基坑开挖对临近桥梁桩基的影响分析

2020-08-04上官士青

港工技术 2020年4期

上官士青，杨剑

（中交公路规划设计院有限公司上海分公司，上海 200082）

关键字：明挖隧道；基坑；被动桩；保护措施

引言

堆土或基坑开挖造成的土体水平位移可能会导致临近的桩基础挠曲变形，进一步引起严重的工程事故。如上海莲花河畔倒楼案例，其楼房主体结构倒塌主要原因之一为楼房一侧堆土而另一侧开挖基坑造成地基土发生大范围水平位移，引起桩基变形过大，整体倾斜后楼房倾倒。又如宝钢厂房倒塌案例，该厂房经过长期重复堆载-卸载，服役10多年后发生倒塌，经分析其主要原因为长期堆卸载造成的土体发生水平位移，造成桩基的侧移过大。以上由于土体水平位移造成的桩基失效通常称为被动桩问题。

对于基坑开挖引起的被动桩问题，文献[2-7]通过理论分析、案例分析、有限元分析等手段研究了基坑开挖条件下临近桩基挠曲和桩基附加沉降等问题，取得了较多的有益成果。整体上，基坑开挖下的被动桩问题多采用有限元法进行研究，选取的计算案例有一些为假想案例，实际工程案例较少，且对被动桩的保护措施研究较少。在实际工程中，由于缺少对被动桩有效的保护措施的研究，通常要求基坑工程与需要保护的桩基础保持一定避让距离，限制了明挖隧道设计中道路的线路设计。

本文通过对某一明挖隧道工程初步设计中的被动桩案例进行分析，研究了被动桩和基坑开挖支护桩变形的关系，分析和比选了多种被动桩保护措施，以供工程设计人员参考。

1 工程概况

某隧道初步设计时第K22+900至K22+980段从底部穿过既有BRT桥。隧道为双向六车道，标准段采用单箱双室钢筋混凝土箱型结构，隧道净宽14.05 m，净高 7.45～7.95 m。该段地下通道采用基坑明挖法施工，将影响 Brt17、Brt18、Brt19、Brt20共计 4个桥墩。其中位于隧道基坑中的桩基和 BRT桥拟拆除重建，其他位于基坑外的桥墩拟检测后重新利用。Brt20号墩位于基坑边线外侧，拟重新利用。Brt20墩下基础由1.2 m直径混凝土桩按2×2正方形排列构成，其受到基坑开挖造成的土体位移的影响，属于小型被动群桩。其最近的桩基距离基坑仅3.58 m（净距），将会受到基坑开挖的影响。

此处地下通道基坑开挖尺寸大，其地下结构宽度达到36 m左右，开挖深度为17.02 m。每延米开挖土方量达500 m3以上，开挖工程将导致周边土体产生明显位移，宜采用有限元方法进行分析。

图1 平面布置

2 有限元分析

2.1 计算方法和建模

采用有限元方法对基坑开挖和Brt20号被动群桩进行平面应变分析。分析软件采用 Plaxis。基坑开挖部分按基坑开挖的施工顺序进行模拟计算。基坑施工过程共有12个工况。该基坑采用3道内支撑，分别位于-2.3 m、-6.3 m、-11.9 m处，拆撑时在-7.61 m处换撑，支撑水平间距为4 m，均为钢筋混凝土支撑。（以上均为相对高程）。其中支撑刚度等计算参数按基坑设计计算书取值。支护桩为1.2 m直径钻孔灌注桩，桩底嵌岩，桩长28 m。

被动群桩Brt20位于基坑外3.58 m（净距）处，承台埋入土中。由于承台角度并未与地下通道走向平行，四根桩基在基坑剖面方向上呈3排排列。被动群桩采用等效板墙法对其刚度进行折减，进行模拟。对于被动单桩，常对其刚度折减1.5～3倍进行计算。

图2 模型尺寸示意

根据对称性对基坑进行简化，取基坑模型的一半进行模拟。模型的边界条件主要考虑嵌岩桩桩长和基坑开挖的影响范围，其模型高度为70 m，宽度为70 m。其中边界距离基坑支护结构的距离达到了35 m以上。

2.2 参数取值

计算参数依据勘察报告提供的该场地地勘实验数据取值。土层埋深依据地层剖面图取值。其中岩体缺乏弹性模量数据，岩石模量取经验值。

场地中土层主要由填土、粉质粘土、砂质粘性土三种构成，对于填土采用摩尔库伦本构计算，对于其他两种土采用硬化土（HS）本构计算，参数取值情况见表1和表2。基坑开挖为临时性工程，通常按不排水分析计算。

表1 桩身参数取值情况

表2 土体参数取值情况

2.3 计算结果

主要考察基坑开挖至坑底及换撑拆撑后工况的基坑变形和对Brt20群桩的影响。图3给出了拆撑后的土体水平位移，可见基坑拆撑后支护结构为13.42 mm，符合基坑设计控制标准。图4给出了基坑开挖后土体隆起的情况，可见BRT20群桩承台隆起量约16～20 mm，支护桩也有明显的隆起情况。

本工程基坑采用理正软件按基坑规范弹性支点法进行验算，计算结果表明基坑支护桩最大水平位移为10.4 mm，与本文计算结果13.42 mm接近，表明本文有限元模型计算结果可靠。

图 5对比了基坑开挖完毕拆撑后的支护桩和Brt20群桩前桩（靠近基坑一侧的桩）的变形，可见两者变形趋势接近，支护桩变形达到了13.4 mm，桥梁桩基变形达到了 11.8 mm。Brt20承台水平变形为8.0 mm，承台倾斜0.029 %。

图3 拆除支撑后水平变形

图4 拆除支撑后垂直变形

图5 基坑支护桩和被动群桩水平位移对比（拆撑后）

由图5可见，Brt20桥墩下的被动桩变形与基坑支护桩的变形趋势基本一致。被动桩在坑底位置达到水平变形最大值，但在地表处变形大于基坑支护桩，这主要是由于本案例被动桩桩顶嵌入承台，该承台具有较大的桩顶转角刚度，而支护桩为桩顶自由状态，且受到第一道支撑的有效支撑，支护桩在埋深较浅的深度下变形更小。

3 保护措施研究

3.1 被动桩保护措施调研

本文整理了被动桩常见的处理措施，并对这些处理措施对于本例的适用性进行了分析。

1）方法一：控制土体水平变形

该方法主要是针对公路路堤填筑或堆载下的被动桩提出的保护措施，具体的方法可以分为地基处理和轻质路堤两种方法。土体的水平位移场与地表的最大沉降量具有一定的经验关系[9]，若从根本上控制土体水平位移，最直接的方法是控制堆填土施工造成的最终地表沉降量。但该方法并不适合作为基坑开挖下的被动桩的保护措施，因为在该条件下土体水平位移并不是堆载造成的。

2）方法二：应力卸荷钻孔

该方法在被动桩受挤压一侧进行小直径钻孔，孔中填入一些毛竹笼或贯入海水。典型孔径为 80～90 cm。当土体位移开始发展后，该应力卸荷孔首先受到挤压变形，吸收一部分土体水平位移，详见图 6。但对于本文所讨论的情况，基坑开挖下的被动桩位于基坑主动土压力一侧，并没有土体水平应力增量，需要采用应力卸荷孔进行释放，因此也不适用基坑开挖条件下的被动桩。

3）方法三：采用水泥土加固

在对于宝钢工业厂房地基加固项目中，杨敏[10]曾提出两种主动区、被动区加固方案，如图6所示。主动区加固为土体水平位移方向设置阻挡结构，可以是隔离桩或重力式挡墙。被动区加固为对被动桩变形方向土体进行加固，以减小被动桩变形。分析认为，主动加固效果要优于被动加固，但主动加固必须保证加固体深度达到硬土层。

图6 各类被动桩保护措施示意

4）方法四：采用真空堆载联合预压

对于路堤堆载的情况，案例表明[11]，采用真空堆载联合预压可以有效的控制路堤地基的土体水平位移。理论上如能控制土体的水平位移，则可有效地保护被动桩。但采用该方法对被动桩进行保护的案例尚未有报道，可以进一步研究。

5）方法五：提高桩承台水平方向刚度

提高桩顶承台平刚度的方法有以下几种：增大承台尺寸、增加桩数、采用斜桩、采用锚索等。增加被动桩承台处水平方向刚度可直接减小被动桩变形。但对较大范围的堆载或基坑开挖，被动桩变形往往呈现整体平移的形式，增加桩顶承台刚度效果需要通过计算验算后确定。一般桩基础在设计时，只有在明确的意识到该桩基础为被动桩时，才会考虑上述结构措施，如堆载场、筒仓、重工业厂房的桩基可采用斜桩等措施加强桩顶承台水平刚度。对于大多数桥梁桩基，并不能在设计时预见其可能会承受大范围的土体水平位移。

3.2 本文案例分析

上文总结的处理措施针对的是广义的被动桩问题，大多数是针对大面积堆载如路基填筑等工程条件下的被动桩，因此对于基坑开挖条件下引起的被动桩问题，并不一定具有适用性，应逐个讨论分析。

对于方法一，控制土体水平方向变形的思路，本文所讨论的基坑开挖的情况仍然适用。可增加支挡结构刚度，以减小地基土开挖造成的土体水平位移。具体的方法为增加支撑平面布置数量，增加支撑道数，增加支护桩桩径，必要时采用坑底加固措施，均可减小支护桩变形，相应的减小临近被动桩的变形。

对于方法三，采用水泥土进行主动区、被动区加固也适用于本文讨论的情况。基坑开挖下的被动桩其主动加固和被动加固可分为以下类型：坑外加固和坑内加固，见图 6。其中坑外加固可采用隔离桩、搅拌桩或旋喷桩，可有效地减小基坑坑外土体的主动土压力，大幅减小基坑变形，保护坑外的被动桩。坑内加固则是与基坑坑底加固相同，采用搅拌桩等方式，增加基坑内部被动土压力范围内土体的模量和强度，减小支挡结构变形。

经过上述讨论，选用增加基坑支挡结构措施和坑外加固措施来对被动桩进行保护。本文所讨论的案例土质条件较好，其坑底为强风化花岗岩，因此不再采取坑内加固的处理措施。通过有限元验算，对被动桩8 m范围内的土体采用旋喷桩加固后，基坑开挖后桩顶承台水平位移小于 5 mm，桩身最大水平位移小于10 mm。