新开挖航道基坑下穿高铁桥墩抗扰动加固方案

顾祯雪

（上海申元岩土工程有限公司，上海 200011）

引言

随着推动长江经济带发展重要战略的实施，航道开发改造工程日益增多。尤其在水系发达、高铁密布的东部地区，航道下穿高铁已成为网络化交通的必然结果。下穿航道开挖过程中，航道基坑- 周围地层-高铁桩基共同变形，需对下穿段进行加固[1-2]。本研究结合某新开挖航道基坑下穿高铁的实际工程，制定一套下穿段的抗扰动加固方案，建立施工全过程的PLAXIS 有限元模型，分析基坑开挖对周边的影响，为桥墩安全加固方案的进一步优化提供决策依据。

1 工程概况

1.1 工程总览

某地新建航道基坑下穿高铁工程（见图1），下穿段航道基坑宽度60 m，受开挖影响的桥墩为上跨连续梁的两个中墩，桥墩下设桩基础。航道开挖边界距高铁桥墩的最小距离不足3 m。

图1 下穿工程现场示意

1.2 水文地质条件

下穿工程位于浙江海宁市，常水位为1 m～1.5 m 左右。场地土层以软土为主，主要土层的物理力学参数见表1。

表1 土层物理力学参数

2 加固方案

受影响桥墩两侧设三排Φ1 200@1 400 钻孔灌注桩，外侧桩长30 m，内侧桩和中间桩桩长28 m。内侧桩和中间桩之间采用10 m 水泥搅拌桩进行地基加固，桩顶设1.5 m 厚钢筋混凝土板；内侧桩之间采用5 m 水泥搅拌桩封底，桩顶设1.0 m×1.1 m 的钢筋混凝土锚梁，锚梁上进行40 cm 河底铺砌。外侧桩和中间桩采用1.0 m×1.0 m 钢筋混凝土斜撑连接，开挖过程中在围护桩之间设置双层内外1.0 m×1.0 m 钢筋混凝土横撑，斜撑、横撑间距均为6 m。紧贴航道边线设置防撞墙，墙底采用15 m 长、Φ1 000 桩基础。加固方案设计见图2。

图2 加固方案立面图

3 数值模拟与分析

3.1 模型建立

采用PLAXIS 有限元建立航道基坑开挖对高铁桥墩的影响模型。基本假定如下：

（1） 假定土层是水平均匀连续各项同性的弹塑性材料，采用摩尔库伦模型。

（2） 围护桩等效成一定厚度的围护桩墙。

（3） 受影响的桥墩仅为航道两侧桥墩，其余桥墩不受扰动。

（4） 不考虑土体固结、软土蠕变、地下水渗流的影响。

模型尺寸为150 m×100 m，侧面约束法向位移，底面完全固定，顶面自由。围护桩、混凝土板、防撞挡墙、铺砌等采用板单元，支撑采用梁单元，桩基采用嵌固桩单元，部分参数参考《 建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）[3]。桥墩承台和搅拌桩加固区采用实体单元。其中，搅拌桩加固区采用《建筑地基处理规范》（JGJ79-2012）[4]建议的面积置换原则，用搅拌桩的弹性参数置换土体参数[5-6]。板与土接触处设置界面，模拟结构与土的相互作用。二维有限元模型见图3，共划分2 650 个单元，网格划分见图4。

图3 二维模型

图4 网格划分

3.2 分析步骤

本模型共设置16 个分析阶段，具体设置见表2。

3.3 结果分析

3.3.1 土体位移 图5 与图6 为航道基坑开挖、过程中坑内最大坑底隆起与坑外最大土体沉降的发展趋势。随着开挖的进行，坑底土体不断向上隆起。土方开挖、拆除围护和支撑等施工步骤等同土体卸荷，导致土体回弹，施工支撑、混凝土板和施加水荷载，等同向土体加载，土体向下沉降。开挖航道两侧基坑时，航道中心坑底呈先下沉后隆起的变化情况，基坑降水导致土体显著下沉，而后土方开挖的卸荷效应使土体又向上隆起。拆除支撑和围护结构后，坑内土体隆起与坑外土体沉降达到峰值。施加水荷载后，坑底中心处的隆起现象明显缓解。由于止水帷幕的隔断作用，坑外土体沉降变化甚微。

图5 最大坑底隆起

图6 最大地表沉降

3.3.2 围护桩变形 图7 展示了内侧围护桩水平位移发展情况。开挖航道两侧基坑时，围护桩向开挖方向发生侧移。开挖航道内基坑时，由于开挖位置发生改变，围护桩向相反方向偏移，偏移方向仍向基坑内侧。由于土方开挖量大，本阶段围护桩水平位移变化显著。开挖斜撑基坑时，支护体系发挥显著作用，有效限制了围护桩的侧移。拆除横撑会引发一定程度的围护侧移。围护桩的侧移形态呈向基坑内部的凸鼓状，随围护桩深度而增大，在地表以下15 m 深度下围护桩的水平位移很小。

图7 内侧桩侧移

图8 对比了内侧、中间及外侧围护桩施工完成后的水平位移。内侧、中间围护桩位于基坑内，受基坑开挖的影响大。外侧围护桩水平位移远远小于内侧和中间围护桩，最大位移发生位置高于内侧和中间围护桩。总体上看，围护桩的桩身水平位移大小为：内围护桩＞中间围护桩＞外围护桩。

图8 围护桩侧移

3.3.3 桥墩变形 桥墩墩顶的竖向位移与航道坑底土体的竖向位移发展类似，加载阶段墩顶下沉，卸荷阶段墩顶上浮，最终桥墩沉降0.5 mm。施工过程中，桥墩墩顶向航道内偏移，在开挖航道两侧基坑进行二次降水时，达到开挖过程中的顺移最大值。开挖航道内基坑反而使桥墩顺移减小，施工混凝土板、开挖斜撑基坑以及通水均增加桥墩的顺移。通水后桥墩墩顶顺移达到峰值，为1.88 mm。见图9、图10。

图9 桥墩沉降

图10 桥墩顺移

4 结论

本研究结合某地新开挖航道基坑下穿高铁的实际工程，制定下穿段加固方案，通过PLAXIS 二维有限元模型进行模拟。得到的结论如下：

（1） 土方开挖、拆除围护和支撑等卸荷步骤时坑底土体回弹，施工支撑、混凝土板和施加水荷载，等同向土体加载，坑底土体沉降。基坑降水也是影响土体沉降的重要因素。

（2） 围护桩的偏移方向随基坑开挖位置而改变，偏移形态呈向基坑内的凸鼓状。桩身水平位移大小为：内侧桩＞中间桩＞外侧桩。

（3） 高铁桥墩沉降与航道坑底土体的竖向位移变化趋势相似，桥墩顺向位移与围护桩侧向位移的变化趋势也有相似之处，二者均小于规范的变形控制要求。

（4） 数值计算结果表明，坚实的支护系统、分层开挖结合多次降水，可避免较大土体沉陷，有效控制土体开挖引发的坑底隆起。