基坑开挖对邻近高铁桥墩的影响分析

李晓龙



基坑开挖对邻近高铁桥墩的影响分析

李晓龙

摘 要：针对邻近高铁基坑施工对高铁桥墩变形影响的问题，以上海某道路下穿沪杭高铁高架桥工程为背景，采用数值模拟、现场监测等方法，研究基坑开挖施工过程中基坑自身变形及对邻近高铁桥墩变形的影响。研究表明：高铁桥墩数值模拟最大沉降为2.2 mm，最大水平位移为2.9 mm；实测最大沉降值为1.9 mm，最大水平位移为0.7 mm。实测值与数值模拟值比较接近，能较好地反应实际施工情况。基坑采用隔离桩围护形式有效地控制了基坑开挖对高铁桥墩的影响，确保了高铁运营安全。

关键词：高铁桥墩；基坑开挖；变形监测；数值模拟

李晓龙：上海东华地方铁路开发有限公司，硕士，上海200071

高铁桥墩变形控制是高速铁路行车安全的关键因素之一，下穿高铁高架桥等邻近高铁基坑施工对桥墩产生不可避免的影响。为了减小基坑施工对邻近高铁桥墩变形的影响，在基坑设计及施工过程中，应从两个方面采取措施，一是主动措施，即对邻近高铁桥墩采取保护措施；二是被动措施，即优化基坑施工方案。针对具体工程，应根据施工环境条件采取有针对性的措施，以达到减小基坑施工对邻近高铁桥墩的影响，确保行车安全。本文以上海某道路下穿沪杭高铁高架桥工程为例，分析研究基坑开挖施工对邻近桥墩的影响。

1　工程概况

该道路下穿工程为东西向城市次干道，道路设计全长506.498 m，拓宽道路宽度为30 m。由东至西分别下穿沪杭高铁高架桥、沪昆铁路及在建嘉闵高架桥等构筑物，由 U 型槽、下穿沪昆铁路顶进框架、嘉闵高架公路框架等组成。下穿沪杭高铁 U 型槽位于沪杭高铁37、38号桥墩之间，U+型槽基坑宽32.68 m，长15.09 m，开挖深度6.79 m，U 型槽侧墙距37号桥墩9.5 m，距38号桥墩3.5 m；下穿沪昆铁路为在既有框架两侧各新建1孔6 m 宽框架（框架净宽度为6 m）。共有12节 U 型槽，其中 U6、7为顶进框架连体 U 型槽，U4、5位于顶进工作坑内。下穿沪昆铁路新建框架采用工作坑为预制顶进施工，U 型槽采用明挖顺做法施工。工程平面图如图1所示，沪杭高铁桥墩断面及尺寸如图2所示。

图1　工程平面位置关系

拟建场地自然地面以下50 m 深度范围内各土层均为第四系沉积物，地基土主要有黏性土及粉性土、砂土组成。土体物理力学参数表如表1所示。施工场地地下水属潜水，主要补给来自大气降水，水位随季节变化，潜水水位约在2.5～3.0 m。地下水及地基土对混凝土无腐蚀性，在干湿交替条件下对混凝土中的钢筋有弱腐蚀性，长期浸水条件下对混凝土中的钢筋无腐蚀性。根据地质勘查报告，承压水对本工程无影响。

图2　沪杭高铁37、38号桥墩示意图（单位：m）

表1　土体主要物理力学参数

2　基坑开挖施工方案

下穿沪杭高铁U型槽基坑开挖深度为6.79m，宽度32.68 m，长度15.09 m，该基坑安全等级为一级基坑。基坑围护采用φ1000 mm 间距1150 mm 钻孔桩 + 双排φ600 mm 间距 500 mm 高压旋喷桩，钻孔桩桩长20 m，高压旋喷桩桩长16 m。围护桩桩顶设置圈梁，采用φ609 mm 钢管支撑，支撑间距4 m，中间设置格构柱。基坑围护结构与沪杭高铁同步施工完成，即本次施工从凿除桩头，施工圈梁开始。

基坑设置1道钢支撑，并将钢支撑与格构柱连接，钢支撑施加预应力后进行土方开挖。根据基坑开挖空间效应特点，基坑采用分层分块开挖，以减小基坑开挖对邻近高铁桥墩的影响。基坑每层开挖深度为2 m，当开挖至距基坑设计标高0.3 m 时，采用人工挖土的方法平整基坑，不得超挖与扰动基底土，挖到设计标高后，及时浇注混凝土垫层以减少坑底土体回弹，并随之尽快施工底板，完成基坑封底。

3　基坑开挖施工模拟

本文采用岩土工程有限元软件Plaxis3D 建立三维有限元模型，对基坑开挖过程进行模拟，以得到各施工过程基坑变形大小和对邻近高铁桥墩的影响。

3.1计算模型建立

计算模型中土体和结构分别采用土体硬化模型中的小应变硬化土模型 HSS 和线弹性本构模型。桥墩、承台、土体采用实体模型，承台下方的桩基及 U 型槽围护桩采用软件自带的 Embedded 桩单元，支撑采用梁单元。围护桩结构单元，采用抗弯刚度等效成板单元来计算。模型的边界条件，顶面为自由面，两侧水平约束，底面为竖向约束。桥墩顶部集中力计算考虑一期变截面连续梁恒载、二期轨道板恒载和三期列车活载综合作用。

王卫东等［7］通过 HSS 模型参数的敏感性分析，对HSS 模型参数中固结试验的参考切线模量、三轴固结排水剪切试验的参考割线模量、三轴固结排水卸载再加载试验的参考卸载再加载模量割线剪切模量衰减为0.7倍的初始剪切模量时对应的剪应变 γ0.7和破坏比 Rf的确定方法进行了修正。在此基础上，采用反分析法确定了敏感性最强的小应变参数，从而初步完整地获取了上海典型土层土体 HSS 模型参数，并采用文献［7］中确定的上海典型土层 HSS 模型参数对该地区若干典型基坑工程实例进行计算，结果表明，计算值与实测值吻合得较好，从而验证了上海典型土层 HSS 模型参数的适用性。本文基坑工程土层为上海典型土层，HSS 模型计算参数按文献［7］中选取，如表2所示，其中 vur为泊松比，pref为参考应力，K0为正常固结条件下的静止侧压力系数，n 为与模量应力水平相关的幂指数。基坑开挖对周边应力影响范围为开挖范围的3～5倍之间，故本模型尺寸为150 m×80 m×100 m，三维有限元模型如图3所示。

表2　HSS 模型计算参数选取

图3　三维有限元模型

表3　数值模拟高铁桥墩变形　mm

3.2模拟结果分析

（1）表3给出了基坑施工过程中数值模拟高铁桥墩变形值，由表3可以看出，基坑施工全过程引起邻近高铁桥墩产生的总位移分别为：38号桥墩顺桥向水平位移2.9 mm，竖向位移 -2.2 mm；37号桥墩顺桥向水平位移0.9 mm，竖向位移 -1.5 mm。即，基坑边界距高铁桥墩距离近，基坑施工对其产生的影响大。

（2）图4给出了基坑施工过程中基坑围护桩数值模拟水平位移曲线，由图4可以看出，基坑施工全过程中，未拆除钢支撑时，围护桩最大水平位移发生在坑底附近，最大值为8 mm；钢支撑拆除后，围护桩最大水平位移发生在桩顶，最大值为16 mm。GB50497-2009《建筑基坑工程监测技术规范》中一级基坑墙顶水平位移累计值的控制要求为0.2%H（H 为基坑开挖深度），即为13.6 mm。因此，为了减小基坑变形对邻近桥墩的影响，钢支撑应在 U 型槽结构施工完成并达到一定强度后再拆除钢支撑。

4　基坑开挖变形监测分析

为了实时跟踪基坑施工过程中高铁桥墩变形和基坑自身变形情况，以掌握基坑施工对邻近高铁的影响程度，施工过程中于2014年11月—2015年2月对高铁桥墩、基坑围护桩、钢支撑轴力等进行了监测。并将实测数据与数值模拟结果进行对比分析，以验证数值模拟的合理性。

（1）表4给出了围护桩及高铁桥墩变形实测数据，由表4可以看出：①基坑施工过程中近38号桥墩侧围护桩拆撑前实测水平位移最大值为8.0 mm，拆撑后实测水平位移最大值为13.5 mm，数值模拟最大值为16.5 mm，与实测值比较接近；拆撑前实测最大竖向位移为 -3.3 mm，拆撑后实测最竖向位移为-3.6 mm，拆撑对竖向位移影响不大；②基坑开挖至坑底时38号桥墩实测竖向位移 -1.9 mm，实测水平位移0.3 mm，数值模拟值竖向位移 -2.2 mm，数值模拟水平位移2.9 mm；37号桥墩实测竖向位移-0.8 mm，实测水平位移0.3 mm，数值模拟值竖向位移-1.5 mm，数值模拟值水平位移0.9 mm，数值模拟值与实测值较为接近。浇注完底板拆除钢撑后桥墩垂直位移有微小回弹。

（2）图5给出了基坑开挖过程中钢支撑轴力实测变化曲线，由图5可以看出，基坑开挖过程中钢支撑轴力增加较快，底板浇注完成后，钢支撑轴力增加逐渐变缓，钢支撑轴力最大值为1092 kN，可见钢支撑实测轴力小于设计值3200 kN，为设计值的34%。

（3）对数值模拟值与实测值进行比较，数值模拟钢支撑拆除后围护结构桩顶水平位移16.5 mm，U 型槽主体结构施工完成达到一定强度后拆除钢支撑围护结构桩顶实测水平位移为13.5 mm，满足GB50497-2009《建筑基坑工程监测技术规范》中一级基坑墙顶水平位移控制值要求，说明当 U 型槽主体结构施工完成并达到一定强度后再拆除钢支撑有效地控制了基坑变形，减小了对邻近高铁桥墩的影响，确保了高铁运营安全。

图4　围护桩水平位移

表4　围护桩及高铁桥墩变形实测数据　mm

图5　钢支撑轴力实测变化曲线

5　结论

（1）采用单排钻孔桩隔离和双排高压旋喷桩止水的围护措施有效地控制了基坑和高铁桥墩变形，起到了保护高铁桥墩的良好效果。基坑施工引起邻近高铁桥墩沉降控制在3 mm 以内，水平位移1.0 mm 以内，满足高铁桥墩变形控制标准。

（2）数值模拟值与实测值比较表明，采用Plaxis3D 三维有限元中的 HSS 土体模型能较好的模拟基坑施工实际情况，HSS 土体模型参数的适用性较好。

（3）U 型槽主体结构施工完成并达到一定强度后再拆除钢支撑有效地控制了基坑变形，减小了对邻近高铁桥墩的影响。

（4）严格按基坑时空效应原则控制基坑开挖，不超挖，加强基坑及高铁桥墩变形监测，有效地确保了施工安全和高铁运营安全。

参考文献

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［8］ 张海东. 桥墩附近基坑开挖对桥墩基础影响的数值分析［J］. 山西建筑，2011，37（27）：171-172.

责任编辑 朱开明

Analysis on Infl uence of Excavation on Adjacent Bridge Pier under High Speed Railway Bridge

Li Xiaolong

Abstract:Aiming at the problems of effect of adjacent high-speed rail construction of foundation pit on high speed railway pier deformation, The paper takes a Shanghai’s case of one road under-passing Shanghai Hangzhou high-speed railway viaduct project as an example, using numerical simulation and on-situ monitoring method to study the foundation pit excavation under the high speed railway in the construction process of foundation pit deformation and impact on nearby high speed railway pier deformation. The study shows that the maximum settlement is2.2mm in the high speed railway pier numerical simulation, the maximum horizontal displacement is2.9mm, the measured the maximum settlement value is1.9mm, and the maximum horizontal displacement is0.7mm. The measured value and numerical simulation value are very identical, refl ecting the actual situation of the construction. The excavation of the foundation pit is controlled effectively by the isolation pile retaining structure, which ensures the safety of high speed railway operation.

Keywords:high speed railway bridge pier, foundation pit excavation, deformation monitoring, numerical simulation

中图分类号：U443.15

收稿日期2016-01-20