基坑开挖引起邻近高铁桥墩隆起变形实例分析

孟繁增

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

随着我国基础设施建设的快速推进，出现越来越多邻近运营高铁进行基坑开挖的工程，需要对新建工程对既有运营高铁桥梁的影响进行研究。目前国内外多个学者研究了基坑开挖对临近工程的影响，方浩[1]、马宁[2]、邹淼[3]等对基坑开挖对既有高铁路基和临近管线的变形影响进行了分析，但未对桥梁结构进行影响分析；胡军[4]、李龙剑[5]、郑刚[6]、杨敏[7]、魏丽敏[8]、潘振华等[9]采用数值分析方法对基坑开挖对邻近高铁桥墩桩基的变形影响进行了计算，但均为桩基的水平变形和弯矩的影响研究，未分析对竖向变形的影响；王菲[10]采用数值分析的方法分析了大面积深基坑工程对既有高铁桥梁竖向变形、水平变形及承载力的影响，但未与实测数据进行对比；木林隆[11]等提出了首先采用基于经验公式计算基坑开挖引起的自由场三维土体位移，然后基于差分方法计算对邻近桩基竖向和水平向影响的两阶段分析方法，同样未与实测数据进行对比；禚一[12]等采用ABAQUS软件建立了三维数值模型，分析基坑开挖对既有路基和桥梁变形的影响，并与实测数据进行对比，提出随着基坑开挖的进行，卸载效应明显，引起既有桥墩隆起；王淑敏[13]通过评估、试验和实测数据进行分析，指出土方开挖会引起高铁桥梁和路基结构的隆起变形。

TB10621-2014《高速铁路设计规范》[14]、铁运[2012]83号《高速铁路无砟轨道维修规则》[15]、TB10182-2017《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》[16]等规范规程均对既有高铁桥墩的竖向变形提出了限值要求，针对基坑开挖对邻近高铁桥墩变形影响，特别是隆起变形影响的分析尚不多见，可借鉴的资料不多，以2个在高铁桥墩附近开挖基坑的工程实例为研究对象，分析基坑开挖对既有高铁桥墩隆起变形的影响，以期为类似邻近高铁的基坑开挖工程的评估分析提供参考。

1 基坑开挖对既有高铁桩基础隆起影响的实例

1.1 实例一

某城市道路采用U形槽接框构的形式下穿既有高速铁路。如图1和图2所示，基坑采用明挖形式，共分为两部分，1号基坑平面尺寸为22.5 m×20.0 m，深度为8.236 m，采用1.25 m@1.5 m钻孔灌注桩防护，桩长19.35 m，设置φ=609 mmt=12 mm的钢管撑6道，间距4.5 m；2号基坑平面尺寸为22.5 m×28.26 m，深度为8.24 m，采用1.25 m@1.5 m钻孔灌注桩防护，桩长19.35 m，设置0.8 m×0.85 m钢管混凝土支撑3道，间距8.5 m。2号基坑一侧接既有框构。交叉位置处既有高速铁路为无砟轨道，桥梁结构形式为(32+48+32) m连续梁，桥墩基础为桩基础，桩长56 m，桩径1.5 m。基坑防护桩与桥墩承台的最小净距为2.02 m。

图1 基坑与周边高铁桥墩的平面关系(单位：m)

图2 基坑与周边高铁桥墩的立面关系(单位：m)

基坑开挖采用分层分片的方式进行，由于下穿区域位于市内，受交通组织影响，开挖及出土均于当日夜间至次日凌晨进行，白天则处于停工状态，前3次的开挖情况如图3所示。

图3 前3次开挖基坑剖面(单位：m)

第1次开挖于2016-10-08 17:00～2016-10-09 08:00进行，开挖平面尺寸为6.5 m×22.5 m，开挖深度为3.0 m，开挖方量为438.75 m3；第2次开挖于2016-10-09 20:00～2016-10-10 06:00进行，开挖平面尺寸为28.26 m×22.5 m，开挖深度为4.6 m，开挖方量为2 486.16 m3；第3次开挖于2016-10-11 17:00～2016-10-12 07:00进行，开挖平面尺寸为20.0 m×22.5 m，开挖深度为2.5 m。前3次开挖区域与线路中心的距离由近及远，第1次开挖中心与线路中心的距离为3.16 m，第2次开挖中心与线路中心的距离为7.90 m，第3次开挖中心与线路中心的距离为21.93 m。

基坑开挖过程中，采用高铁沉降变形自动化监测系统SMAIS[17]对既有桥梁结构的竖向变形情况进行监测，沉降监测测点布置于梁体支点位置。监测成果如图4及图5所示。

图4 既有高铁111号墩及112号墩测点隆起值时程曲线

图5 既有高铁桥梁隆起值断面曲线

由图4可知，开挖期间每天的夜间至次日凌晨，随着基坑开挖及出土的进行，既有高铁桥墩呈现较为明显的隆起趋势，在白天基坑开挖的间隙期，既有高铁桥墩的竖向变形基本保持稳定。由图5可知，既有高铁测点的隆起表现出了随着与基坑边缘距离而衰减的明显规律，由于距离基坑边缘较近，111号桥墩及112号桥墩的隆起趋势比较明显，在距离基坑边缘较远的109号桥墩、110号桥墩、114号桥墩没有明显的隆起规律。由于桥墩隆起值并不一致，前3次开挖完成后，110号桥墩及111号桥墩的差异沉降值已经达到0.61 mm。随后，现场调整了施工步骤，采取了开挖过程中将挖方土体暂时堆至基坑防护桩两侧及桥墩周围进行反压，待基坑内的框构及U形槽结构施工完成后，再将挖方土体运出施工场地的施工方案，避免了既有高铁桥墩差异沉降快速增加。

1.2 实例二

某高速公路下穿既有高速铁路采用压重顶推框构法施工，工作坑位于既有高速铁路南侧，呈矩形布置，采用放坡开挖形式，基坑边坡坡比为1∶0.6，基坑底面轮廓尺寸为58.6 m×83.6 m，开挖面积为5 066 m2，基坑顶面轮廓尺寸为71.6 m×97.8 m，开挖面积为7 107 m2，基坑开挖深度为10 m，基坑开挖总体积为51 500 m3，基坑轴线与桥梁轴线的斜交角度为61.8°。既有高速铁路为无砟轨道，桥梁结构为32 m简支梁，基础采用桩基础形式，其中138号、139号、140号桥墩对下穿公路进行预留条件，承台下埋10 m，且桩长进行了相应的加长。如图6、图7所示。

图6 基坑与桥墩的平面关系(单位：m)

图7 基坑与桥墩的立面关系(单位：m)

2016-5-7日～2016-5-13日，现场进行了基坑开挖工作，开挖方量共计49 000 m3。开挖过程中，对既有高速铁路的竖向变形进行实时自动化监测。监测测点布置于梁体支点位置，上下行侧各布置1个测点。图8及图9给出了140号桥墩和141号桥墩的隆起值与开挖方量的关系曲线。由图8及图9可以看出，随着基坑开挖的进行，140号和141号测点的隆起值逐渐增加。

图8 140号桥墩隆起值与开挖量的关系曲线

图9 141号桥墩隆起值与开挖量的关系曲线

图10给出了开挖方量49 000 m3时既有高速铁路隆起值的断面曲线。由图10可知，基坑开挖方量至49 000 m3时，既有高速铁路桥墩出现明显的隆起现象。横向上，由于上行侧测点与基坑的距离较近，因此上行侧测点的隆起值大于下行侧测点的隆起值，上行侧的最大隆起值为3.10 mm，下行侧的最大隆起值为2.51 mm，二者相差0.5 mm。纵向上，随着各测点与基坑边缘距离的增加，隆起值出现衰减现象。由于各测点隆起值不一致，出现了差异沉降，最大差异沉降位于138号桥墩和139号桥墩的上行侧，达到0.72 mm，影响不可忽略。为避免现场隆起值的进一步发展，现场采取了桥下反压堆土的措施，隆起趋势得到抑制。

图10 2016-5-13既有高速铁路桥墩隆起断面曲线

2 隆起分析及计算方法

2.1 原因分析

根据文献[18]，基坑开挖后墙后的土体可以分为塑性平衡区、弹性平衡区和未扰动区，如图11所示，其中A区为塑性平衡区，B区为弹性平衡区，C区为未扰动区。文中所介绍的两个实例虽然桥下基坑开挖的深度较深，达到8～10 m，但由于桥梁桩基较长，为基坑深度的5～7倍，且由于设计时对下穿工程进行了预留，承台进行了下埋，承台位于基坑底面以下。因此，桥梁桩基大部分位于传统意义上的未扰动区。而传统的未扰动区并非绝对的零影响，基坑开挖后土体的移除，相当于在原地应力的基础上进行了卸荷，未扰动区的土体产生了微量回弹，带动桩基础产生变形。基坑平面规模越大，基坑越深，距离高铁的距离越近，桩基础的隆起变形也越大。

图11 墙后土体变形状态分析简图

2.2 计算方法

TB10093—2017《铁路桥涵地基和基础设计规范》[19]中第3.2.4条规定，摩擦桩基础的总沉降量计算可将桩基视作实体基础，按照规范中给出的分层总和法进行计算，但规范中只有桩基础受桩顶荷载时的沉降计算方法，未给出摩擦桩基础受邻近地面荷载变化时的沉降计算方法；GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》[20]第5.3.9条规定，当存在相邻荷载时，应计算相邻荷载引起的地基变形，其值可按应力叠加原理，采用角点法计算，但规范所给出的为查表法，不利于计算机计算。本文将基坑开挖视作卸载过程，编制了高铁桥墩邻近荷载竖向变形影响计算软件PIAS，对道路开挖对邻近桩基础的竖向变形影响进行计算。计算步骤如下：

(1)根据Mindlin解析公式，结合应力叠加原理计算开挖卸载引起桩身位置处土体沿深度方向的附加应力变化；

(2)采用幂指数形式的土体模量(考虑回弹模量)计算公式，并结合土层所在位置的历史应力，计算分层模量；

(3)根据附加应力和模量计算分层应变，并进一步计算分层压缩量；

(4)分层求和得到桩基础的隆起回弹变形。

其中，假定桩基础的中性点位于桩身的2/3处[21]，压缩层的厚度按照变形比0.025确定[18-19]。详细的计算流程和计算公式详见文献[22]。

2.3 本构模型

土的变形模量随着围压而提高的现象也称为土的压硬性，采用土体硬化模型反映此性质对桩基础竖向变形的影响。土体硬化模型是以经典塑性理论为基础的屈服面模型，它的弹性部分采用了合理的双刚度，加卸载模量分别定义，考虑了土体压硬性，塑性部分采用非相关联流动法则和各向同性的硬化准则，较好地描述双曲线形式的应力-应变关系和土体的剪胀性[23-25]，如图12所示。

图12 标准排水三轴试验的应力-应变关系

(2)

m——刚度水平依赖幂指数(一般对于砂土约为0.5，对于软土约为1)；

c——土体黏聚力；

φ——土体摩擦角；

3 计算结果及对比分析

3.1 实例一计算分析

采用2.2节介绍的高铁桥墩邻近荷载竖向变形影响计算软件PIAS,对某城市道路下穿既有高铁造成的隆起影响进行计算。计算所采用的土体参数如表1所示。

表1 某城市道路下穿既有高铁土体参数

注：m值指考虑土体压硬性的幂指数，如2.3节所示。

计算结果与实测值对比如图13所示。由图13可知，计算值与监测值的趋势较为吻合，最大计算误差为0.33 mm。由对比结果可知，所采用的计算方法及参数是适用的，可用于基坑开挖对桩基础桥墩隆起影响的定量计算。

图13 实例一既有高铁实测值与计算值的对比

3.2 实例二计算分析

图14 实例二实测值与计算值的对比

采用高铁桥墩邻近荷载竖向变形影响计算软件PIAS，对某高速公路下穿既有高速铁路造成的隆起影响进行计算。计算所采用的土体参数如表2所示，计算结果与监测值的对比如图14所示，需要说明的是，图14中的监测值为既有高铁上行侧与下行侧隆起值的平均值。由图14可知，计算值与监测值的趋势较为吻合，最小误差为0.01 mm，位于距离基坑最近的140号桥墩；最大误差为0.91 mm，位于距离基坑最远的143号桥墩。由对比结果可知，所采用的计算方法和计算参数是适用的，可用于基坑开挖对桩基础隆起影响的定量计算。

表2 某高速公路下穿既有高速铁路土体参数

4 结论

针对两例邻近高铁桥墩基坑开挖工程，对既有高铁桥墩隆起变形进行实时自动化监测，在监测结果分析的基础上，采用基于叠加原理的薄层分层总和法编制了高铁桥墩邻近荷载竖向变形影响计算软件PIAS，对计算结果与监测数据进行对比验证，得出以下结论。

(1)基坑开挖的卸载效应引起既有高铁桥墩的隆起变形。监测结果显示，实例一引起既有高铁桥墩隆起变形0.93 mm，实例二引起既有高铁隆起变形3.10 mm。隆起值随基坑体量的增加而增加，随基坑与桥墩距离的增加而减小。

(2)计算结果显示，实例一引起既有高铁桥墩隆起变形1.12 mm，实例二引起既有高铁桥墩隆起变形2.79 mm，计算结果与实测数据趋势一致，吻合较好。

(3)计算软件PIAS能够较好地反映基坑开挖对既有高铁桥墩隆起值的影响，通过与监测数据的对比，验证了高铁桥墩邻近荷载竖向变形影响计算软件PIAS的适用性。