桥墩附近基坑开挖对桥墩基础影响的数值分析

张海东

0 引言

随着城市规模的不断扩大，城市交通设施不断向外延伸，城市交通设施和城际高铁的交叉增多，给工程造成困难，特别是高铁对变形和位移影响要求高，邻近基坑施工对其影响较大，随着计算理论的不断完善，空间计算软件的不断推出，采用有限元对基坑施工影响进行分析指导。

本文就上海轨交12号线下穿沪杭高铁为工程背景，采用岩土工程软件PLAXIS模拟分析。其结果为基坑工程的施工提供了指导性的数据，对施工进行控制。同时对类似的设计具有指导意义。

1 工程概况

上海轨交12号线中春路停车场出入线下穿沪杭高铁的支撑围护设计。本工程呈东西走向，基坑宽18.7 m，长(最长处)29.01 m，基坑开挖深度由西至东为9.2 m～9.6 m。基坑下穿在建的沪杭客专松江特大桥56 m连续梁段及沪昆铁路。沪杭客专在本段施工时已完成土建部分的主要工程;基坑南侧边缘至沪杭客专松江特大桥Pm37号桥墩承台最近处约为5.85 m，基坑北侧边缘至沪杭客专松江特大桥Pm36号桥墩承台最近处约为18.63 m。

工程主体结构围护结构采用1.0 m和1.2 m钻孔灌注桩和高压旋喷桩止水帷幕，靠近桥墩侧采用1.2 m钻孔灌注桩;其余采用1.0 m钻孔灌注桩，桩长22 m，插入比约为1.2;钻孔灌注桩外面设置一排φ600@400高压旋喷桩止水帷幕，深16.0 m，插入不透水层⑤1a粘土层。沿深度方向设置三道支撑，第一道支撑位于地面下0.7 m处，第二道支撑位于地面下4.5 m处，第三道支撑位于地面下7.5 m处，除第一道为混凝土支撑外其余皆为609 mm钢管支撑。

主要工程地质概述:拟建场地较为平坦，属滨海平原地貌，地面标高约在 4.4 m ～4.7 m。

各土层自上而下为:

第②层为褐黄～灰黄色粉质粘土。

第③层为淤泥质粉质粘土，流塑，抗剪强度低，对基坑支护结构稳定性不利，③夹层砂质粉土，开挖时局部可能会产生管涌、流砂。

第④层为灰色淤泥质粘土，流塑，抗剪强度低，具流变特性和触变特性。

第⑤层分布较为稳定，分为三个亚层，⑤1a层为灰色粘土、⑤1b层为灰色砂质粉土和⑤1c层为灰色粉质粘土。

第⑥层为暗绿～草黄色粉质粘土。

第⑦层砂性土层埋藏较深，可分为两个亚层，⑦1层粘质粉土层和⑦2层粉砂层，土性较好。

本场地浅部地下水属潜水类型，地下水位埋深0.5 m。

2 数值分析

2.1 有限元计算模型

为了评价影响段范围内基坑开挖对沪杭客专松江特大桥(Pm37号桥墩)的影响，我们选取基坑最不利A—A断面建立有限元数值模型进行分析。

数值计算采用岩土工程软件PLAXIS模拟，几何对象采用平面应变模型，有限元网格基于15节点单元。对于桥墩和钻孔灌注桩，按弹性受力状况来考虑，在计算中采用弹性梁单元模拟。φ600 mm高压旋喷桩加固采用置换土层参数方式模拟，基坑围护结构与周围土体之间的摩擦力通过设置接触面单元并选取虚拟厚度因子及强度折减因子(Rinter)的值来模拟;支撑结构采用锚杆单元模拟。

模型边界条件:底部施加完全固定约束，两侧施加竖直滑动约束，表面取为自由边界。基坑计算土层区域横向115 m，纵向80 m，基坑深度按10 m考虑，南侧基坑地下水位线取地表以下0.5 m，土层参数按地勘报告实际选取。

2.2 计算参数

1)土体的物理力学参数。

数值计算模型按照实际分层情况模拟，基坑土体自上而下分为10层;西侧基坑分为9层。为反映初次加载和卸载—再加载之间的刚度差别，基坑开挖过程中土体采用强化岩土模型(HS模型)来模拟，土体的物理力学参数按照地勘报告实际选取。

2)围护结构的刚度参数。

既有沪昆铁路和沪杭客专(Pm37号墩)边采用1 200 mm钻孔灌注桩围护和高压旋喷桩止水帷幕，其余地段采用1 000 mm钻孔灌注桩围护和高压旋喷桩止水帷幕，基坑内坑底采用高压旋喷桩加固土体。

在平面应变计算中，将桩简化成桩墙。报告将空间问题简化成平面问题计算，采用对桩身弹性模量进行折减的方法模拟桩。

φ1 000 mm钻孔灌注桩换算刚度EI=1.667×106kN·m2/m，抗压刚度EA=2.0×107kN/m。

φ1 200 mm钻孔灌注桩换算刚度EI=3.629×106kN·m2/m，抗压刚度EA=3.024×107kN/m。

3)支撑结构参数。

基坑支撑采用钢筋混凝土支撑和钢管支撑，φ609 mm钢管支撑的抗压刚度EA=5.96×106kN，钢支撑水平间距为3 m。

1 000 mm×1 000 mm钢筋混凝土支撑的抗压刚度EA=3.0×107kN，顶部混凝土支撑水平间距为6 m。

4)基坑施工超载。

基坑横向超载一侧取至Pm37桥墩边缘，另一侧横向取15 m范围，大小为20 kN/m。

2.3 数值分析工况

在分工况连续计算中，位移和应力是逐次累加的，上一工况的位移和应力将作为下一工况的初始应力和位移状态。基坑计算工况见表1。

表1 基坑数值分析工况

2.4 有限元计算结果

1)基坑开挖完成、拆除临时支撑后土体变形。开挖完成后土体最大横向位移8.5 mm。开挖完成后土体最大竖向位移17 mm。

2)基坑影响桥墩桩基第一根桩不同特征点随开挖步骤水平位移曲线见图1。由图1可以看出受影响桩基水平位移随开挖深度增加而加大，第四步开挖完成后水平位移增加至最大值，底板浇筑完成后水平位移有所减少，开挖完成后最大水平位移2 mm。

图1 基坑影响Pm37号桥墩第一根桩不同开挖步骤水平位移曲线

图1中及相关简图中开挖步骤分别为:步骤1:基坑第一次开挖(开挖至第一道混凝土支撑下0.5 m)，并施工第一道支撑。步骤2:基坑第二次开挖(开挖至第二道钢支撑下0.5 m)，并施工第二道支撑。步骤3:基坑第三次开挖(开挖至第三道钢支撑下0.5 m)，并施工第三道支撑。步骤4:基坑第四次开挖，并浇筑底撑。步骤5:拆除第三、第二道支撑。

3)基坑影响Pm37号桥墩第一根桩随不同开挖步骤竖向沉降曲线见图2。由图2可以看出受影响桥墩竖向沉降随开挖深度增加而加大，第四步开挖完成后沉降值增加至最大值，开挖完成后最大沉降3.4 mm。

图2 基坑影响Pm37号桥墩第一根桩不同开挖步骤桩顶竖向沉降曲线

4)基坑开挖完成、拆除临时支撑后，左、右侧围护桩水平及沉降左侧最大水平位移4 mm、最大沉降约10 mm;右侧最大水平位移2 mm、最大沉降9 mm(右侧桩顶水平位移是由地表超载压缩土体引起)。

5)基坑开挖完成、拆除临时支撑后地表沉降曲线见图3。其中地表最大沉降17 mm，发生在均布超载曲线中间部位，基坑断面左右两侧部分略微隆起，最大隆起量10 mm，这是由于基坑超载偏压及坑底隆起共同作用的结果。

图3 地表沉降曲线

2.5 结果分析

1)数值计算结果表明，设计围护结构体系及加固方案能保证基坑开挖的安全;基坑开挖对Pm37号桥墩承台影响较小，基坑安全处于受控状态。

2)基坑开挖地表最大沉降量17 mm，基坑左侧围护桩最大水平位移4 mm、最大沉降10 mm;右侧最大水平位移2 mm、最大沉降9 mm。左侧围护桩影响略大于右侧，施工中应密切关注基坑超载的影响。

3)数值分析结果表明基坑影响区域桥墩最大水平位移2 mm、最大沉降3.4 mm，设计维护体系满足结构安全要求。

3 结语

工程邻近高铁桥墩又位于软土地区，变形控制难度大，高铁桥墩对于变形要求较高，通过有限元方法分析采用钻孔桩围护开挖基坑时对邻近在建高铁桥墩的影响。根据分析结果对工程施工的风险点和影响程度做到了心中有数，提前预防。地下工程风险大，地下工程设计人员应该保持严谨的态度，根据勘察报告细致分析，采用合理的措施保证施工安全，杜绝安全事故隐患。

由于地质勘察的特点使地下工程具有不确定性，数值模拟分析是极难做到完全真实的反映现场实际，需要根据施工过程中的实际监控量测数据进行反分析控制，保证工程安全可靠的实施。

[1]DG/T J08-61-2010，上海市工程建设规范基坑工程技术规范[S］.