地铁基坑开挖对既有高架桥桩影响分析

2021-07-04王焰华

天津建设科技 2021年3期

王焰华，王鹏

（天津市政工程设计研究总院有限公司，天津300392）

随着城市建设的快速发展，轨道交通项目沿线周边环境日趋复杂，在紧邻城市高架桥附近建设地铁车站，如何既保证地铁基坑施工安全，又使城市高架桥变形控制在允许范围内是需要重点研究的问题［1］。本文结合大连地区岩石地层地铁基坑邻近高架桥桩情况，分析基坑施工与桥桩变形规律，提出针对性处理措施，保证基坑施工及高架桥安全。

1 工程概况

大连某地铁车站为地下双层分离岛式，高架桥位于路中，与车站方向平行，左右线主体结构分别位于道路两侧，中间采用通道相连。车站所处地层小里程端上部为素填土及全风化辉绿岩，下部为中风化辉绿岩；大里程端上部为素填土、全风化钙质板岩、强风化钙质板岩，下部为中风化钙质板岩。场地地下水以基岩裂隙水为主，坑内明排处理［2］。

车站左右线主体结构基坑采用明挖围护桩加内支撑的支护形式，深20.5～22 m，桥桩与主体结构围护桩净距1.55 m。受高架桥底净空影响，围护桩采用人工挖孔方式施工。见图1。

图1 车站主体结构横剖面

高架桥为三跨连续箱梁结构，一柱一桩，桩基为直径2.5 m的嵌岩桩，桩底嵌入中风化钙质板岩2 m，桩底标高随基岩面起伏变化。为明确地铁基坑施工对高架桥造成变形影响限值，对桥梁进行安全评估［3］，地铁施工影响下高架桥顺桥向和相邻桥墩之间单墩差异沉降限值为3 mm。

2 地铁开挖风险点及应对措施

高架桥桩大部分桩底位于基坑底部以上，开挖势必影响周围土体及桥桩，从而对高架桥安全造成影响；同时，高架桥桩传递给基坑的附加荷载也将给基坑安全带来不利影响。

高架桥墩与桥面结构间设置橡胶支座，桥墩倾斜对桥梁安全影响相对较小，桥墩竖向沉降对桥面结构影响较大，因此将减小桥墩的竖向沉降作为主要控制目标。针对高架桥风险源，结合评估报告相关建议，采取如下加强措施：将基坑第一道支撑设置为混凝土支撑，增强基坑整体性；在普通段基坑支护设计基础上，对桥桩附近支护参数进行加强，在桥桩底附近增设一道钢支撑并加密支撑间距，同时加大围护结构配筋；两个分离岛基坑采取分层对称开挖，控制桥桩差异沉降；基坑施工期间控制爆破，减小爆破振动对桥梁的不利影响；加强对基坑及桥桩的变形监测。

3 基坑开挖对高架桥桩影响分析

3.1 模型建立

分别选取桥桩对应的主体围护结构横剖面进行数值分析，如实输入其对应位置的桥桩及地质情况。

中风化钙质板岩层采用德鲁克-普拉格（D-P）准则，素填土、强风化钙质板岩采用摩尔-库伦（Mohr-Coulomb）破坏准则。隧道围岩按均质岩土材料考虑，支护结构按弹性材料考虑，采用梁单元模拟围护灌注桩、桥桩、箱体、混凝土支撑及钢支撑结构，底板、混凝土支撑、钢支撑及箱体都采用线弹性模型。钢支撑两边铰接采用释放梁端约束来实现。

模型尺寸135 m×35 m，有限元模型的边界条件：上部地表为自由边界，沿x轴方向两个侧面约束模型的水平方向位移，底边界约束模型的竖向位移。初始应力场按自重应力场考虑。基本可变荷载主要为地面超载，取20 kN/m2。考虑高架桥桥面汽车荷载并将高架桥传来荷载作为集中荷载作用在桥桩上。

3.2 计算结果

桥桩的最大竖向沉降为4.91 mm，相邻桥桩最大差异沉降值3.09 mm。桥桩桩底越深，基坑开挖过程带来的桥桩变形值越小。见图2。

图2 桥桩竖向位移

发生最大竖向沉降量的桥桩底最浅，该处两侧基坑同时开挖时，桥桩桩底竖向沉降在开挖完第四层土时（约为桥桩底荷载扩散至基坑处深度）达到2.2 mm，为总沉降量的44%；开挖至基坑底部时桩底竖向沉降达到3.4 mm，为总沉降量的69%；进行拆撑、换撑施作完中板及中板以下侧墙后，桩底的沉降达到约4.1 mm，为总沉降量的84%；施工完成后最终沉降值达到4.9 mm。

部分桥桩单根计算沉降量大于桥桩差异沉降限值，施工中需进行过程控制，采用左右线基坑分层对称开挖，减小施工中桥桩差异沉降值。计算差异沉降最大值超过单墩允许差异沉降限制（3 mm）3%，基本能满足桥梁安全需要。