深基坑开挖对邻近高铁桥墩的影响分析

王 军

(无锡市轨道交通发展有限公司,江苏无锡 214043)

随着国内城市化进程的快速发展,大批的地下工程不断涌现。在城市环境中,高层建筑、高架桥梁等密布云集,而深基坑开挖有时会不可避免要位于桥梁下方或建(构)筑物邻近位置,基坑开挖时必定会引起周边土体的变形,过量的变形将影响邻近建(构)筑物的正常使用,甚至导致破坏。因此,必须在整个基坑施工期间对其变形进行监测,根据监测数据及时调整开挖和支护措施,以保护邻近建(构)筑物不因过量变形而影响它们的正常使用或破坏。

1 工程及设计情况

1.1 工程概况

无锡市地铁N号线与沪宁城际某站地下配套工程为地下二层钢筋混凝土箱形结构,位于无锡市境内沪宁城际铁路某高架站下方,平面上与城际线路成正十字交叉,高架桥墩桩长约43 m,距基坑两侧边缘各6.12 m。基坑变形控制保护等级为一级,深约14 m,基坑围护结构采用长25 m,直径 φ1200 mm钻孔灌注桩,桩间采用高压旋喷桩止水帷幕,外加1排高压旋喷桩隔水帷幕,支撑系统为一道钢筋混凝土支撑 +两层钢管支撑。由于沪宁城际临近试运营期,对本基坑开挖所引起的墩台沉降要求控制在 ±2.5 mm以内。

本基坑工程采用明挖顺筑法施工,分三段三层依次开挖,2010年3月3日开始开挖,3月22日开挖全部完成,4月30日顶板浇筑完成。

1.2 地质及水文情况

根据地质剖面图,基坑开挖揭露地层自上而下主要为：人工填土层、硬塑为主的黏土、稍密饱和的粉土和软塑为主的粉质黏土等。基底位于软塑为主的粉质黏土中,该土层工程力学性能较差。

场地地下水主要有：上层滞水、微承压水及承压水,上层滞水含水层主要埋藏在浅部人工填土层中,水位埋深虽很浅(1～2 m),但渗透性差,对本工程建设产生的不利影响较小。

微承压含水层主要分布在稍密饱和的粉土层中,该层土属富水性中等的有压含水层。当地下工程施工时,在挖至粉土层时坑底及坑壁易会产生管涌、冒砂等现象,引起坑壁坍塌。

2 沉降机理分析

基坑工程的施工引起建(构)筑物的沉降一般认为是由基坑土方开挖造成坑外土体位移和坑外水位降低,导致土体固结引起的。

基坑开挖的过程实际上是基坑开挖面上竖向卸载、坑壁水平卸载的过程。基坑开挖后,围护结构内外的土体将由初始的静止土压力状态向被动和主动土压力状态转变,应力状态的改变引起围护结构承受荷载并导致围护结构变形,而围护结构的变形使坑外主动压力区和坑内压力区的土体发生位移,围护结构向基坑内侧发生水平位移,使围护墙背后土体水平应力减小,导致剪力增大,出现塑性破坏,引起土层出现沉降。该沉降是受基坑开挖深度、围护结构强度、支撑强度、支撑架设速度、地表荷载和地质条件等多种因素影响的。

众所共知,土体一般由土体颗粒、孔隙水和气体三相组成,而土体的变形主要是由孔隙水排出、气体体积减小和土体骨架发生错动造成的。在饱和土中孔隙水压缩量很小,孔隙体积变化主要是孔隙水排水引起的,当坑外水位降低时,孔隙压力消散,土体有效应力增加,土体骨架产生瞬时和蠕动变形,引起土体的固结沉降,对建筑物基础产生向下的负摩阻力,而在基坑开挖过程中,如围护结构内侧出现渗漏水的同时还伴随着坑外的土体流失。坑外土层损失后,又加大坑外土体土层产生位移,一定程度上也加剧了周边建(构)筑物的沉降。

3 桥墩沉降计算值与实测值对比分析

鉴于基坑开挖对城际高铁沉降影响的重要性,设计单位在基坑开挖前建立模拟基坑开挖的Hardening Soil模型,在最不利工况下进行计算,估算基坑各施工阶段引起城际高铁桥墩的沉降值,将计算值和实测数据进行比较,以分析基坑施工不同工况下对桥墩沉降影响。

在整个基坑施工期间,城际桥墩沉降较为稳定,基坑开挖第一层土墩台平均沉降至-0.05 mm；开挖第二层土墩台平均沉降至-0.60 mm；开挖第三层土墩台平均沉降至-0.58 mm；底板浇筑完毕后墩台平均沉降至-0.13 mm；中板浇筑完毕后墩台平均沉降至-0.27 mm；顶板浇筑完毕后墩台平均沉降至-0.28 mm。如图1所示。

图1 各施工阶段桥墩沉降曲线

城际桥墩沉降计算值与实测值对比如表1所示。

表1 桥墩沉降计算值和实测值对比

从表1中可以看出,实测值和计算值差异不大,整个基坑施工期间对桥墩沉降影响较小,而对沉降影响相对较大的阶段均为土方开挖阶段,其中主要集中在第二层土方开挖后,对桥墩沉降影响占整个沉降量的80%左右。

从实际施工情况、地质条件和监测数据综合分析各施工阶段桥墩沉降情况及相关影响因素：

(1)基坑第一层土方开挖较浅,涉及土层主要为硬塑为主的黏土,工程力学性质较好,抗剪切能力较强,围护结构向坑内偏移较小,坑外土层相应损失较小。此外,该基坑首层支撑采用钢筋混凝土支撑,而钢筋混凝土支撑整体性、抗变形能力相比钢支撑较强,对围护结构的变形约束能力也相应加大,间接地减小了坑外土体的变形。

(2)随着基坑开挖至下层饱和、稍密状粉土,该层土工程性质较差,并富含微承压水,开挖后基坑内侧出现较多渗漏点,并有个别较大涌水点,坑外水位下降达报警指标(如图2),而施工单位堵漏、排水工作相应滞后,坑内被动区受涌水长时间的泡槽影响工程力学性能迅速下降,围护结构内外水土压力差加大,推动围护结构向坑内产生更大的变形。此外,因基坑部分区域位于高架下方,吊车受净高限制,钢支撑架设进度也相应滞后,一定程度上加大了围护结构的变形,从而加剧了坑外土体的损失。

图2 各施工阶段地下水位变化曲线

(3)从实测值中可以看出,基坑开挖第三方土方后,桥墩基础有轻微的上升。根据现场施工情况分析,基坑出现较大涌水点后,施工单位在坑内进行注浆堵漏,同时在坑外围护结构与桥墩基础之间进行注浆加固,注浆压力较大,浆液的扩散对周围的土体产生压缩,致使周围土体产生膨胀、隆起等现象。通过及时的注浆加固,有效的控制了桥墩基础的沉降速率,但在进行坑外注浆加固的同时,注浆压力过大也会导致该区域围护结构像坑内产生较大的偏移,这也是开挖第三层后期少数桩体向坑内偏移显著的主要原因。如图3所示。

图3 各施工阶段桩体变化曲线

(4)从整个基坑施工阶段桥墩实际平均沉降值后分析,沪宁城际高架桥墩基础受基坑施工影响较小,一方面由于基坑在施工过程中得到了有效的施工控制,围护结构及周边环境受施工影响较为稳定；另一方面是城际桥墩桩基采用了大直径的43 m较长桩基,结构强度大,对基坑两侧潜在滑裂土体的抗滑能力较强,桩基变形较小。同时,基坑两侧大直径高架桥墩长桩基承担了两侧较大的土体主动土压力,起着第一道隔断作用,很大程度上减小了围护结构以及围护结构与桥墩桩基之间的深层土体的变形。

4 结论

深基坑内支撑系统采用钢筋混凝土支撑 +钢支撑组合体系,充分发挥了钢筋混凝土支撑整体性好、抗变形能力强和钢支撑架设进度快、可多次加力的优点,减小前者时空效应差、后者变形大等带来的负面影响,两种类型支撑相辅相成、互补不足,从而有效地控制围护结构和周边土体在整个基坑施工期间的的变形,这种组合体系在以后类似深基坑工程中应普遍予以应用。

本工程因工期紧缩的影响,围护桩外隔水帷幕未达到强度即进行开挖,造成开挖到富含微承压水的粉土层后出现了较大的涌水点,这也是导致坑外高架墩台在这一阶段沉降较大的主要原因。建议在以后类似基坑工程须待围护体系达到设计强度后再进行后继的土方开挖。同时施工单位应合理安排好施工工期,并充分做好注浆堵漏、抽排积水的应急准备措施。

在基坑周边建(构)筑物基础外侧进行注浆加固,可以有效控制基坑施工期间周边建(构)筑物的沉降量,但在加固地基的同时也加剧了围护结构的变形。因此,应加强对注浆加固机理的研究,使其更好的为深基坑开挖、盾构施工以及建(构)筑物基础加固保护等工程服务。

[1]刘国彬,王卫东.基坑工程手册：第二版[M].北京：中国建筑工业出版社,2009

[2]夏才初,潘国荣,等.土木工程监测技术[M].北京：中国建筑工业出版社,2001

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