现状高速桥梁桥底基坑卸土影响及安全分析

侯泽辉

（广东省冶金建筑设计研究院有限公司 广州 510080）

0 引言

随着城市交通基础设施的日益完善，出现了许多位置距离近、设计施工难、施工影响大的工程，其中临近既有桥梁进行基坑开挖施工便是其中一种［1］。

目前，许多学者针对基坑开挖对桥梁的影响展开了较多的研究。余世为［2］对明挖法施工隧道对桥梁基础的变形控制措施进行了数值分析，结果表明以袖阀管加固方式对桥梁周边土体加固可以有效保护桥桩，水平位移可以减小24%；朱利明［3］分析了在建道路下穿高铁桥梁施工过程中桥墩的沉降、横向及纵向水平变形数值模拟与监测数据的情况，发现桥墩主要以沉降变形为主，与监测结果较为一致；金宏刚［4］则对明挖狭长基坑开挖对桥梁的影响展开对比分析，监测与数值模拟数据都表明随着基坑开挖桥墩的沉降变大，施工结束后进行回填又会变小恢复到开挖前的水平；上官士青等人［1，5］系统性总结了基坑开挖对临近桥梁桩基的保护措施，表明基坑开挖距离与既有结构较近时，桥桩变形基本与基坑变形一致。距离难以避开时应采取增加支护结构刚度、采用坑内加固、坑外加固等措施；叶蓉［6］补充了基于应力释放法对该类问题数值模拟的研究应用案例；贾小波［7］研究了明挖隧道下穿病害桥梁的技术难题。

本文以某隧道侧穿高速公路桥梁深基坑开挖施工为例，系统性分析了基坑开挖过程中桥梁桩基、桥台受力及变形的影响，并采取针对性措施进行效果评价。

1 项目概况

隧道下穿既有高速公路（16+20+16）m 的三跨简支空心板桥的桩基间。桥梁平面布置如图1 所示，基础、0号台、3号台的墩台类型为座板台，座板台基础类型为钻孔桩，桩基桩径1.2 m，桩长30 m（嵌岩桩）；1号墩、2 号墩墩台类型为柱式墩，墩直径1.2 m，墩下基础为直径1.3 m 钻孔桩，桩长36 m（嵌岩桩），其中2-15、2-14号桩基为摩擦桩。

通道过高速段机动道断面布置形式如图2 所示，为0.7 m（侧墙）+8.0 m（机动车道）+0.4 m（中隔墙）+8.0 m（机动车道）+0.7 m（侧墙）=17.8 m。采用单孔避让，孔口净宽约为2.5 m，两侧非机动车道断面布置形式为0.5 m（侧墙）+2.5 m（非机动车道）+0.5 m（侧墙），地面人行道宽度预留宽度布置，净宽大于2 m。

图2 隧道横断面布置Fig.2 The Cross Section Layout of Tunnel

下穿隧道采用明挖法施工，围护结构采用ϕ800@850 mm 钻孔灌注桩+双排双重管高压旋喷桩+内支撑方式，桩顶设置冠梁，冠梁处设置一道混凝土支撑，横向与格构柱连成一体。基坑外侧采用两排ϕ60 cm 高压旋喷桩加固止水，咬合长度20 cm，其中外侧两排为止水帷幕，长20 m，原则上进入不透水层1 m，因敞开段砂层较厚，为确保钻孔桩施工质量，内侧设置三排13 m长旋喷桩对土体进行加固。

隧道主要开挖地层有填土、粉细砂、中粗砂、砾砂、淤泥质土、粉质粘土（流塑）、残积土（可塑）、残积土（硬塑）、微风化灰岩。基坑底主要位于中粗砂地层上，地层参数如表1所示。

表1 地层参数Tab.1 Stratigraphic Parameters

2 基坑开挖桥梁桩基受力分析

2.1 桩基受竖向荷载受力分析

隧道基坑的开挖，可能会对桥梁安全产生影响，以下就隧道设计方案对桥梁的影响进行分析。本次计算分析选取最不利截面来考虑计算，选取基坑开挖最深处即开挖深度8.2 m 处进行计算分析。桥梁设计为三跨（16+20+16）m 简支梁桥，墩为柱式墩，墩下基础为嵌岩桩基础（其中2-14摩擦桩基）。

2.1.1 嵌岩桩受竖向荷载影响受力分析

根据设计资料，桩基竖向力按单桩最大设计承载力4 500 kN考虑。本次开挖最大影响深度8.2 m，原桥墩高5.3 m，开挖后桩基的临空高度变为13.5 m，根据开挖后桩基长细比计算桩基承载力N=0.90×0.75×1.130 4×13.8=10 529.67 kN＞1.0×Nd=1.0×1.2×4 500=400 kN，桩基稳定性满足要求。

根据文献［8］公式6.3.4及文献［9］公式10.2.4计算桩基摩阻力，基坑开挖8.2 m 后对桩基摩阻力损失为65.7 kN，桩端承载力能够满足4 500 kN承载力要求。

2.1.2 摩擦桩受竖向荷载影响受力分析

摩擦桩桩基2-14 开挖深度最深，开挖影响最大，取最不利桩基进行计算分析。2-14 摩擦桩桩基竖向力最大设计承载力2 500 kN，基坑开挖深度约7.5 m，承台底桩基影响长度4.4 m，根据文献［10］公式5.3.3桩基参数取值计算的单桩轴向受压承载力容许值为2 933.3 kN，小于荷载3 017.5 kN，2-14 号摩擦桩竖向承载力不能满足原设计的2 500 kN承载力要求。

考虑到高速桥梁运行安全的重要性，及摩擦桩对周边土体扰动的敏感性，拟通过注浆来增加摩阻力的方式，增加2-14 号摩擦桩的承载力，使其满足原设计的承载力要求。摩擦桩加固范围为桩基外侧3 m，加固深度为8 m。加固后的单桩轴向受压承载力容许值为3 341.7 kN，满足设计要求。

加固扰动土体，在对基坑开挖之前，应对加固后的土体进行土工实验，待检测加固后土体的侧摩阻力大于80 kPa 后才能进行基坑的开挖施工。同时在加固前先对梁体架设贝雷梁形成支撑，贝雷梁支撑加固示意图如图3 所示，对摩擦桩的支撑分两部分进行支撑加固，加固2-14 号桩基时主要对该部分进行贝雷梁支撑加固，增强摩擦桩的安全储备。

图3 摩擦桩基贝雷梁支撑加固Fig.3 The Reinforcement of Bailey Beam Support for Friction Pile Foundation （mm）

加固宽度，以加固体整体不发生相对滑动为原则进行确定，采取贝雷梁支撑桥面空心板梁加固措施时要注意梁底支撑线位置，应尽量靠近桥墩、不应超过1/4梁长处，不改变空心板结构受力应力方式。

2.2 桩基受水平荷载受力分析

基坑在桩基两侧对称开挖，不会产生较大不均匀堆载，桩基截面验算最不利阶段为基坑开挖完成阶段，按照最不利情况在基坑开挖深度为8.2 m 阶段进行计算分析。

计算采用MIDAS 建模，上部结构恒荷载根据支座位置加载于盖梁上，汽车荷载根据纵向影响线取最不利结果换算为车轮荷载后，按照横向移动荷载进行分析，在荷载工况组合后分别对桩基进行轴心受压、大偏心受压和小偏心受压验算。分别验算不考虑桥面交通疏解，保持车辆通行及考虑桥面交通疏解，限制车辆通行两种工况进行验算。

不考虑桥面交通疏解，保持车辆通行方案。一个车道产生的制动力为0.1×［（16+20+16）×10.5+240］=78.6 kN＜165 kN，取165 kN。隧道下穿部分为广清高速收费广场，根据现场实际情况，嵌岩桩盖梁上方共布置3 个车道，因此桥梁制动力T=165×2.34=386.1 kN；2-14 及2-15 摩擦桩取单向2 个车道计算，T=165×2=330 kN。

嵌岩桩计算结果如图4 所示，桥梁不进行交通疏解情况下，基坑开挖至8.2 m 后，墩柱桩基承载能力极限状态下内力满足文献［10］要求，在正常使用状态下裂缝宽度满足文献［10］要求。

图4 嵌岩桩桩基截面验算结果Fig.4 The Cross Section Verification of Pile Foundation for Rock Socketed

限于论文篇幅，针对考虑桥面交通疏解，限制车辆通行方案的验算过程不再细述，通过对嵌岩桩和摩擦桩在两种不同工况条件下桩基受水平荷载影响受力分析进行对比，其内力值对比如表2所示。

表2 桥梁桩基水平荷载计算结果Tab.2 Calculation Results of Horizontal Load on Bridge Pile Foundations

桥面交通疏解措施不影响桩基轴力，主要影响桩基弯矩和剪力，考虑桥面交通疏解的工况较不考虑桥面交通疏解的工况，嵌岩桩的弯矩减小了1 068.95 kN·m，剪力减小了202.22 kN；2-14 摩擦桩的弯矩减少了1 119.67 kN·m，剪力减小了217.69 kN；2-15摩擦桩的弯矩减少了1 600.26 kN·m，剪力减小了354.26 kN。虽然在两种工况条件下桥梁桩基受力都满足设计和文献［10］要求，但考虑桥面的交通疏解能明显减小桩基的弯矩和剪力，能有效减小施工和设计风险。

3 基坑开挖对桥台变形数值分析

为模拟基坑开挖过程中对挡土墙及桥台的影响，利用Midas GTS NX 有限元软件按照施工步骤过程进行有限元模拟计算，采用土体弹塑性mohr-coulomb 本构模型，对土体进行激活和空化来模拟土体的开挖和填筑，采用增量法来计算基坑的分步开挖。

基坑开挖后桥台变形云图如图5 所示，不考虑上部交通疏解，保持列车通行，桥台最大水平位移为6.65 mm。考虑上部交通疏解，对应桥梁上部没有车辆通行基坑开挖，桥台最大水平位移为3.33 mm。考虑桥面交通疏解的工况较不考虑桥面交通疏解的工况，桥台变形值减小了3.32 mm，大大增加了基坑开挖后桥台的安全系数。

4 风险控制措施及保护方案

4.1 水平荷载影响的控制措施

由于基坑开挖对桩基的不利荷载来自于制动力的水平荷载，故本着上部力上部解决的思路，在盖梁顶临时架设沿线路方向的三跨（16 m+20 m+16 m）纵向钢管支撑，每根柱式墩墩顶架设一根ϕ609 mm，t=16@3 m 的钢管支撑，边跨支撑在桥台，利用桥后土压力抵抗水平力，使盖梁处的车辆制动力荷载传递至桥台处，从而增加1、2 号桥梁桩基的稳定性。方案示意如图6所示。

图6 水平支撑加固图Fig.6 The Horizontal Support Reinforcement （mm）

4.2 桩基承载力影响的控制和保护措施

4.2.1 不考虑交通疏解方案

考虑到上部的行车荷载的影响，施工风险性较大，在对桥梁下部进行保护的同时，要进行相应的交通管制等措施，采取限速40 km/h，增设交通警示等措施。

对桥墩盖梁顶部临时架设钢管支撑，在对柱顶盖梁处加固的同时进行桩间加密，同时对隧道结构底部范围内的桥梁桩基进行加固，增强土体抗力和摩擦系数，减小水平力和弥补损失的摩阻力。对于嵌岩桩，加固范围为桥梁桩基外侧3 m，深度为隧道底板以下5 m；对于摩擦桩（2 根），加固范围要求为桥梁桩基外侧5 m，深度为隧道底板以下8 m，采用MJS注浆加固。

4.2.2 考虑交通疏解方案

针对埋深最大处的东侧两幅桥梁进行分节段交通疏解，采用分幅施工的方案，施工平面如图7 所示。先施工第一阶段的基坑开挖及主体结构的施做，对应的第一幅桥梁上部采用限制通行等措施，封闭两车道；待第一阶段施工完成后，恢复车道进行通行，进行第二阶段的施工，对应的上部车辆采用限制通行的交通管制措施，封闭3 个收费口；待第二阶段施工完成后，恢复对应的上部交通车辆，对第三阶段的施工范围对应东侧的第二幅桥进行限制通行的措施，封闭两车道，再第三阶段的施工。对于第二阶段的施工，考虑开挖的工作面大，需对该范围的桥梁桩基进行进一步的加固，加固范围为桥梁桩基外侧3 m，深度为隧道底板以下5 m，采用袖阀管进行注浆加固。

方案一和方案二两种方案的对比如表3 所示，并结合措施引起的风险节点残余风险，考虑交通疏解隧道影响大一点，但是可以有效降低风险，保证在施工过程中桥梁及基坑的安全，选择方案二。

建设过程中桥梁桩基实景如图8所示，目前隧道已经建设完成，桥梁运营正常，采取的措施合理有效。

图8 隧道建设过程Fig.8 The Construction Process of Tunnel

5 结语

本文针对隧道下穿高速公路桥梁施工引起的影响，进行了数值分析与精细化设计比选，得到如下结论：

⑴基坑开挖会引起摩擦桩承载力降低，沉降增加，应采取土体加固及贝雷梁加固等措施。

⑵考虑桥面的交通疏解能明显减小桩基的弯矩和剪力，桥台变形值减小了3.32 mm，增加了基坑开挖后桥梁的安全。

⑶采取交通疏解、环框梁加固、临时贝雷梁支撑等措施，可以有效降低关键风险节点的残余风险，保证在施工过程中桥梁及基坑的安全。