m；北端窄段基坑宽度为10.7 m，一般段基坑深度为23.1 m，盾构井段基坑深度为24.45 m；三角形基坑是在2、3号线主体结构完成后再进行开挖，最大开挖深度15.5 m左右，其中局部有深坑，局部深坑深度为7.5 m。江海高架桥为分离式双向6车道，交通量大，最大跨为50 m，基坑高架桥基础为φ1 200mm@3 100mm的钻孔灌注桩，桩长38～52 m。基坑共分三期施工，其中一期主要包含2号线车站基坑；二期主要包含本站3号线车站基坑；三期主要包含联络线及三角商业开发区基坑。2号线基坑里程SK11+763.179～SK11+770.279段为横穿高架桥区域，桥桩承台距离2号基坑围护结构最近处仅为3.74 m，为确保基坑在施工过程中高架桥的安全，本文特对此段里程基坑支护设计进行相关专项分析研究。基坑平面见图1。

图1　靖海公园地铁站周边

2　地质情况

靖海公园地铁站地层属江南地区江苏部分，区内第四系沉积物覆盖广泛，沉积连续，层序清晰，覆盖厚度一般＞80m，场地位于太湖冲湖积平原区，地势平坦，2号基坑周边地质条件主要以粉质粘土、粉土为主，地表向下依次为杂填土、粉质粘土、粘土、粉土、粉砂，见表1。

表1　土层物理力学参数

地质条件结构较为松散、固结时间短、存在空隙，在勘察深度内沿线地下水类型主要为松散岩类孔隙水，地下水位埋深1.16～2.5 m，标高1.81～2.5 m。由于开挖深度大于该含水层埋深，故该含水层对基坑施工影响较大。

3　基坑开挖支护方案

施工主要考虑明挖法及盖挖顺作法，两者的优缺点见表2。由于江海高架桥承台距离2号基坑最近处仅有3.74m，开挖过程引起的卸荷作用极易造成高架桥的倾斜、外移甚至导致安全事故的发生，因此，如何确保在施工过程中高架桥的安全，是施工的重中之重。

表2　工法优缺点对比

由表2可知，明挖法在控制工期进度、造价成本以及保证工程质量等方面较盖挖法有一定的优势，但是在控制地表变形方面，盖挖法则更加有利。因此，运用2D计算软件分别对2号基坑里程SK11+763.179～SK11+770.279段采用明挖法及盖挖顺作法进行模拟定性分析，对比两者计算结果确定其开挖支护设计方案。结构拟采用厚800mmC35连续墙+内支撑的形式，基坑由上至下设置2道直径为609mm壁厚16mm的钢支撑及一道换撑，见图2和图3。

图2　明挖法计算模型

图3　盖挖法计算模型

3.1计算结果比较

由表3可知，虽然在工期以及施工成本方面明挖法较盖挖顺作法有一定的优势，但是采用明挖法开挖导致高架桥桩基的水平变形量为盖挖法的2倍，而竖向变形量也较盖挖法多出1.72mm；同时模拟开挖并未考虑其开挖过程中水位的变化、以及时间效应的影响，且是按理论标准情况设定条件，而实际施工过程则很难达到，在这样的情况下明挖法造成周围土体水平最大的变形量为15.2mm，已经超出了设计规范控制范围，因此，施工方案确定采用盖挖顺作法，同时盖挖顺作法相对明挖法在控制桥桩的内力方面上也有明显的优势，并且能够尽快恢复路面，对道路交通带来的影响降到最低。

表3　模拟结果对比表

3.2总体设计方案

经以上对明挖法及盖挖法进行定性计算分析，确定采用盖挖法作为里程SK11+763.179～SK11+770.279段的总体方案，但考虑到周边环境复杂，高架桥桩距离基坑最近处仅有3.74 m等特殊因素，本工程具体施工方案及其相关措施如下。

1）对2号基坑影响范围内的高架桥基进行斜向袖阀预埋注浆管进行加固处理并在基坑周边设置降水井，防止土壁坍塌，提高地基承载力，若在施工过程中发现异常情况立即对桥基采取跟踪注浆加固的应急措施。

2）在靠近江海高架桥基的基坑一侧，采用φ1.2 m@ 1 350mm钻孔灌注桩以及双排φ800mm@600mm三重管旋喷桩进行加固并起到隔离效果。

3）对于高架桥区域范围内基坑主体结构采用盖挖顺作法施工，其他未有邻近建筑物区域均采用明挖法施工；支护形式采用800mm厚连续墙+内支撑，基坑由上至下设置3道直径为609mm壁厚16mm的钢支撑及一道换撑，连续墙深度约为29m，加固措施见图4。

图4　基坑及高架桥桩加固

4　3D数值模拟仿真分析

4.1基坑参数及模型的选取

采用有限元软件对盖挖顺作法施工的工序及方案进行模拟。由于土体是典型的弹塑性材料，卸载模量远大于加载模量，摩尔-库仑模型将压缩和卸载模量统一采用杨氏模量E来表示，不能很好地模拟卸荷情况下土体的应力应变关系，因此采用修正的摩尔-库仑本构模型，该模型可以较好的模拟土体卸载时的应力应变关系。基坑支护钢支撑采用杆单元，混凝土撑采用梁单元，桥梁桩采用桩单元，连续墙结构采用板单元。计算各材料力学参数见表4。

表4　材料力学参数

4.2基坑开挖模拟分析

1）2号基坑模拟开挖。2号基坑模型长宽高为440 m×135 m×55 m，高架桥承台施加荷载4 500～5 000 kN，计算共分为8个计算阶段，分别模拟不同施工阶段的开挖与支护，基坑及支护结构模型见图5和图6。

图5　2号基坑模型

图6　2号基坑支撑结构模型

2）结果分析。由图7-图9可知，2号基坑开挖引起江海高架桥最大沉降变形为3.42mm（JHZ119、JHY119），朝基坑内方向最大水平位移为3.26mm，平行基坑方向最大水平位移为1.51mm（JHY119），承台间最大的差异沉降量为3.206mm均小于设计规范要求承台间最大差异沉降量的5mm以及桩基水平位移的6mm，满足设计要求。

图7　2号基坑开挖桥桩Z方向位移

图8　2号基坑开挖X方向位移

图9　2号基坑开挖Y方向位移

5　现场高架桥变形监测与分析

5.1江海高架桥监测等级

为有效地反馈基坑开挖对高架桥造成的安全性影响，针对高架桥进行专项监测方案。根据总体技术要求，本基坑变形控制保护等级为一级，具体变形控制值见表5。桥梁差异沉降控制标准：桩间差异沉降量10mm，其余桥桩间的差异沉降量控制在5mm。桥梁桩基水平变形控制标准是6mm，监测布置点见图10。

图10　高架桥监测平面布置

5.2高架桥现场监测结果分析

现场对邻近基坑的4个桥桩进行了沉降及水平位移变形监控，沉降累计结果见图11，水平位移最终变形量见表5。

图11　高架桥现场监测沉降

表5　高架桥水平位移最终变形量mm

在对高架桥桩进行注浆加固的阶段，承台稍有隆起现象，随着基坑的开挖进行，造成了地应力的卸荷作用，基坑周围土体有向基坑内方向变形的趋势，承台出现略微沉降，在对基坑进行支护后，变形逐渐趋于稳定，最大沉降变形量为3.12mm，最大水平变形量为2.24mm，均小于设计规范要求，说明此工法及优化方案行之有效，确保了桥桩的安全稳定。

5.3理论预测与实测结果分析对比

将实测基坑开挖造成高架桥的变形量与软件预测变形量进行对比，结果见表6。

表6　预测变形累计值与实测变形累计值比较mm

高架桥最终沉降预测值与实测沉降值误差值分别为0.83、0.19、0.34、0.35mm，承台最大差异沉降量误差值为0.87、0.49mm，最大水平变形量误差值为0.88mm，其误差值均控制在1mm以内，说明有限元模拟软件对基坑开挖造成邻近高架桥的影响分析较符合现场实际情况；此外实测变形数据均稍大于数值模拟预测数据，说明数值模拟计算过程较实际情况还有待更好地拟合，同时，可为相关类似工程起到一定的安全预警作用。

6　结论

1）为确保邻近高架桥在基坑开挖过程中的安全，从控制桥桩变形、土体变形、受力等方面综合定性的对比了明挖法及盖挖顺作法，确定采用盖挖顺作法作为邻近高架桥区域内的基坑开挖支护方式，是确保高架桥安全的关键。

2）考虑到地层以粘土及粉砂为主并且地下水较为丰富的原因，在基坑开挖前对高架桥桩基础进行了预埋注浆加固处理并在靠近江海高架桥基的基坑一侧，采用φ1.2 m@1 350mm钻孔灌注桩以及双排φ800mm@600mm三重管旋喷桩进行加固并起到隔离效果，通过施工过程的监控量测结果显示，此优化方案行之有效，很好地控制了桥桩及周围土体的变形。

3）采用数值模拟软件对基坑开挖进行模拟预测，其误差均控制在1mm以内，说明此方法较符合现场开挖情况，可为今后类似的基坑工程提供了一定的理论参考和经验指导。但由于对本工程基坑进行模拟分析时未考虑到水以及时间效应的影响，完全按照理论标准条件设定，因此，模拟结果均较实际结果略小，其模拟值可为实际工程起到一定的安全预警作用，如何将理论计算更好的与实际工程问题相拟合，是目前研究人员还需亟待解决的难题。

[1]刘建航，侯学渊.基坑工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.

[2]贾善坡，陈卫忠，杨建平，等.基于修正Mohr-coulomb准则的弹塑性本构模型及其数值实施[J].岩土力学，2010，（7）：2051-2058.

[3]陶帅，王学滨，潘一山，等.基于摩尔-库仑模型的非线性本构模型的开发及其在应变局部化中的应用[J].岩土力学，2011，(S1)：403-407.

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

□杨杰仁/中铁隧道勘测设计院有限公司。

□TU433

□C

□1008-3197（2015）01-51-04

□2014-10-20

□杨晓猛/男，1983年出生，工程师，中铁隧道勘测设计院有限公司，从事隧道与地下工程设计工作。