考虑施工全过程的超近距邻近既有桥影响

唐亮， 陈虹侨， 郑霄阳， 戚小磊

(1.重庆交通大学土木工程学院， 重庆 400074； 2.中铁二十二局集团第五工程有限公司， 重庆 400711)

伴随着城市规模化进程的加速推进以及交通网的日益密集，新建工程与邻近既有工程近接施工的情况愈发普遍，常见的有新建基坑与公路桥梁间、新建基坑与铁路桥梁间，以及铁路桥梁自身相互间等多种近接施工的情况。新建工程的施工在一定程度上会对邻近既有工程产生不利的影响，从而给邻近既有工程的正常运营带来安全隐患。特别的是，高速铁路具有速度快且载客量大的特点，若由于新建桥梁的施工使得邻近既有高速铁路桥桩发生倾斜、开裂甚至破坏，势必会造成不可估量的经济损失和负面的社会影响。

新建工程距离邻近既有工程越近，对于安全施工的要求就越高，所带来的安全隐患也越严重。中外工程界就新建施工对邻近既有工程的影响已有很多有意义的研究。在对桩基施工影响分析基础上，周乐平等[1]运用非线性通用有限差分软件FLAC考虑桩基承载力对桥梁结构安全的影响；Zhang等[2]运用Benoto桩的方法考虑对邻近高铁桥梁的施工影响；徐永祥等[3]通过对隔离桩施工过程开展三维精细化数值模拟，系统分析了钻孔灌注排桩施工邻近高铁桥梁桩基、承台和桥面的变形特性。在对基坑施工的影响分析上，许四法等[4]考虑TRD施工对邻近隧道存在挤土作用，根据基坑施工期间邻近运营地铁隧道变形监测数据，对隧道变形从基坑围护结构施工开始至开挖结束进行全过程分析；Shi等[5]利用COMSOL Multiphysics 软件建立相邻施工模型，分析爆破动载、大断面开挖、地下水及邻近施工等多因素耦合；林楠等[6]采用Midas/GTS建立三维数值分析模型,通过对比单个基坑开挖工况和基坑群分期开挖工况,分析大型基坑群分期开挖对相邻基坑的影响性。在对隧道施工的影响分析上，董建华等[7]通过ABAQUS软件进行数值模拟，考虑土体的非均匀冻胀性，将路基结构视为弹性的Euler-Bernoulli连续梁，结合变形协调条件并引入随机介质理论和叠加原理，评价水平冻结法隧道施工对邻近正交路基的影响；辛亚辉[8]通过有限元ANSYS数值模拟分析,计算出重叠隧道盾构施工影响邻近运营重叠隧道的位移及内力大小分布,以判断重叠隧道盾构施工是否影响运营隧道的安全性；徐建宁[9]采用PLAXIS 3D岩土有限元分析软件建立数值模型，研究综合管廊基坑施工对邻近桥梁的影响规律；Feng等[10]运用层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)和有限单元法(finite element method，FEM)相结合的方法考虑开挖过程中的不确定因素对周围环境的潜在影响风险；田晓艳等[11]采用FLAC 3D数值模拟软件对比分析隧道不同施工方法对既有桥梁桩基的影响，并综合考虑各种因素,提出环形开挖预留核心土法作为该区间隧道的施工方法；卞荣等[12]通过数值方法计算预制桩静压施工对邻近顶管电缆隧道的影响，分析桩长、桩与隧间距以及桩基挤土量对于隧道变形的影响。李智彦等[13]运用ABAQUS有限元软件考虑到施工步序的影响且明确指出了重要的施工步序；林炳泉等[14]运用ABAQUS有限元软件考虑到隔离桩施工对桥基变形和桩侧摩阻力的影响。同时考虑施工步序和土体附加力对近接施工的耦合影响有着不可小觑的作用。

尽管研究桩基施工对既有桥梁不利影响的例子有很多，然而既有桥梁为高速铁路桥的情况却很少。为此，在理论分析复合因素影响机制的基础上，数值分析了新建桥梁按有无施工步序、有无土体附加力3种情况，计算对周围土体的应力变化和位移影响以及对邻近既有桥的影响。

1 工程概况

新建南宁至崇左铁路NCZQ1标淡新街双线大桥第1～3跨为研究依托工程，位于既有南昆客运专线南宁站至南宁西区间，城市市区路网发达，其中既有南昆客运专线日间每小时会有3辆时速200 km/h的高铁经过。淡新街双线特大桥新建桥梁工程3#墩梁面距离既有南昆线声屏障距离外侧距离仅为5.63 m。淡新街双线大桥3#墩与南昆客运专线新南宁邕江四线特大桥关系现场实景如图1所示。

图1 淡新街双线大桥新建与既有桥梁工程Fig.1 New construction and existing bridge engineering of Danxinjie Double-lane Bridge

新建桥梁工程因受空间所限，需要在邻近高速铁路桥旁进行施工。新建桥梁桩基采用钻孔灌注桩，且施工过程对邻近既有桥梁桩基影响较大，故施工过程中应对周围土体的应力变化与位移影响，以及邻近既有高速铁路桥的安全进行分析研究。通过数值分析的方法对新建桥梁桩基施工过程进行模拟，评估考虑施工步序且计入土体附加力的情况下对邻近既有桥梁的影响，并依据计算结果与工程经验相结合对本工程提出控制措施。

新建桥梁与邻近既有高速铁路桥的平面位置关系及监测点布置示意如图2所示。

①～④为布置的监测点图2 平面位置关系及监测点布置示意图Fig.2 Schematic diagram of plane position relationship and monitoring point layout

2 复合因素的影响机制

施工步序在研究中是易被忽略的影响因素，通常不考虑施工步序，即只给出施工开始和施工结束的研究方法会造成桩基竖向位移计算值严重偏小，导致错误的安全评估。考虑施工全过程即是计入施工步序对计算带来的影响，同时也能够监测和检测每一步施工步序是否按照预期在有序进行，以及是否在现行的规范内安全施工，及时发现问题并对其进行调整指导。

土体附加力在实际工程中是一种常见且不容忽视的影响因素，它是桩侧负摩阻力和不平衡水平力的总称。其中桩侧负摩阻力是随着钻孔灌注桩施工深度的增加，既有桥桩周围土体会发生沉降，则周围土体与既有桥桩之间就会产生负摩阻力。负摩阻力不但不能为承担桥梁上部结构荷载做出贡献，而且还会在桥桩产生下拉荷载加快桥桩的沉降；不平衡水平力是因新建桥梁桩周土体发生水平位移进而施加给既有桥桩的侧向压力，不平衡水平力会引起桥桩的水平变形，降低桥桩的垂直度，影响桥桩的承载能力。

负摩阻力对基桩而言是一种主动作用。对于桩基负摩阻力的计算方法，《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2018)[15]规定：

qni=ktanφ′σ′i=ξnσ′i

(1)

式(1)中：qni为第i层土桩侧负摩阻力的标准值；k为土的侧压力系数；tan为正切函数的缩写；φ′为土的有效内摩擦角；σ′i为第i层土的平均竖向有效应力；ξn为负摩阻力系数，ξn与土的类别和状态有关，对于粗粒土，ξn随土的粒度和密实度增加而增大；对于细粒土，则随土的塑性指数、孔隙比、饱和度增大而降低。

由于竖向有效应力随上覆土层自重增大而增加，当qni=ξnσ′i超过土的极限侧阻力qsk时，负摩阻力不再增大。故当计算负摩阻力qni超过极限侧摩阻力时，取极限侧摩阻力值。

(2)

(3)

对于邻近施工而言，施工步序和土体附加力二者之间有着一定的联系。施工步序和土体附加力对既有桥桩的影响关系如图3所示。

图3 影响机制图Fig.3 Influence mechanism diagram

随着邻近钻孔灌注桩施工工作的开展会引起既有桥桩周围土体的沉降和新建桥桩周围土体的水平位移，而桩周土体的沉降和水平位移会在既有桥桩桩身产生下拉荷载和侧向荷载，这将会加速既有桥桩的变形破坏，影响邻近既有工程的正常运营。若不计入施工步序和土体附加力必将会对结果造成影响，使得与实际情况有较大差异，所以对于邻近施工而言施工步序和土体附加力都不可忽视。

3 考虑施工全过程的数值分析

3.1 模型及参数

作为通用的模拟计算工具ABAQUS能解决应力—位移的复杂问题，因此研究中运用ABAQUS软件进行数值仿真建模，网格划分情况如图4所示。

结合现场的实际情况，总体模型应满足空间尺度的要求。模型计算区域大小取为30 m×24 m×22 m，共划分了68 190个实体单元，14 261个节点。

对性质相近的土体进行有效合并，根据地质勘察报告所提供的有效数据，将土层进行有效分层，土层物理力学参数如表1所示。

表1 土层参数Table 1 Soil parameters

图4 模型网格划分Fig.4 Model meshing

3.2 施工步序

施工步序的选取是建立在对现场地质条件的充分分析以及数值模拟计算和监测基础之上的，施工步序的选取对加快施工进度有很大的影响，故选取如下的关键施工步序进行分步开挖，本工程的施工步序如表2所示。

表2 施工步序Table 2 Construction sequence

通过分析表2中施工步序，确定第5～10步为关键施工步序，后文结果分析中将考虑关键施工步序对邻近既有桥桩基正常工作的影响。

4 结果与分析

在有限元分析模型中取新建桥桩和邻近既有桥桩数据进行分析，同时为结果分析说明方便将关键施工步序第5～10步重命名为第1～6步。

4.1 考虑施工步序

在数值模拟的过程中，首先测量出未施工时新建桥桩周围土体的初始应力值并定义此时新建桥桩周围土体和既有桥桩的初始位移值为0，按照施工步序逐步对钻孔灌注桩进行施工，实时测量出每一步施工步序完成后相应的位移值，直至最后一步施工步序完成。

与考虑施工步序的研究方法有所不同，不考虑施工步序仅需要在施工开始时和施工完成后，测量出新建桥桩周围土体的应力值和位移值，以及既有桥桩的位移值即可。考虑施工步序的应力云图如图5所示，有无施工步序的竖向位移图如图6所示。

图5 应力云图(考虑施工步序)Fig.5 Stress cloud diagram (consider construction sequence)

图6 周围土体-既有桥桩位移图(有无施工步序)Fig.6 Surrounding soil-displacement diagram of existing bridge piles (with or without construction steps)

可以看出，在考虑施工步序后其变形情况不仅是中间过程呈折线型的增长，而且其最终应力值和最终位移值也会产生约25%的增大。

4.2 考虑施工步序且计入土体附加力

土体附加力的大小与作用时间的长短有关，用相邻两步施工步序之间的施工时间作为此时土体附加力的作用时间，而在研究时认为每一步施工步序的衔接及时且没有其他外在因素的影响属于理想状态。土体附加力的反作用力作用在桥桩周围的土体上会对其应力和位移有所影响，同时计入土体附加力后会在既有桥桩形成下拉荷载和侧向压力，加速桥桩的沉降同时也会降低桥桩的垂直度，故应在其后一步施工步序计入土体附加力后，再测量应力值和位移值，考虑施工步序且计入土体附加力的应力云图如图7所示，有无土体附加力的竖向位移如图8所示。

可以看出，计入土体附加力后变化曲线的基本走势与不计入土体附加力时的大致相同。总体趋势

图7 应力云图(考虑施工步序且计入土体附加力)Fig.7 Stress cloud diagram (consider the construction sequence and include the additional soil force)

图8 周围土体-既有桥桩位移图(有无土体附加力)Fig.8 Surrounding soil-displacement diagram of existingbridge piles (with or without additional soil force)

均朝着变形加剧的方向发展，但计入土体附加力后会产生约70%的增大。

4.3 控制措施

在不同工程中钻孔灌注桩的施工要求控制周围土体的应力和位移以及邻近既有桥桩的安全运营时可采取3种有效措施：改变钢支撑的刚度、改变围护墙体的刚度以及增加土体的强度。对于绝大多数工程来说，在施工钻孔灌注桩的过程中周围已有挖出来的土，因此更经济实惠的措施是用挖的土就地进行土体加固。

采用控制变量的方法，分别在不考虑施工步序、考虑施工步序和考虑施工步序且计入土体附加力的三种情况下，分析不同的加固方案对控制邻近既有桥桩变形的作用。

通过控制加固深度，变化加固宽度研究可知：周边土体加固宽度对既有桥桩水平位移有明显影响，随着加固宽度的增加，既有桥桩水平位移降低，如图9所示。

通过控制加固宽度，变化加固深度研究可知：周边土体加固深度对既有桥桩水平位移有明显影响，随着加固深度的增加，既有桥桩水平位移并不是随之有大幅度减少，而是存在一个临界深度，如图10所示。

通过控制变量法的分析研究可知，加固宽度和加固深度能有效降低对邻近既有桥的不利影响。

之前的研究是在理想状态情况下进行的，而实际情况往往会由于外在因素和人为因素导致施工步序之间的衔接不当，使得情况更加复杂，严格控制其作用时间是十分必要的，但很多时候施工步序之间的间隔时间无法达到计划理想状态。当衔接时间超出了预定时间后，可以预先测量出理想状态的应力值和位移值，再计入超出的时间，按二次插值的方法推算出此时的大致值，并用此值作为下一步施工步序的初始值，以此来对数值进行修正。

图9 不同加固宽度对既有桥桩位移的影响Fig.9 Influence ofdifferent reinforcement widths on the displacement of existing bridge piles

图10 不同加固深度对既有桥桩位移的影响Fig.10 Influence of different reinforcement depths on displacement of existing bridge piles

5 结论

超近距施工时，施工步序和土体附加力均会对邻近既有桥造成不利影响。考虑施工全过程能更好地反映邻近既有桥的受影响程度，土体附加力负向作用会给邻近既有桥带来沉降超限的危害。通过数值分析的方法研究了新建桥梁施工对超近距邻近既有高速铁路桥的影响，着重考虑施工步序且计入土体附加力的情况下对周围土体的应力变化和位移影响、邻近既有桥桩的位移影响以及控制措施的方面进行模拟分析，得出如下结论。

(1)施工步序对周围土体应力和位移影响较大，靠近邻近既有桥桩的下部土体挤入值相比于其他位置会更大。随着深度的增加对应力的影响呈现负相关趋势，距离邻近既有桥桩越近则所受到的影响就越大。

(2)考虑施工步序对邻近既有高速铁路桥的位移值会产生约25%的增大；同时考虑土体附加力对位移值会产生约70%的增大。

(3)对土体加固进行控制变量分析可知，加固宽度和深度能降低既有桥桩的水平位移值，且既有桥桩水平位移存在一个最佳加固深度值，即临界深度。对于本依托工程最佳加固深度值为9 m。

可通过以下措施改善超近距邻近施工带来的影响：①减小单次开挖深度，分多步进行开挖施工，且每次开挖之后，及时进行数值测量以保证其稳定性；②对邻近既有高速铁路桥桩的周围土体进行加固处理；③对于施工步序繁多且步序之间衔接不紧密的新建工程，在评价施工超近距邻近既有桥影响时更应该将施工步序和土体附加力计入考虑。