紧邻高架桥桩深基坑支护结构研究

王飞

（安徽省皖江城际六庆铁路股份有限公司，合肥 23000）

0 引言

随着城市基础建设高速发展，基础设施愈发密集，建筑空间拥挤和交通错杂问题日益突出，隧道近距离下穿高架桥桩也越来越多。由于地下工程地质和水文条件复杂，若设计与施工方案不合理，极易引发隧道基坑开挖导致桥桩侧移、桥梁上部结构坍塌等风险。随着地下工程开发建设逐步向深大化、复杂化发展，临近桥桩的基坑开挖将会越来越多，因此在紧邻高架桥桩情况下，研究深基坑选用何种支护结构具有重要的工程实际意义。

唐鹏［1］通过有限元手段，综合考虑支护结构与水土压力的相互作用，对比分析了分区开挖和整体开挖两种不同工况下基坑支护结构、既有高架桥梁的变形特性。周海波［2］结合实际工程，分析了在紧邻桥桩的情况下不同的支护型式的桥桩位移、基坑位移等。沈建芳等［3］基于工程实例，采用三维有限元数值模拟，并结合现场监测数据，研究了基坑开挖对邻近桥梁桩基的变形影响。芮勇勤等［4］结合具体工程，研究了车站基坑群施工对邻近桥梁、高铁路基稳定性的影响。安玉红［5］采用数值模拟的方式研究了CSM 水泥土搅拌隔离桩在地铁基坑紧邻桥桩时的保护效果。王恒等［6］研究了深基开挖时邻近桥梁桩基的响应性状，分析了桩基两侧土体的位移情况，并给出了对应的桩基加固措施。李翠［7］结合地铁车站施工，采用有限元软件，对基坑开挖引起的临近轻轨高架桥梁结构变形进行模拟计算，结合计算结果对现场监测及施工提出相应的建议和措施。万嘉成等［8］基于上海软土地区某基坑工程开挖实例，通过建立三维有限元模型，深入探究了基坑开挖卸载对邻近桩基竖向受荷性状影响。

文中以苏州某隧道工程为案例，综合考虑桩土相互作用，探讨了在紧邻桥桩的情况下隧道基坑的支护形式的合理选型，并借助理正结构软件和ABAQUS有限元软件，分别建立计算模型，分析对比了隧道基坑开挖对桥桩的影响，可供类似工程参考。

1 工程概况

苏州某隧道项目受现状有轨电车高架桥墩影响，采用两孔分离式隧道，隧道与现状高架区间平行，采用明挖法施工。紧邻桥桩段隧道基坑深度最大处为8.4m，宽14.9m，基坑距离现状有轨电车桥梁承台最近约2.0m，距桥桩最近约2.65m。该段地质情况从上而下分述如下：

（1） ①1-b杂填土层（道路结构层）：沥青混凝土路面和二灰碎石，工程特性较好。

（2） ①4-1素填土层（压实填土层）：褐黄-灰-灰黄色，压实，以粘性土为主，夹少量碎石、石灰等，大多含有掺灰道渣或掺灰土，经过压实处理，土质不均。

（3） ③1粘土：褐黄-灰黄色，可-硬塑，含铁锰质结核，夹灰色条纹。该层压缩性中等，工程特性良好。

（4） ③2粉质粘土：灰黄-青灰，可塑为主。含铁锰质斑点及灰色团块，下部夹薄层粉土，局部粉土含量高，该层压缩性中等，工程特性中等。

（5） ④2粉土：灰黄-灰色，稍密-中密，饱和。夹薄层粉质粘土，含云母碎片，该层压缩性中等，工程特性中等。

（6） ⑤粉质粘土：灰色，软塑-流塑。薄层理发育，夹少量粉土薄层，该层压缩性中等偏高，工程特性一般。

（7） ⑥1 粘土：暗绿-灰黄色，可塑-硬塑。含灰色团块、条纹、铁锰质斑点，下部见铁锰质结核，偶夹薄层粉质粘土，该层压缩性中等，工程特性良好。

（8） ⑥2粘土夹粉质粘土：灰黄-青灰，可塑-硬塑。含铁锰质斑点，局部粉粒含量高，夹少量薄层粉土，偶夹姜结块，该层压缩性中等，工程特性中等-良好。

（9） ⑦1 粉质粘土：灰色，局部青灰色，可塑-软塑。稍具层理，夹少量薄层粉土，该层压缩性中等，工程特性一般。

（10） ⑦3 粉质粘土：青灰-灰色，可塑-软塑，薄层理发育，夹少量薄层粉土，该层压缩性中等偏高，工程特性一般。

各岩土层力学性质指标见表1。隧址区测得稳定水位标高在0.9～1.10m 左右。既有高架桥桩桩径1.2m，桩长35m，高架桥上部桥跨结构底至现状地面净空约5.5m。隧道施工过程中若产生过大的水平变形，将有可能导致桥墩及桥梁下部结构变形及开裂，严重的话将影响整座桥梁的安全，因此，工程重难点为分析隧道基坑围护结构施工的挤土影响和基坑开挖期间卸载等因素对临近桥梁结构的的影响。

表1 各岩土层力学指标

2 基坑支护方案

根据《建筑基坑支护技术规程》［9］的有关规定，参考《上海市基坑工程技术标准》［10］、《苏州轨道交通建设技术标准》，并查阅原有轨电车桥桩设计文件要求，综合考虑基坑施工期间各项因素影响，确定：隧道临近有轨电车桥桩处基坑安全等级和基坑环境保护等级均为一级，桥墩承台水平位移应小于10mm，桥墩承台沉降应小于10mm，倾斜允许值i 小于0.002。基坑整体稳定性安全系数不得小于1.35，抗隆起安全系数不得小于1.8，嵌固稳定性安全系数不得小于1.25。

由于现状高架桥上部桥跨结构底至现状地面净空约5.5m 且基坑距桥梁承台最近仅2m，经适用性和经济性必选，围护桩采用刚度大、控制变形好的1000mm@1200mm 钻孔灌注桩，止水帷幕采用800mm@550mm 三重管高压旋喷桩，基坑内部支撑采用两道支撑+一道换撑（增设换撑主要为了控制隧道主体结构回筑阶段基坑变形），其中第一道支撑采用800mm×800mm 钢筋混凝土支撑，第二道支撑及换撑选用609×16mm钢支撑。

为减少隧道基坑施工期间对有轨电车桥梁结构的影响，确保有轨电车运营安全，对基坑施工期间采取如下施工措施：

（1） 对邻近桥桩墩台侧的隧道基坑被动区进行裙边加固，采用800mm@600mm双重管旋喷桩裙边加固，隧道横向范围加固宽度为5m，纵向在有轨电车桥梁承台两侧各延伸5m，加固至坑底以下3m。旋喷桩水泥掺量30%，加固后土体无侧限抗压强度不小于1.0MPa。

（2） 隧道基坑开挖过程中，同一里程位置处左右线基坑同步开挖土体，桥桩两侧均匀卸载，有利于减少桥桩的变形。

（3） 严格控制隧道基坑周边堆放弃土，禁止重物堆载，基坑周边超载不得超过20kPa。

（4） 坑内设置疏干井，坑外设置一定数量的观测井兼做回灌井。基坑内地下水位在基坑开挖之前应降至基坑面以下1m。基坑降水应提前基坑开挖不少于20d进行。

（5） 在隧道施工期间，一旦监测发现异常情况及时对桥桩周围土体进行注浆加固，以控制桩基沉降的发展。

图1 基坑支护断面图（单位：mm）

（6） 基坑设置横向止水帷幕，分区降水。分区、分块进行基坑开挖。开挖至坑底后，尽快施工隧道主体结构。

采用理正结构计算软件对不同开挖工况下基坑变形、周边地表沉降以及稳定性进行计算，均满足规范安全稳定要求。其中，围护结构的最大水平位移为3.39mm，地表最大沉降量7mm，较好地反映了该方案能满足基坑开挖对邻近有轨电车桥梁的安全性要求。具体如表2所示。

表2 基坑变形及稳定性计算结构

3 数值模拟

上述计算中仅考虑基坑本身受坑周水土压力及坑周荷载作用下产生变形和位移，为全面考虑基坑与桥桩相互作用，采用有限元分析方法建立模型来模拟基坑开挖过程中土体与围护体系间的相互作用，分析基坑开挖引起的桥桩的位移。选用有限元软件ABAQUS，建立二维模型。考虑模型边界效应，保证数值模拟的计算精度和计算效果，模型在x 轴（水平）方向取300m；基坑开挖深度为8.4m，在y 轴（竖向）方向取52.5m，确保模型的宽度和深度均满足基坑开挖卸载效应引起的影响范围的要求。模型的边界条件为对土体的左右、底部界面进行x、y双向约束。为模拟有轨电车桥梁承台所受上部荷载（考虑桥梁结构自重和上部电车行驶荷载），在承台施加395kPa的均布荷载。

考虑岩土体具有弹塑性，因此土体的弹性部分选用线弹性模型模拟，塑性部分选用Mohr-Coulomb 模型模拟，此模型采Mohr-Coulomb强度准则，假定σ和τ分别表示土体内某剪切面上一点的正应力和剪应力，考虑土体材料在极限状态下，剪切破坏面上的σ 和τ的关系可表示：

土体采用Mohr-Coulomb 准则的弹塑性本构模型，其应力空间的屈服表达式：

式中，I1为应力张量的第一不变量；J2为应力偏量的第二不变量；θ为应力罗德角。

对于基坑支护结构及桥梁结构均采用弹性模型模拟。基坑支护结构及桥梁结构见表3。

表3 支护结构及桥梁结构参数

基坑围护结构与各道内支撑按照绑定关系考虑。有轨电车桥桩基础、基坑围护桩与周边土体均建立摩擦接触关系，考虑桩身范围内主要为粉质粘土，摩擦系数取0.35。

有限元计算模拟工况根据现场实际施工工况进行设置，主要分为5个工况，如表4所示。

表4 基坑施工工况描述

重点对基坑的水平位移及既有桥桩的水平变形有限元计算结果作重点分析。

从上图2 可以看出，基坑围护结构水平位移整体呈“两头小，中间大”状的变形规律，最大水平位移（6.3mm）发生在坑底附近。分析其原因，只要由于第一道支撑采用混凝土撑，刚度大，较好地限制了基坑顶部附近位移；第二道支撑采用钢支撑，刚度较小，且与第一道支撑竖向间隔较大，再加上坑底存在隆起等问题。因此基坑开挖过程中及时架设支撑减少基坑暴露时间、开挖至坑底及时进行垫层及底板的浇筑、适当的进行坑底附近被动区的加固等均可有效减少基坑水平变形。

图2 开挖至坑底基坑围护结构水平位移

从图3 可以看出，由于基坑开挖卸载已导致现状桥桩产生“鱼腹状”弯曲变形，桥桩朝向基坑侧的最大水平变形量为5.49mm。基坑开挖范围内支撑及围护结构体系刚度大，故桥桩上部水平变形小；基坑底部隆起造成桥桩中部水平位移变大；深部由于岩土层对桩基产生“嵌固”作用，故水平变形较小。

图3 开挖至坑底处既有桥桩水平变形

综上所述，根据有限元分析可得，理正结构软件计算的基坑水平位移（3.39mm）＜有限元软件计算的基坑水平位移（6.3mm），主要由于理正结构计算软件仅考虑基坑单侧支护结构受到水土压力及超载作用，而有限元计算分析时考虑了隧道左右线基坑开挖卸载相互影响，与实际情况也更加吻合。此外，桥桩的最大水平变形为5.49mm满足相关规范及文件所规定对应的限值。

基坑开挖时实施全过程的信息化施工监测，严格监控有轨电车桥桩承台的变形情况和止水帷幕渗漏情况，并对坑周地表沉降和有轨电车桥桩变形（包括墩身沉降、水平位移及倾斜）进行严密监测。经监测结果分析反馈，基坑周边沉降值、桥墩承台水平位移值，桥墩承台沉降值，倾斜值均小于设计文件控制值的要求。

4 结语

文中结合具体工程，探究了隧道在紧邻桥桩情况下，隧道基坑的合理支护结构形式。并借助理正结构软件和ABAQUS有限元软件，分析对比了隧道基坑开挖对桥桩的影响，结果表明：

（1） 采用钻孔灌注桩+高压旋喷桩+两道支撑+一道换撑方案合理、可行。

（2） 理正结构软件计算的基坑水平位移小于有限元软件计算结果，主要由于理正结构计算软件仅考虑基坑单侧支护结构受到水土压力及超载作用，而有限元计算分析时考虑了隧道左右线基坑开挖卸载相互影响，与实际情况也更加吻合。

（3） 既有桥桩的最大水平位移为5.49mm 满足相关规范及文件所规定对应的限值要求。