某深基坑工程邻近桥梁桩基施工影响分析

王世清， 林森斌

(铁道第三勘察设计院集团有限公司 城交分院，天津 300251)

0 引言

地铁车站基坑邻近施工已成为地铁建设工程的重要风险。随着地铁建设速度的提高，基坑深度逐渐增大，与周边建(构)筑物的距离也在不断缩减。基坑开挖导致周边地层位移变形，进而对邻近建(构)筑物(基础)产生不可忽略的影响。通常情况下，基础形式较好(如桩基础)的建(构)筑物抵抗影响的能力较强，但对于铁路、桥梁等重点建筑物，对变形控制标准远远高于普通的建(构)筑物，基坑开挖对其的影响不容忽视。

对于桥梁桩基，基坑开挖对其产生的影响主要包含两个方面:一方面土体位移导致桩身受力不均匀产生弯曲变形，从而使桩身极限承载力变化;另一方面土体下沉对桩身产生负摩阻力荷载，使得桩身外荷载增大。

目前，随着施工技术水平的提高，在围护结构、内支撑体系设置合理的基础上，地层加固、隔离桩等措施已广泛用于基坑周边建(构)筑物的保护。在既有研究的基础上，本文针对某深基坑邻近桥梁桩基施工案例，利用平面有限元模型，对基坑开挖、地基加固、隔离桩、邻近桩基进行整体模拟，研究基坑、加固体、桩基之间的相互作用关系，分析结果为本工程的设计及施工提供理论指导。

1 工程案例

1．1 工程概况

某地铁车站主体结构长176．3 m，为地下两层三跨矩形框架结构侧式站台车站。本站位于立交桥东侧，主体结构与立交桥平行布置，该桥建于2003 年，主桥部分为双向通行。

本站基坑围护结构距桥面边缘距离为3．23 ～6．3 m，距桥墩承台边缘距离为7．03 ～14．76 m，桥梁下部承台结构桩基础采用4 根Φ1．2 m，L = 54 m 的钻孔灌注桩，桥梁上部结构为预应力35 m 跨连续箱梁，桥面宽度为12．75 m。

车站主体采用明挖法施工，基坑标准段开挖深度为20．981 ～21．260 m，有效站台中心里程处开挖深度为21．129 m，基坑宽度27．1 m;小里程端头井处开挖深度为22．645 ～22．678 m，基坑宽度29．10 m;大里程端头井处开挖深度为22．964 ～22．997 m，基坑宽度30．15 m，基坑围护结构采用1．00 m 厚地下连续墙，靠近桥桩一侧采用1．2 m 厚地下连续墙。

主体基坑与立交桥桥梁、桩基相对位置关系如图1、图2 所示。

图1 主体基坑与立交桥桥梁桩基平面位置关系图

图2 主体基坑与立交桥立面关系图

表1 内支撑参数表

围护结构采用地连墙+内支撑联合支护形式，地连墙厚度为1 200 mm。内支撑采用4 道混凝土支撑，支撑断面尺寸见表1。坑外采用深层搅拌桩加固，加固宽度3 m，深度为坑底下10 m;坑内加固范围为基坑靠近东风桥侧，B 轴至基坑边段坑底采用搅拌加固，加固深度至坑底下4 m;隔离桩采用Φ600@1 000 钻孔灌注桩，桩长28．5 m(约坑底下5．5 m)。

1．2 模型概况

1．2．1 模型概述

模型计算采用MIDAS-GTS 4．0 有限元计算软件，建立二维平面模型。为减小边界约束对计算结果的影响，使模拟结果更接近实际情况，建模范围取X 方向(横向)95．78 m(取桩外侧15 m，基坑边外侧30 m)，Y 方向(垂直向)80 m，地应力场按自重应力场考虑。

模型模拟时，结构与岩土之间的界面，采用虚拟接触单元，单元特性为法向刚度较大，剪切刚度较小，以此来模拟接触面滑动特性。

1．2．2 约束及荷载

模型四周法向约束，顶面为自由面，底面为垂向约束。主要荷载:

(1)桥梁墩台自重。桥梁自重:平均跨度35 m，桥面宽度8 m(0．5 m 防撞墙+15 m 行车道+0．5 m 防撞墙)，厚度2．5 m，连续箱梁截面面积约12．0 m2。桥墩自重:平均高度8 m，2 m(长)×1．5 m(宽);车辆荷载:根据《城市桥梁设计荷载标准》，对于城-A 级桥梁，标准载重汽车采用五轴式货车加载。车道荷载均布荷载标准值q = 10 kN/m，集中力P = 300 kN。

承台总荷载:F = W桥梁+ W桥墩+ F车辆= 25 ×12 ×35 +25 ×8 ×2 ×1．5 +10 ×35 ×15 +300 ×4 =17 750 kN。P = F/A = 17 750/5．3/5．3 = 624．78 kPa，该荷载直接作用于承台上。

(2)地面超载。盾构井段30 kPa。

(3)坑底加固。加固厚度为4．000 m;加固土的物理指标:c = 50．00 kPa;φ = 40．00°;γ = 19．0 kN/m3;m = 33．0 MN/m4;Kmax= 40．0 MN/m3。

1．2．3 建模结果地层参数采用计算断面附近地层，按地质勘查报告建议参数取值。模型全景如图3、图4 所示。

图3 模型全景

图4 主要构件图

1．3 计算工况

主要计算参数:基坑宽度30．150 m，深度22．996 m，4 道支撑，地连墙长45．0 m，与承台最小净距7．03 m。方案一未采取加固措施，方案二坑底、坑外加固，设隔离桩。

1．4 计算及分析

主要计算结果如图5 ～图11 所示。

表3 加固前后变形控制对比

由以上计算结果可以得出以下结论:

图5 位移云图

图6 坑底位移

图7 承台竖向位移

图8 承台水平位移

1．4．1 隔离桩及坑内、外土体加固措施

坑外加固、坑内加固、隔离桩三个措施，提高了桩基与地连墙间的土体整体性，对既有桩基起到较好的保护作用。采用坑内加固措施，能够很好地控制基坑坑底位移(靠近桩基侧地连墙最大水平位移出现在加固土体下部)，对控制基坑坑底位移、坑内隆起，维持基坑稳定起了重要的作用。桩基水平位移图显示，未采用任何措施时，基坑开挖导致地层向基坑方向产生一定位移，桩基受到的影响较大;而采用坑外内加固、隔离措施后，基坑工程对桩基的影响主要集中在坑底以下段落，该段落附近地层相对较好，对于地面承台、桥墩及桥梁的影响较小。

图9 桩基沉降

图10 桩基水平位移

图11 地面沉降

隔离桩及坑内、外土体加固措施，极大程度控制了基坑自身及周边土体的变形。采用相应措施后，基坑坑底水平位移减小了7．6 mm，地面沉降减小了9．12 mm;对于桩基与承台，其竖向位移(沉降值)减小幅度约为50%，水平位移由未加固工况下的10．36 mm(向基坑方向移动)减小至不足1 mm，桩基及承台的变形得到极好的控制。

对于基坑工程自身，地连墙刚度较大，配合混凝土内支撑体系，能够较好地控制变形。根据一级基坑变形控制要求，地面沉降不超过0．1H% (22．996 mm)，坑底水平位移不超过0．14H% (32．194 mm)。本次计算中，在采取加固措施后，基坑的变形控制满足规范要求。

1．4．2 基坑工程对桩基影响

采取加固及隔离措施后，桩基最大沉降值约3．76 mm，承台最大沉降值约3．60 mm，水平位移0．92 mm，远小于桥梁墩台变形控制要求。

2 结语

经计算分析，本工程邻近立交桥桩基施工，基坑深度达22．996 m，属深基坑工程。在未采取任何加固、隔离措施工况下，桩基、承台变形位移超限，无法满足建(构)筑物变形控制要求。因此，设计拟采用以下坑内加固、坑外加固及隔离桩措施，采取措施后可将各种影响降至可接受范围之内。

对于近距离施工，目前的技术水平，主要采用隔离、保护两种指导思想。对于无法躲避且又在影响范围内的风险点，其控制措施主要可分为三类:隔离、加强工程自身措施、加固被保护体。隔离控制技术是明挖法、盾构法和浅埋暗挖法邻近强烈影响区施工的最为有效的变形控制技术。而保护的方法有多种，需视具体情况而异，但就其保护对象而言，可分为两种。一为加强工程自身措施，通过采用更强的工程措施，更先进的工艺，减少工程对周边土体的扰动，常用措施有加强支护刚度、加固地基土体等。另一种为对风险源进行加固保护，对于高风险建(构)筑物应遵循“先加固、后施工”的原则。

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