软土深基坑对邻近高架桥的变形影响研究★

李 栋，平 扬

(1.深圳市龙岗区水务工程建设管理中心，广东 深圳 518000； 2.中电建生态环境集团，广东 深圳 518000)

1 概述

珠三角的软土是全国最软的软土之一[1]，具有高压缩性、高含水率和低承载力等特点，而随着我国城市地下空间开发利用的蓬勃发展，基坑工程大面积化及大深度化的趋势日益明显，且邻近工程结构的密度越来越大，给基坑开挖的变形控制带来极大挑战[2]。

瞿晓浩[3]对双排桩应用在深厚软土基坑中的支护特点、计算模型和设计要点进行了分析，认为双排桩结构是软土基坑中较好的支护措施。苏玉英[4]则提出了可用于深厚软土基坑的双排桩抗倾覆稳定安全系数计算方法，该方法克服了常规方法未考虑双排桩支护结构与重力式挡土墙变形性状和失稳机理上有所差异的缺点。温忠义等[5]认为水泥搅拌桩的加固放坡体的支护方案适用于开挖深度约5 m的深厚软土基坑。应宏伟等[6]基于深厚软黏土中深大基坑的实测数据分析，认为深厚软黏土地基中的大型基坑开挖过程中不应忽视引起的周围地层变形影响。汪海生等[7]认为装配式H型钢支撑可有效控制基坑围护结构的水平位移，并能减小对周边环境的影响。颜勇[8]利用有限元软件Plaxis对比分析了深厚软土深基坑开挖过程中不同加固措施对改善既有桩基附加变形及内力的效果。程玉兰等[9]采用有限差分法(FLAC3D)对软土深基坑与邻近地铁车站相互变形影响进行了研究。陈丹等[10]采用FLAC3D并考虑蠕变和渗流耦合作用，分析了软土基坑开挖对邻近地铁区间隧道变形的影响。张治国等[11]利用Midas/GTS研究了软土基坑开挖对邻近大底盘多塔楼结构的受力变形影响。

本文以深圳市大空港新城区截流河综合治理工程北排涝泵站深基坑工程为背景，研究深厚软土条件下深基坑开挖对邻近高架桥变形影响，并提出合理搅拌桩参数，为类似工程设计和施工提供科学依据和参考。

2 工程概况

大空港新城区截流河综合治理工程位于深圳市宝安区西北部空港新城建设区域，该区域地处珠江口东岸，临近远东航运中心香港，背靠我国经济最活跃的珠江三角洲地区，是中国社会经济及对外贸易最发达的地区之一，也是空港运输最繁忙的地区之一。伴随着“一带一路”合作发展的理念，以及前海蛇口国家级自贸区的建立，空港地区将成为自贸区的重要依托，是深圳市未来重要的战略发展规划区。工程的任务是防洪(潮)、排涝，提升水质保障率，提升生态景观环境，实现城市发展与生态环境可持续发展相协调。

本文研究的对象为北排涝泵站，位于工程西北部，附近土体是典型的深厚软土层，部分区域的淤泥层厚度近17 m，除此之外，还有较厚的砾砂层和残积土层。基坑最大深度达到18 m，属于深基坑。基坑边缘与外环高速桥墩的最近距离为8.6 m，为确保外环高速桥梁能够安全运行，基坑工程能够顺利施工，需要分析基坑工程对邻近高架桥的变形影响。

3 数值模型及参数

3.1 力学参数

土体部分采用摩尔库仑本构模型，桥梁桩基和搅拌桩采用弹性本构模型，基坑的支护桩和内支撑分别采用结构单元桩和梁，力学参数如表1所示。

表1 模型力学参数

3.2 模型尺寸及施工工况

根据设计方案，确定模型尺寸为205 m×80 m×50 m，如图1所示。外环高速桥梁的桩基布置4个监测点，基坑支护桩布置3个监测点，结构梁靠近桥墩处布置1个监测点，该结构梁为第一道支撑，如图1(a)所示。安装间深度为16.5 m，泵房深度为18 m，基坑进水池深度为10 m，其余剖面尺寸如图1(b)所示。

采用FLAC3D软件建立深厚软土条件下的深基坑模型，如图2所示，为了更直观表现基坑模型，图2(a)选定放坡后的基坑模型。

基坑模型计算步骤如下：1)初始地应力计算；2)放坡计算，并加第一道撑；3)打桩计算；4)第1次开挖计算，开挖深度3 m；5)第2次开挖计算，开挖深度为6 m，并加第2道撑；6)第3次开挖计算，开挖深度为8 m；7)第4次开挖计算，开挖完全。

4 搅拌桩对邻近高速桥梁桩基的影响分析

为了保证在基坑施工过程中外环高速的安全运行，需对外环高速桩基和基坑之间土体进行加固处理，确保桩基水平位移量在10 mm以内。土体加固方法是将水泥喷入土体并充分搅拌，从而提高地基强度。为了得到既经济实惠又能保证桥梁安全的搅拌桩力学参数，本文进行了不同弹性模量搅拌桩的数值模拟，模拟工况为土体无加固措施、加固搅拌桩弹性模量为24 MPa，48 MPa和72 MPa四种情形，4次开挖不同埋深桥梁桩基A水平位移如图3所示，其中水平位移由x和y方向位移的矢量和求得，埋深是地表以下深度。

由图3可知，4种情形下，不同埋深桩基水平位移规律基本是一致的。随着基坑开挖深度的增加，桩基的位移都在增加。随着埋深的增加，桩基的水平位移都是先增大后减小，且桩顶位移比桩底位移大很多，这是因为桩底已处于全风化花岗岩中，具有一定的水平方向承受能力。桩基的最大水平位移均发生在埋深10 m左右，这是基坑的进水池开挖深度。

当无加固时，桩基最大水平位移为-12.00 mm；当搅拌桩弹性模量为24 MPa时，桩基最大水平位移为-10.01 mm；当搅拌桩弹性模量为48 MPa时，桩基最大水平位移为-7.85 mm；当搅拌桩弹性模量为72 MPa时，桩基最大水平位移为-7.49 mm。当不采用搅拌桩，或者搅拌桩的弹性模量为24 MPa时，桩基的水平位移量都超过-10 mm，基坑开挖对桥梁的影响较大。而搅拌桩弹性模量为48 MPa和72 MPa时，桩基水平位移量都在-10 mm以内，表明基坑开挖对外环高速桥梁的影响在可控范围内，考虑到经济效益，应当选用弹性模量为48 MPa的搅拌桩。

图4为随开挖次数的增加，靠近桥梁的结构梁轴力的变化曲线，该结构梁为第一道支撑。从图4中可以看出，在无加固的情况下，在第2次开挖和第3次开挖过程中结构梁轴力变化较小，整体呈增加趋势。当对土体进行喷入水泥搅拌加固后，结构梁轴力的变化趋势相同，都是先增大后减小，在第3次开挖时，轴力最大，搅拌桩弹性模量为48 MPa时，结构梁最大轴力为1 635 kN。在开挖到第3次时，搅拌桩的弹性模量越大，结构梁的轴力就越大，这是因为搅拌桩的刚度在增加，所承受的荷载也在随之增大，而这些荷载也会传递到结构梁上，从而使得结构梁的轴力也在增加。而在第4次开挖时，基坑底部开挖完全，并卸掉一部分荷载，减少了搅拌桩上半部分的承载力，所以结构梁的轴力有所下降。

5 基坑开挖对支护结构的影响分析

为了更准确的了解基坑开挖对桥梁及其附近支护结构的影响，本节进行开挖模拟计算，分析不同支护结构的力学变化规律，为工程实践提供有效的科学依据和支撑。通过之前的研究分析，确定搅拌桩弹性模量为48 MPa，以下计算均采用此值。

5.1 基坑开挖对桥梁桩基的影响

提取图1(a)中4个桥梁桩基的位移，分析在基坑开挖过程中不同埋深处的桩基水平位移，结果如图5所示。

图5中的不同位置的桩基水平位移规律基本相同，都随着开挖次数的增加，水平位移在增加。图5(a)，图5(b)，图5(c)中的A桩、B桩和C桩不同埋深处的水平位移均先增大后减小，且离A桩较近的B桩水平位移量与A桩较为接近，最大值已达到-7.54 mm，而离A桩较远的C桩的水平位移量则相对较小，最大值位移量为-3.98 mm。在埋深小于5 m的时候，D桩的水平位移量较大，最大值已达到-8.14 mm，在埋深大于5 m时，随埋深的增加水平位移量在减小。

为了便于分析D桩水平位移量过大的原因，将桥梁变形放大1 000倍，如图6所示。从图6中可以看出，x方向最大位移发生在右上角的桥梁边缘处。这可能是由于桥梁边缘未施加水平约束，同时距离基坑又较近，受基坑开挖扰动过大造成的,而对比远离基坑x方向位移量较小的E桩，可以认为距离基坑较近是造成D桩位移量过大的主因。但为了不使模型尺寸过大而降低计算效率，也未施加水平约束而影响到A桩的变形，所以本文采取了保守的处理方式来进行计算。

5.2 基坑开挖对基坑支护桩的影响

提取图1(a)中2个基坑支护桩单元的水平位移，对基坑开挖过程中不同埋深处的支护桩位移进行分析。为体现研究的科学性，在实际施工过程中，对2桩进行了深层水平位移监测，监测深度为11 m，监测点间距为0.5 m。本文提取了在不同开挖阶段的实测数据，数值计算及实测结果如图7所示。

在图7(b)中，在埋深11 m以内数值计算结果与实测结果能够保持较好的一致性，表明采用该数值方法模拟软土深基坑开挖对邻近高架桥的影响是可行的。1桩和2桩不同埋深处的水平位移规律相同，都是先增大后减小，但2桩的位移量更大，最大位移量已达到-11.21 mm，发生在埋深-7.8 m处。1桩最大位移量发生在埋深-11.8 m处，为-9.46 mm。这是因为2桩是前排灌注桩，所承受的荷载比1桩大，两个桩的水平位移量均比A桩的大。

由图8可知，1桩最大弯矩为316 kN·m，发生在埋深-7.8 m处，与其最大位移量所处埋深上方，但与2桩最大位移量所处的埋深相同。2桩最大弯矩达到了1 505 kN·m，发生在埋深-5.8 m处，也在其最大位移量上方。支护桩的最大弯矩值小于设计限值，表明基坑支护桩在保证外环高速桥梁安全的同时，最大弯矩也在其承载能力范围之内。

6 结论

本文针对深圳市大空港新城区截流河综合治理工程中北排涝泵站深基坑邻近外环高速桥梁问题，通过有限差分法(FLAC3D)研究深厚软土条件下深基坑开挖对邻近高速桥梁的影响，得到如下结论：

1)不同埋深桥梁桩基水平位移规律基本一致。随着基坑开挖深度的增加，桩基的位移都在增加。随着埋深的增加，桩基的水平位移都是先增大后减小。当基坑与桥梁之间的土体无加固时，桩基最大水平位移-12.00 mm；当搅拌桩弹性模量为24 MPa时，桩基最大水平位移为-10.01 mm；当搅拌桩弹性模量为48 MPa时，桩基最大水平位移为-7.85 mm；当搅拌桩弹性模量为72 MPa时，桩基最大水平位移为-7.49 mm。为了使基坑开挖对外环高速桥梁的影响及经济效益都在可控范围内，应当选用弹性模量为48 MPa的搅拌桩。

2)在无加固的情况下，结构梁轴力呈增加趋势，当对土体进行喷入水泥搅拌加固后，结构梁轴力的变化趋势相同，都是先增大后减小，在第3次开挖时，轴力最大，搅拌桩弹性模量为48 MPa时，结构梁最大轴力为1 635 kN。

3)A桩、B桩和C桩不同埋深处的水平位移均先增大后减小，D桩水平位移量随埋深的增加在减小，且D桩最大水平位移量-8.14 mm。

4)前排钢筋混凝土灌注桩2桩最大位移量发生在埋深-7.8 m处，为-11.21 mm。2桩最大弯矩达到了1 505 kN·m，发生在埋深-5.8 m处。