基坑卸载对临近高架桥墩影响分析

 庄子帆

 (上海市城市建设设计研究总院，上海200125)

摘要：为解决交通拥堵常在城市道路交叉路口采用下穿式地道，这使得基坑临近桥墩施工的情况越来越多。基坑卸载造成地层应力重新分布，势必对周边桥墩基础产：生影响。通过建立有限元数值模型，模拟某下穿地道工程中南北线基坑开挖对临近3个桥墩基础的影响，得到基坑围护结构和临近桥墩基础侧向位移最大值发生在土质条件较差的坑底。距离基坑超过2倍开挖深度时，桥墩基础受基坑开挖影响较弱，可忽略。南北线基坑分期施工，中间桥墩经历了正位移转为零位移的过程。

关键词：基坑；高架桥墩；近距离：影响分析

中图分类号：U443.22文章编号：1004-4655( 2016) 03-0058-05

 在北京、上海等大型城市中，绝大多数的交通拥堵发生在交叉路口。下穿式地下通道能够保证主要交通流连续通过交叉路口，是解决路口拥堵的有效措施。往往城市路网的规划建设存在时空差异，功能提升导致地道临近既有高架桥墩建设的情况越来越多。王新针对上海某明挖地道近间距下穿轨道交通11号线高架桥墩的影响进行了可行性研究，分析认为基坑深7m、围护距离承台基础2m时，既有桩基竖向承载力消弱较少，沉降和变形控制满足相关要求，具有可实施性。李文勇针对上海轨道交通12号线龙漕路车站深16.5～19.1 m基坑施工引起轨道交通3号线高架桥墩的位移响应进行了分析，桥墩基础距离围护仅1.2 m，分析认为近桥墩侧的MJS加固对抑制桩基变形起到一定的作用。丁勇春分析了轨道交通8号线西藏南路车站基坑施工对内环高架桥墩基础的变形影响，并探讨了控制措施。内环高架基础承台临近围护结构仅0.5 m，在采取一系列控制措施后，高架桩基最终侧向位移约15 mm。

 明挖地道的基坑开挖造成高架桥墩附近土体的卸载，应力释放引起临近既有高架基础侧向土压力损失，进而产生一定的位移响应。分级控制基坑开挖过程中围护结构变形，增强既有桩基周边土体的自立性是控制高架桩基位移的重要措施。

 虽然国内有部分学者针对基坑开挖对临近桩基的影响进行分析，但并未形成系统性总结。本文利用大型有限元数值计算软件对某地道基坑开挖引起高架桩基础的影响进行模拟分析，探求基坑卸载引起围护结构变形响应与临近群桩侧移之间的关系，为相似工程的设计和施工提供借鉴。

1工程概况

 上海某道路（路1）进行功能提升，主线在路2路口下穿既有高架线路。由于高架桥墩的间距限制，明挖地道采用矩形分离式箱涵结构（见图1、图2）。

地道北线从高架P89和P90号桥墩之间穿过，结构离两侧承台最近距离为7.9 m和4.0瑚；地道南线从高架P90和P91号桥墩之间穿过，结构离两侧承台最近距离为5.3 m和6.3 m。

 路2高架上部结构为30 m跨简支箱梁，桥面宽约17.7 m，桥下净空约7m。高架采用双柱式桥墩，独立承台，尺寸( 6.0×5.5×2)m。桩基采用( 0.45×0.45×29.40)m钢筋混凝土预制桩，每墩16根桩，边桩中心距承台外缘0.5 m，桩底标高-28.63 m。

 为便于交通组织，基坑总体方案为先实施南线，后实施北线；先实施路口两侧后实施路口段。

 考虑桥下净空限制，基坑围护结构采用ϕ850 mm@1 000 mm钻孔灌注桩+MJS止水帷幕（ϕ2000 mm@1 500 mm）。基坑沿竖向设置1道混凝土支撑+2道钢支撑，第二道支撑到坑底下方5m范围内采用高压旋喷桩满堂加固，与坑外MJS加固体形成闭合的止水体系（见图3）。

 本场地属滨海平原地貌类型。根据勘察资料，场地地基土在勘察深度范围主要由饱和黏性土、粉性土和砂土组成。由上至下依次发育的土层为：①1填土、②1褐黄~灰黄色粉质黏土、③灰色淤泥质粉质黏土、③t灰色粉质黏土夹淤泥质粉质黏土、③灰色淤泥质粉质黏土、④灰色淤泥质黏土、⑤1灰色黏土、⑥暗绿~灰绿色粉质黏土、⑦1草黄~灰色砂质粉土、⑦2灰黄~灰色砂质粉土、⑧1灰色粉质黏土、⑧2灰色粉质黏土夹砂质粉土、⑧2t灰色粉砂夹粉质黏土。上述土层②、③、④、⑤层为全新世Q4沉积物，⑥、⑦、⑧层土为上更新世Q3沉积物。坑底位于④淤泥质黏土层，该层土属高压缩高灵敏度软弱土，具有一定的流变及触

变性。

 拟建场地潜水赋存在浅部土层中，潜水位埋深离地表面0.3~1.5 m，年平均地下水位埋深在0.5~0.7 m，设计高水位埋深0.3 m，低水位埋深1.5 m。

3数值模型

3.1网格

 借助平面有限元软件对基坑和临近桩基础建立数值模型，网格划分见图4。模型宽80 m，高60 m，模型底部仅约束竖向位移，两侧仅约束水平位移。

3.2材料参数

 土体简化为水平向均质土层，采用15节点平面应变单元模拟，土体力学模型采用Hardening-Soil模型。模型的基本特点是土体刚度对应力状态的依赖性，在排水三轴试验情况下，轴向应变与偏应力之间为双曲线关系，其在p平面上的形状与MC模型相同，且使用MC破坏准则描述极限状态，可以模拟应力增量随应变逐渐减小的硬化现象。岩土强度采用三轴试验刚度(E50)、三轴卸载／再加载刚度(E u r)和固结仪荷载强度(E o e d)描述。各刚度定义的公式分别为

 钻孔灌注桩围护和高架承台下桩基根据刚度等效原则进行刚度折减，采用板单元模拟。板单元与土体设置接触单元模拟结构与土的共同作用。支撑采用弹性杆模拟，刚度根据间距进行折减计算。承台上方高架荷载等效均匀。地下水位为-0.5 m，但不考虑渗流作用。地层物理力学参数主要见表1。

3,3模拟过程

 1)建立高架桩基及承台模型，计算初始应力，清除初始位移。

 2)激活南线围护桩单元。

 3)分层开挖南线基坑，先撑后挖，直至坑底。

 4)填筑南线结构，顶部覆土回填。

 5)激活北线围护桩单元。

 6)分层开挖北线基坑，先撑后挖，直至坑底。

 7)填筑北线结构，顶部覆土回填。

4影响分析

4.1南线地道开挖工况

 南线基坑开挖后的土层侧向变形和沉降见图5、图6。南线基坑围护最大侧移15.4 mm,地面最大沉降约4 mm。P90桥墩（中间桥墩）影响最大，桩基沉降在4 mm以内，最大侧向变形约8 mm，满足桥墩基础总变形不大于10 mm的控制要求。

  从图5中可见，南线地道基坑开挖后围护结构和临近桩基础最大位移均发生在坑底深处。坑底附近土层为③淤泥质粉质黏土、④层淤泥质黏土，该两层土土质较差，属高压缩性土，进而造成土层变形。

从图6中可见，基坑隆起变形较大，由于围护结构和支撑影响，地表沉降较少。由于围护结构插入较深，坑底隆起引起的地层变位随深度消减。

 从图5、图6中可见，南线基坑开挖仅影响临近的P90和P91桥墩，P89距离基坑超过2倍开挖深度，影响较弱，可忽略。

4.2北线地道开挖工况

 北线基坑开挖后的土层侧向变形和沉降见图7、图8。北线基坑围护最大侧移16.3 mm，地面最大总沉降约5 mm。P90桥墩（中间桥墩）影响最大，桩基总沉降在6 mm以内，最大侧向总变形约9 mm，满足桥墩基础总变形不大于10 mm的控制要求。

 从图7中可见，南线回筑后，P90受北线基坑开挖影响，群桩基础由正位移（指向南线方向）变为负位移（指向北线方向）。P90桥墩外缘近南线桩基经过南北线开挖后，侧向变形几乎为零。P89桥墩距离基坑约7.9 m，受北线开挖在坑底发生最大侧向位移，数值相比P90和P91较小。

 综上分析，南北线基坑施工对P90桥墩（中间桥墩）影响最大。南线施工时，P90桥墩受基坑开挖产生明显的侧向变形；当北线基坑开挖后，P90桥墩外缘近南线桩基的侧向变形明显减弱，P90桥墩外缘近北线桩基则逐渐发生往北线方向的位移。

 截止发稿，南北线地道结构已经完成结构回筑。据施工信息反馈，南线基坑施工完成时，P90和P91均往坑内方向发生5～6 mm位移，P89位移几乎为零；北线基坑施工完成时，P90外缘近南线桩基变形有所减少，往北线发生约1.3 mm的变形，此时P90外缘近北线桩基往坑内发生约4.5 mm的侧移（见表2）。从表2中可见计算值与实测值的规律基本一致，计算值偏保守。  

数值计算未考虑坑外MJS加固，从对比数据看，施工中采用MJS加固对桥墩变形起到较明显的控制作用。此外，本工程的支撑采用轴力自动补偿系统，使得桥墩变形得到较好控制。

5结语

 通过建立有限元数值模型，模拟南北线基坑开挖对临近3个桥墩基础的影响，得出以下主要结论。

 1)基坑围护结构和临近桥墩基础侧向位移最大值发生在土质条件较差的坑底。

 2)足够的围护结构深度有利于减少坑底隆起对周边地层的影响，临近桥墩基础竖向沉降发生量较小。

 3)距离基坑超过2倍开挖深度时，桥墩基础受基坑开挖影响较弱，可忽略。

 4)南北线基坑分期施工，中间桥墩受影响最大。中间桥墩经历位移转换的过程。