基坑降水开挖对邻近高架桥梁桥墩的影响及控制对策

杨忠华

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

1 概述

1.1 研究背景

城市地铁基坑工程逐渐呈现出“超大、超深、超近距离近接施工”等特点[1]。深基坑的开挖卸载必然导致坑周地表沉降和地层移动,基坑围护结构在坑外水土压力的作用下发生指向基坑内部的水平位移[2],基坑底部易发生隆起变形。侯学渊等认为：基底隆起是竖向应力释放的结果,可能危害周围既有构筑物的安全。[3]

当边界条件较为复杂,地层变化多样或地下水作用明显时,开挖引起的自由场位移无法用经验公式或解析解来进行描述,此时以往的理论方法就难以胜任了。而目前已经开展的数值模拟工作主要侧重于分析基坑开挖对邻近桩基的影响规律,没有考虑基坑降水及开挖过程中地下水与土体的流固耦合作用，针对各种工程加固措施(如隔离桩、主动区加固、被动区加固等)对邻近桩基的变形控制效果及控制规律的研究还较少见。

1.2 工程概况

某地铁车站总长183.114 m,底板埋深20.5 m,基坑底位于4-1粉砂层和4-2粉细砂层上。车站处于某市解放大道与京汉大道之间的江汉路正下方,平行于江汉路布设,车站西侧为一既有地下通道,东侧为京汉大道上的高架桥梁,西南侧距离基坑3.5 m左右处有地上3层、地下1层的大型商场(基础类型为筏片基础),车站东北侧有28层世纪大厦大楼(为桩基),距基坑约13 m。

1.3 工程地质条件及水文条件

(1)地质条件

根据地质调查和钻孔揭露,工程区表层分布人工填土层,其下呈现典型的二元结构,上部为黏性土,局部夹淤泥质土,中下部为稍密—中密粉细砂、密实中粗砂,底部局部分布砾卵石,下伏基岩除局部分布白垩系—第三系东湖群(K-Edh)砾岩、砂岩外,主要为志留系中统坟头组泥岩和粉砂岩,地质分布见图1。

(2)水文条件

场区地下水按埋藏条件主要为上层滞水和层间承压水两种类型。一是上层滞水：上层滞水主要赋存于人工填土层中,含水与透水性不一,地下水位不连续,无统一的自由水面,水位埋深为0.5～2.0 m；二是承压水：承压水为本区主要地下水,主要赋存于第四系全新统冲积粉砂(4-1)、粉细砂和中粗砂砾石层(4-3)中,与上覆粉质黏土、粉土、粉砂互层(3-5)构成统一承压含水层。长江水是地下水动态变化的主要因素,承压水头与长江水位涨落密切相关,年变幅为3～4 m。大气降水的入渗补给对承压水影响较小。

1.4 地铁车站总体施工方案及施工顺序

本工程车站主体结构采用基坑围护、坑内降水、内设钢管支撑或混凝土支撑的方式施工。下穿高架桥墩处采取盖挖顺作法施工,并预先对高架桥墩进行加固,其余段均采用明挖顺作法施工。桥墩处基坑剖面如图1。

图1 高架桥墩处基坑剖面(单位：cm)

图2 高架桥墩加固平面

(1)高架桥墩加固施工

先对高架桥墩桩基进行注浆加固,后进行直径为800 mm间距为1 m的隔离桩施工。为防止隔离桩施工中发生串孔和塌孔,桩基施工前先进行取芯抽样检查再施工隔离桩,桩基施工采取跳跃施工顺序。桥墩加固与地下连续墙位置关系如图2。

(2)基坑主体结构施工

主体围护结构形式采用80 cm厚地下连续墙,地下连续墙采用刚性工字钢接头。围护结构支撑：顶板抬高段设置5道支撑,其中第一道采用钢筋混凝土支撑,2～5道设置钢支撑,第4道为双拼钢支撑；盖挖段设5道支撑,除第2道支撑采用钢支撑外,其余均采用钢筋混凝土支撑。

在大型商场及既有地下通道等构筑物离基坑较近处,为防止和减少基坑开挖造成的影响,在连续墙外侧施做高压旋喷桩；车站横穿高架桥墩段(盖挖段)基底采用φ1 200旋喷桩被动区土体加固,加固厚度3 m。基坑内降水采用深井降水技术。本车站主体基坑共布置12口降水井,设置成1排,纵向间距15 m左右。降水井直径800 mm,内设直径400 mm钢套管,降水井深入基坑底板下部约为14 m。

在完成连续墙围护、抗拔桩、临时立柱及冠梁且降水达标后,开始进行基坑土方开挖。土方开挖遵循“纵向分段、竖向分层、由上至下、边开挖边支护、先支后挖”的施工原则,竖向从上至下分层进行。。

当基坑成型长度达到40 m以上,则开始主体结构施工。采取纵向分段,竖向分层的跳段施工方式，施工顺序也是从东向西推进，竖向从车站底板开始自下而上施做,即：底板→地下二层墙、柱及中板→地下一层墙、柱及顶板。

2 基坑降水开挖数值计算模型

2.1 计算范围、单元类型及材料参数的选取

O’Rourke[4]和Cording[5]等人对影响围护结构水平变形的主要参数进行了深入的研究,Clough[6]及Wong[7]等率先采用平面整体有限元方法探讨了有内支撑的深基坑开挖问题。Blackburn[8]对福特设计中心深基坑工程进行了三维弹塑性数值模拟,上述工作对本工程有很重要的参考价值。

在对本工程进行数值仿真分析过程中,着重对盖挖段周围一定范围内的土体及构筑物和标准段的部分基坑进行了三维建模。具体分析范围如图3所示,以地铁车站标准段中心位置为起点,沿基坑长度方向往高架桥延伸220 m,沿基坑宽度方向两侧延伸各115 m,竖向取至地表以下60 m的深度(基岩面以下约12 m),总计算模型尺寸为220 m×230 m×60 m。

分析中,钢筋混凝土支撑、钢支撑、混凝土冠梁及围檩等采用梁单元进行模拟，高架桥墩基础桩、隔离桩采用实体单元模拟,抗拔桩采用桩单元进行模拟,土体(包括旋喷桩加固体和注浆加固体)采用六面体单元进行模拟。

基坑降水开挖阶段涉及的对象主要有：土体、基底旋喷桩加固体、钢支撑、混凝土撑、冠梁、围檩等,其力学参数见表1。

表1 材料主要物理力学参数

2.2 边界条件及荷载

模型的力学边界条件为：高架桥墩上表面为垂直荷载边界(应力边界),四侧为法向约束,底面固定(位移约束)。

同时,在基坑降水开挖阶段,基坑需要进行降水和开挖,存在明显的地下水流动问题。因此,模型中考虑地下水与土体的流固耦合作用。由于地下连续墙及止水帷幕已隔断承压水进入基岩,且由现场抽水试验可知,降水井内水位恢复相当缓慢,这表明深入基岩的止水帷幕和地下连续墙对地下水的阻隔效果较好,渗漏量很小。因此，对基岩、连续墙的透水边界条件进行适当简化,即假定基岩、连续墙为不透水介质。在模型的右、前、后三侧,由于地下水受长江的水力补给,设定为定水头边界；由于基坑为狭长矩形,模型左侧截断边界处基本不会有地下水流入(出),故设置为不透水边界；降水井侧壁处设置为定流量的泄漏边界。

2.3 计算模型的网格划分

整个模型网格划分如图3所示。其中共有24.25万个实体单元,27.62万个网格点,3 212个结构单元(梁单元和桩单元)。

图3 网格划分

2.4 施工过程模拟及分析

具体模拟过程为：形成初始应力场；施工高架桥墩及桩基,并施加Q2墩及Q3墩墩顶荷载,形成基坑施工前的应力场；设置地下连续墙、隔离桩等,并进行注浆加固和旋喷桩加固；位移场归零(本文只分析基坑降水开挖引起的位移,不考虑隔离桩成孔及地下连续墙成槽引起的地层和桩基变形规律),进行基坑降水(一次性将基坑内部水位降至地表以下22.80 m)；挖除第一层土体,施做第一道支撑；开挖第二层土体,施做第二道支撑……；依次施工,直至土方开挖完成；施做底板及部分侧墙、中柱,拆除第五、四道支撑；施做中板及部分侧墙、中柱,拆除第三、二道支撑；施做顶板,拆除第一道撑,并回填至地表。其中,在进行每层土体的开挖和支撑时,还考虑到基坑纵向的分段开挖(计算域内分为5个节段),整个过程共有44个计算步。

2.5 计算结果分析

由于Q3墩侧地下连续墙性状较为规则,条件较为简单,在此主要以Q3墩侧模型为研究对象。以下若无特别说明,所列出结果均为Q3墩侧的计算结果。

(1)坑外地表沉降

不同施工步下标准段及盖挖段坑外地表沉降随距离的变化曲线如图4所示。

图4 不同施工步下基坑外地表沉降分布曲线

由图4可知：基坑外地表沉降呈抛物线分布,随着基坑降水开挖的进行,坑外地表沉降逐渐增大,且最大值出现的位置距地下连续墙的距离也有一定程度的增长。从各施工步引起的地表沉降量的大小来看,基坑降水的影响是最为明显的,对于标准段和盖挖段而言,基坑降水引起的地表沉降占总沉降量的比例分别达到了39.1%和37.7%。因此,在进行基坑变形分析时,考虑降水引起的土体渗流固结是必不可少的。基坑开挖完成后,标准段和盖挖段坑外最大地表沉降分别为31.9 mm和16.2 mm。盖挖段坑外地表沉降只有标准段的一半。其原因是：①由于隔离桩、主动区注浆加固及被动区旋喷桩加固等工程措施的加固作用,大大提高了土体的力学性能。②盖挖段基坑宽度比标准段小很多,坑底土体的隆起程度及降水引起的坑内土体压缩变形也会小很多,相应地,坑外土体的地表沉降也就大幅度降低了。

进一步比较图4(a)和图4(b),可以发现,除了数值上有较大差异之外,标准段与盖挖段坑外地表沉降的分布形态也略有差别,主要表现为：①由于受到隔离桩及主动区注浆加固体的“遮拦”作用,盖挖段坑外地表沉降最大值发生的位置要更靠外一些。②由于主动区注浆加固体与外侧土体的刚度差异,盖挖段坑外地表沉降在6 m位置处出现拐点。

(2)地下连续墙水平位移

图5给出了不同施工步下标准段及盖挖段地下连续墙水平位移分布曲线。地下连续墙的水平位移大体上呈现出两端小、中间大的变形形态。同样,由于基坑采用的是一次性降水方案(降至基底下2 m),随着降水的进行,地下连续墙内外产生了较大的水头差,且在整个降水过程中基坑内支撑尚未施做,不能发挥作用,因而导致降水引起的地下连续墙水平位移占最终水平位移的比重很大(标准段达到了41.0%,盖挖段达到了42.2%)。另外,随着开挖深度的增加,地下连续墙最大水平位移逐渐增大,最大水平位移发生的位置也不断下移。在基坑降水及表层土体开挖时,基坑尚未施做第一道横撑,地下连续墙最大水平位移发生在墙顶附近。随着后续开挖的进行,最大水平位移发生的位置也逐渐转移到坑底开挖面下3 m的位置处。

图5 不同施工步下地下连续墙水平位移分布曲线

(3)高架桥墩变形

Q2墩及Q3墩距离地下连续墙的中心间距均不超过6 m,由图4可知,在此范围内,地表沉降非常小(不超过4 mm)。相应地,桥墩的沉降相对于其挠曲变形而言,基本可以忽略。在此情况下,桩基对地层不均匀水平位移更为敏感,桩身弯矩往往起控制作用。因此,本文仅给出高架桥墩的水平响应(以下列出的桩身响应均为同一群桩基础内四根单桩响应的平均值)。

图6给出了不同施工步下Q2墩及Q3墩群桩基础内4根单桩的平均水平位移分布曲线。不难看出,桥墩桩基的水平位移分布规律与盖挖段地下连续墙的水平位移分布规律非常类似,只是数值上要略小一些。当基坑施工完成后,Q2墩桩基的最大水平位移为23.3 mm,Q3墩桩基的最大水平位移为24.4 mm。

图6 不同施工步下桥墩桩基水平位移分布曲线

3 桥墩变形控制措施的效果分析

对于城市高架等重要建构物而言,其桩基础对地层变形是相当敏感的,其控制标准相当严格。在正常施工条件下无法满足其地层变形控制标准时,应采取必要的变形控制措施。一般来讲,变形控制措施可以分为两类：①采取额外的工程措施对桩基进行防护,如盖挖段采用的隔离桩、主动区注浆加固及被动区旋喷桩加固等。②通过调整优化降水方案、开挖顺序及每步开挖尺寸等。

3.1 优化降水方案对桩基位移的控制效果分析

如前所述,基坑降水(一次性降水方案)引起的地层位移及桩身变形占总变形量的比重非常显著。因此,在深大基坑的实际施工过程中,往往采用分层降水方案,即每次将水位降至各层土体开挖面下1～2 m,然后进行相应层土体开挖,降水与土体开挖交替进行。图7给出了不同降水方案下Q2墩及Q3墩最终桩身水平位移分布曲线。由图7可知,相对于一次性降水方案,分层降水方案所对应的桩身最大水平位移有一定幅度的降低,尤其是中上部,桩身水平位移降低幅度非常大。其中,Q2墩及Q3墩桩身最大水平位移降低的幅度分别为15.2%和13.7%,Q2墩及Q3墩承台顶部水平位移降低的幅度分别达到了50.3%和58.6%。因此,通过优化降水方案来控制基坑施工对邻近桩基影响的效果还是比较明显的。

图7 不同降水方案下桥墩桩身水平位移分布曲线

3.2 各种加固措施对桩基的位移控制效果分析

在很多情况下,仅通过调整优化降水方案和土体开挖方案并不一定能满足环境保护的需要,此时便需要一些工程加固措施(如本基坑盖挖段涉及的隔离桩、注浆加固和旋喷桩加固等)。图8给出了五种不同加固方案下Q2墩和Q3墩最终桩身水平位移分布曲线。其中,工况A表示无任何加固措施；B表示只有被动区旋喷桩加固；C表示只有主动区注浆加固；D表示只有隔离桩加固；E表示同时有隔离桩、主动区注浆加固和被动区旋喷桩加固等三种措施。计算结果显示：相对于无加固措施(即工况A),工况B～E情况下Q2墩(Q3墩)桩身最大水平位移分别降低了22.1%(19.8%),12.0%(13.2%),14.2%(15.6%)和50.7%(51.3%)。总体上看,在基坑降水开挖阶段(不包括地下连续墙成槽阶段),隔离桩、主动区注浆加固和被动区旋喷桩加固三种措施中,被动区旋喷桩加固的效果最为明显。在同时采用三种加固措施的情况下,其组合位移控制效果基本上就是三者各自位移控制效果的线性累加。

需要说明的是,由于隔离桩和主动区注浆加固在地下连续墙成槽之前已完成,在地下连续墙成槽阶段已经发挥了一定的作用,因此本节给出的计算结果只体现了隔离桩和主动区注浆加固的部分加固效果。

图8 不同加固方案下桥墩桩身水平位移分布曲线

4 结论

各施工步骤中,基坑降水对环境的影响最为明显,应特别关注。随着降水开挖的进行,坑外最大地表沉降出现的位置逐渐外移,地下连续墙最大水平位移发生的位置也不断下移。至基坑开挖完成后,地下连续墙最大水平位移发生在基底以下3 m位置处。

通过优化降水方案来控制基坑施工对邻近桩基影响的效果还是比较明显的。相对于一次性降水方案,分层降水方案能一定程度地降低邻近桩基的变形,尤其是降低桩基承台顶部的水平位移。

隔离桩、主动区注浆加固和被动区旋喷桩加固都能一定程度地抑制邻近桩基的水平位移。相比而言,在基坑降水开挖阶段,被动区旋喷桩加固的效果最为明显。另外,三种加固措施的“组合位移控制效果”基本上就是三者各自控制效果的线性累加。

[1]徐至钧,赵锡宏.逆作法设计与施工[M].北京:机械工业出版社,2002

[2]张 羽.基坑开挖与邻近桩基础的相互影响分析[D].上海:同济大学,2007

[3]刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社,1997

[4]O’Rourke T D. A Study of Two Braced Excavations in Sand and Interbedded Stiff Clay [Ph.D. Dissertation]. University of Illinois at Urbana-Champaign, 1975

[5]Cording E J. Evaluation and control of ground movements around tunnels and excavations in soil. In: Proceedings of the 11thInternational Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, San Francisco, 1985

[6]Clough G W, Duncan JM. Finite element analyses of retaining wall behavior. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, 1971,97(12):1657-1673

[7]Wong L H. Analysis of Braced Excavation [Ph.D. Dissertation]. Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts, 1971

[8]Blackburn J T. Automated Remote Sensing and Three Dimensional Analysis of Internally Braced Excavations [Ph.D. Dissertation]. Northwestern University, 2005