临近已建高铁桥墩的管廊基坑设计及安全影响分析

甄亚彬

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

0 引言

随着国家高速铁路的飞速发展，城市地铁、综合管廊等地下基础设施在建设过程中势必在某个位置会邻近已建的高铁桥墩，为最大程度减小地下基础设施施工对已建高铁桥墩的影响，其施工工艺多采用对周边环境影响甚微的顶管、盾构等非开挖工艺。

在管廊明挖施工时，不同的基坑支护型式会对周边土体产生不同程度的扰动，土体的扰动可能会对已建高铁墩柱带来安全隐患。因此，为确保管廊基坑施工对邻近高铁墩柱的影响在规范允许范围内，管廊基坑的支护结构的设计尤为重要。

本文以某邻近已建高铁桥墩的管廊基坑为研究对象，首先利用传统计算软件对其支护结构进行设计，随后采用MIDAS-GTS 有限元软件评估该支护结构的可行性，同时也为后续基坑及高铁桥墩的实时监测和预警提供了数值依据。

1 工程概况

本工程综合管廊结构外轮廓尺寸为8.55×5.7 m，覆土厚度为2.6 m，管廊基坑开挖深度为8.4 m，结构断面见图1。

管廊在已建高铁42 号和43 号桥墩之间通过，管廊结构边线距42 号桥墩的距离为13.29 m，距桥墩承台的距离为9.58～10.46 m，管廊基坑影响范围内的41 号至44 号桥墩的基础设计参数见表1。

图1 综合管廊断面图（单位：mm）

表1 桥墩基础设计参数表

2 围护结构设计

本段基坑在施工过程中需保护对象为高铁桥墩，桥墩的基础型式为桩基础，桩基顶部承台的平面尺寸为15.4 m×18.6 m，承台底埋置深度为5.0 m。管廊基坑为沟槽型基坑，沟槽基底宽度10.55 m，开挖深度8.4 m。

根据沟槽型基坑的特点，挖土机械及土方运输车辆可均在沟槽内进行，其它如吊车、泵车等工程机械也可仅安置在沟槽的单侧，因此高铁桥墩一侧的地面超载可仅考虑巡检荷载，根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012），高铁桥墩侧考虑2 kPa 的巡检荷载。

根据高铁桥墩的基础形式及其对土体变形程度的要求，该区段高铁墩柱侧围护结构设计为单排悬臂灌注桩型式，另一侧则进行放坡开挖。

首先1∶1 放坡至-3.00 高程并预留3 m 宽平台，坡面喷射C20 素混凝土100 mm 厚，内挂8@200×200 钢筋网片，坡面上同时打设两排48×3.5（mm）钢管土钉并对桥墩承台侧土体进行注浆加固，土钉长度为3 m，纵向间距为1.5 m，梅花形布置。桩基规格为600@800 钻孔灌注桩，桩长为11 m，插入坑底深度为5.6 m，桩顶设置800×800 钢筋混凝土围檩。该支护结构型式可满足《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012）相关要求，计算结果见表2 及图2～图4。

图2 单排悬臂桩支护剖面

3 数值模拟分析

采用MIDAS-GTS 有限元软件对支护结构、综合管廊、高铁桥墩进行整体建模计算，以评估支护结构的可行性，同时也为后续基坑及高铁桥墩的实时监测和预警提供数值依据。

图3 内力位移包络图

图4 地表沉降图

3.1 技术标准

根据《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》（TB 10182—2017）规定，受下穿影响的高速铁路桥梁墩台顶位移理论分析及现场实测值应满足表3 要求。

表3 桥墩顶位移控制标准

3.2 力学参数

根据地勘报告可知，该区段土层自上而下以此为黄土、圆砾和玄武岩，各土层的力学参数及土层厚度见表4。

表4 土层力学指标

3.3 模型的建立

顺铁路桥方向定义为X 轴，顺管廊方向定义为Y 轴，数值方向定义为Z 轴。为消除边界条件对计算结果的影响，模型X 方向取200 m，Y 方向取100 m，土层总深度取80 m。

土体模型的边界条件均为设置为位移边界，除模型的上表面边界为自由外，其余各面仅约束相应方向的位移。

土体、桥墩、承台采用六节点四面体单元，管廊结构采用面板单元，支护桩采用梁单元，支护桩与土的接触面采用软件自带的界面单元。

高铁桥墩侧的地面超载取为2 kPa，桥墩对侧地面超载取为20 kPa，桥墩顶部荷载按桥梁设计荷载查取并换算成均布荷载施加于桥墩顶部。有限元总体模型见图5、图6。

图5 有限元总体模型图一

图6 有限元总体模型图二

3.4 施工步骤定义

根据构筑物建设的先后顺序来定义施工步骤如下。

第一步：施加土层自重并计算初始地应力；

第二步：激活桥墩、承台、桩基及墩顶荷载；

第三步：将上一步计算位移结果清零并激活支护桩和地面超载；

第四步：管廊基坑开挖至基底；

第五步：管廊垫层施工；

第六步：管廊主体结构施工；

第七步：基坑回填。

3.5 结果输出

在单排悬臂灌注桩围护体系下，伴随着基坑开挖，支护结构的变形逐渐增大，当基坑开挖至基底时，支护结构变形值达到最大并趋于稳定，由此可知基坑开挖至基底阶段是整个施工过程中对高铁桥墩影响最大的阶段，因此本文仅输出基坑开挖至基底阶段的各项计算结果。

由计算结果可知，受土方开挖卸载的影响，管廊基坑周边土体出现了不同程度的隆起，邻近的42 号墩柱正好处于土体隆起范围的边缘，基坑底部最大隆起量的最大值为6.45 mm，42 号墩柱附近土体的最大隆起量为1.5 mm，见图7。

图7 开挖至坑底阶段土体竖向变形云图

由计算结果可知，围护桩区段内土体的最大位移为1 mm，围护桩两侧自然放坡区段的最大位移为1.57 mm，见图8。

图8 开挖至坑底阶段土体沿桥梁方向变形云图

由计算结果可知，由于土方开挖卸载引起的土体隆起，导致邻近管廊基坑的桥墩桩基出现了上浮的迹象，42 号桥墩桩基最大上浮位移为0.864 mm，墩顶的最大上浮位移为0.565 mm，满足TB 10182—2017 中相关要求，见图9、图10 及表5。

图9 开挖至坑底阶段桥墩竖向变形云图

图10 开挖至坑底阶段各桥墩竖向位移曲线

表5 开挖至坑底阶段桥墩墩顶竖向位移

由计算结果可知，受42 号墩柱邻近管廊基坑桩基上浮的影响，42 号桥墩墩顶的最大位移为-1.906 mm，满足TB 10182—2017 中相关要求，见图11、图2 及表6。

由计算结果可知，42 号桥墩墩顶沿管廊方向的最大位移为0.052 mm，满足TB 10182—2017 中相关要求，见图13、图14 及表7。

图11 开挖至坑底阶段桥墩沿桥梁方向变形云图

图12 开挖至坑底阶段各桥墩沿桥梁方向位移曲线

表6 开挖至坑底阶段桥墩墩顶沿桥梁方向位移

4 结 语

（1）在现有条件下，邻近高铁桥墩采用单排悬臂灌注桩进行基坑支护是可行的，基坑支护方案能保证高速铁路的运行安全。

（2）施工时，应严格控制高铁桥墩侧的坑边荷载不大于2 kPa，避免超载引起的过大变形或基坑失稳影响高速铁路的运行安全。

图13 开挖至坑底阶段桥墩沿管廊方向变形云图

图14 开挖至坑底阶段各桥墩沿管廊方向位移曲线

表7 开挖至坑底阶段桥墩墩顶沿桥梁方向位移

（3）施工时，应委托具有铁路监测资质的第三方机构对高铁桥墩及基坑的变形进行监测，当桥墩及基坑变形超过报警值时应采取必要的应急措施。

（4）建议本区段管廊施工时，先行施工42 号桥墩区段的管廊，待该区段管廊施工完毕后在分别向两侧对称施工，以充分利用空间效应，最大程度的减小对桥墩的不利影响。