竹洲大桥临近建筑物段桩基施工影响分析及变更控制

邓敬源

摘要：文章以竹洲大桥为例，分析了该桥基桩异常沉降情况与原因，并通过现场试验，分析施工扰动造成异常沉降的机制以及施工扰动的影响，并提出了施工变更调整措施。

关键词：桩基施工;变更控制;既有桩基

0 引言

百色竹洲大桥位于竹洲大道上，跨越右江，连接龙景新区和城东区，由百色市开发投资有限责任公司投资建设。竹洲大桥于2009年12月开工建设，2011-09-25合龙，2012-01-15通车，工期为24个月，是百色一环的重要组成部分。该桥设计为梁-拱组合刚构桥，全桥长526 m，其中主桥长276 m、宽42 m，引桥长250 m、宽40 m，道路设计行车时速60 km/h，双向六车道。竹洲大桥起到了打通竹洲大道，连通龙景新区和城东区的作用，使百色鹅城区的道路和桥梁交通压力得到有效缓解。

1 施工期间异常状况及原因分析

2015年，桥下建筑物施工时，施工单位发现桥梁跨越水系北岸附近路段桥面发生变形，当时桥下正进行基桩施工，桥下道路与桥中心线距离约20 m ，与桥墩桩帽最近边距约为5 m。依据监测数据显示，有5个桥墩呈明显的V型沉降 （P625～P629），影响范围有 7 跨，长度约200 m，其中P627桥墩沉降量最大为60 mm，桥下道路桥墩与临近桥墩相关位置见下页图1。上述异常沉降期间，桥下工程正在进行全套管基桩工程施工，其中P1E-1桩浇筑混凝土拔除套管时发现钢筋笼上浮，经处理直至第二日后，仍未见成效于是放弃施作。推测造成沉降的可能原因包括：（1）额外的活荷重或静荷重;（2）承载力不足;（3）抽取地下水造成地层下陷;（4）施工扰动地层造成沉降。

本次异常沉降事件的特性是局部、短期，事件发生时并无台风、暴雨、地震等天然灾害可能增加额外荷重。依据附近试桩的成果推测，桥墩欲达5 cm的沉降，最少需要有8 000 t 以上的荷重，而桥墩受力约1 750 t，仅达最低必要荷重的25%。故事件发生时的荷重并不足以造成异常沉降，排除第（1）项可能原因。

倘若P627桥墩基桩的桩底承载力为零，根据设计计算书，四支基桩的极限摩擦承载力为11 144 t，由于发现沉降的时间点其静荷重为1 750 t，仅为极限摩擦承载力的16%，应不致桥墩5 cm的沉降。再保守估计，倘若摩擦阻力仅为设计值的50%，则基桩的承载力仍远大于荷重，因此第（2）项承载力不足的可能性可以排除。另经分析相关设计施工与监测数据后，亦可排除第（3）项可能原因。

基于桥面变形与桥墩沉降发生时间点契合的事实，基桩P1E-1在施工过程中遭遇困难，同时桥墩的沉降量与基桩P1E-1的距离越远，其量越小，两项数据显示第（4）项桥下道路基桩P1E-1的施工扰动最有可能是造成P625～P629桥墩沉降的原因。再由施工记录得知，P627附近的桥下道路工程在施作A1W、P1E、P1W及P2E桥墩的基桩均产生混凝土超量使用现象，分析可能在钻掘施工过程中，在地下35～50 m间的地层曾产生土方流失的砂涌现象，其累积效应使其上覆土层产生沉降，致摩擦力转变为负摩擦力。再考虑P1E-1因施工遭遇困难使施工工期达18 d，且钻掘了两次，第二次曾使用冲击锤，可能因冲击式施工对原已产生砂涌崩坍的砂质土层加大扰动，地层产生的压缩量加剧从而导致负摩擦力进一步发挥。当上述负摩擦力及原有荷重总和大于压缩土层下方的正摩擦力及桩底承载力，产生基桩承载力破坏而造成约5 cm的沉降应属合理，故分析P627附近的桥下工程各桥墩的基桩施工异常所造成的扰动，是P627桥墩产生沉降最可能的原因。

2 现场试验分析

为量化基桩施工对土层扰动的影响，并作为评估后续工程基桩施工对既有基桩影响的依据，在原位进行了相关的试验，评估反循环与全套管基桩施工法对于地层的扰动性，包括基桩施工前后地层的性质变化（CPT）、基桩钻掘导致的孔隙水压变化、地层侧向位移及垂直沉降等[1]。

试验场地主要的地层为砂、粉土及黏土及其互层，浅层地下水位约在地表下 1.5 m，深度越深则有水压泄降的现象。试验目的为调查不同基桩施工方法对土层扰动的机制、程度与范围。本次试验计划共施工5支基桩，其中编号AP1、AP2 为反循环桩，其余为全套管桩，所有基桩直径均为1.2 m，长度为40 m。试验主要量测对象为AP1（反循环工法）及TP（全套管工法）。

通过试验评判，总结试验成果，可以得到以下四条结论：

（1）基桩施工对砂土地层的扰动大于黏土层及具有塑性的粉土层，而深度较深及中度密实的砂土层可能受扰动更严重。

（2）反循环及全套管工法施工时均对砂土层产生孔隙水压的作用，反循环工法使孔隙水压略为升高，而全套管工法则致使孔隙水压产生较大幅的上下振荡，但孔隙水压变化的影响范围估计均约为 13～14 m。

（3）全套管工法对地层强度的扰动大于反循环工法，全套管桩扰动范围估计为6 m，而反循环工法则<1.4 m。

（4）全套管工法施工时还可能造成砂土涌入套管而致使砂土流失、地层产生沉降及侧向位移，此现象为对地层的不可恢复改变，其影响范围可能因桩数的增加而累积加大[2]。

3 工序施工变更调整

后续施工中，与设计单位进行了详细的交底与协调，根据施工补勘资料，地表下65 m内主要为粉土质砂及黏土互层，浅层地下水位约在地表下1.5 m。场地内新增平行于既有桥两侧的基础，采用桩径为1.5 m、深度为63 m的基桩，与14处既有桥墩柱相邻（长度约为420 m）。为确保新基桩施工时不会对现有基础造成扰动，参考上文所述试验的研究成果，基桩采用反循环桩且与既有高架桥墩柱基桩保持4.5 m以上的净间距。基桩施工初期选择特定位置进行两階段测试，确定新桩施工不会扰动既有基础后，方进行全面施工[3]。第一阶段测试施作位于两桥墩间距离 较远的工作桩 （P1桩最近距离约为15.8 m），并埋设仪器监测周围地层、水压及桥墩沉降、倾斜变化;第二阶段测试则施作最靠近既有基桩的工作桩（P2、P3，最近距离约为4.5 m），同时监测施工过程中，桥墩柱的沉降及倾斜变化。

3.1 第一阶段测试成果

在钻掘过程中，当钻头达各深度砂土层时，该深度压力水头有升高的现象，钻掘深度持续增加后水压便回降至接近施工前状况。依照前文所述的评估方法，地层沉降计（深度15 m、35 m、45 m及55 m）监测到的最大沉降量约为1 mm，而地表的最大沉降量约为1.5 mm，均无显著沉降产生，沉降量与扰动试验桩距离亦无显著关系。距离P1桩2 m、4 m的土中测斜管数据显示，最大侧向变形<1.5 mm，在监测误差范围内，其线形并无特定的位移方向。分析可知，此位移并非地层扰动所致。比对施工前的钻孔及施工完成后钻孔 （距离P1均为4 m），地层并无显著差异，且施工前、后标准贯入试验 N 值大致重合，显示基桩施工对4 m外地层的 SPT-N 值无明显扰动。

3.2 第二阶段测试成果

第二阶段测试桩为P2及P3，监测施工过程中紧邻的桥墩柱的沉降及倾斜变化。电子式倾斜计量得的数值在测试桩施工过程中随温度起伏变化，最大倾斜变化量仅约10 sec，尚在量测误差范围，并无显著倾斜量产生，最接近扰动试验桩的3处桥墩柱的最大累积沉降量低于1 mm。可以确定在监测误差范围内，并无显著沉降产生。

综合上述监测资料可知，反循环基桩在冲积土层中钻掘施工时，对水压水头最远影响距离推测约达17～18 m。地层中安装的仪器 （最近为2 m） 均未测得显著位移，既有桥墩柱均无显著倾斜及沉降量发生，因而确定新基桩施工不会对旧桥墩基础产生影响[4]。

4 结语

在以往的工程经验中，由于全套管工法以套管保护孔壁，故其施工时较不易坍孔，因此认为其施工对周围地基扰动应小于反循环基桩。然而通过现场试验的实测资料分析，可推测全套管基桩施工对地层的可能扰动模式为抓斗冲撞地层及来回上下取土动作，导致地层孔隙水压振荡变化。且施工过程中若未能及时在套管内补水，则砂土会由套管底部向钻孔内流失，严重者会导致砂涌，因而导致周围土体松动。而反循环工法的扰动源为采用定速旋转动作的钻头，故对地层的扰动为点状，其扰动多为稳定且连续性的，其扰动区仅位于钻头深度附近，故在正常施工 （无异常及坍孔）状况下，反循环桩对周围土层的扰动反而小于全套管基桩。

基桩施工对地层的扰动及临近构造物的影响，与施工方法、机具、施工流程及地层性质、水位/水压特性等因素均有关系，本文所述的监测数值仅能供初步参考，各新建工程应谨慎规划施工步骤，并进行现场实际测试验证。建议可参考本文的测试程序及监测仪器使用。在施工初期根据新施工基桩与既有基桩距离远近，先后进行地层扰动试验及对既有构造影响等两阶段测试，以界定基桩施工扰动范围及确定工作桩施工时既有构造物的安全后，再大量施作其他工作桩。

参考文献：

[1] 刘芬芬，胡学山.桩基施工对临近建筑物的影响分析[J].房地产导刊，2014（36）：161.

[2] 钱建固，曲文婷，李伟伟，等.地基加固控制开挖对附近桩基影响有限元分析[J].土木工程学报，2011（S2）：69-72.

[3] 金 舫.应用两阶段分析法测定基础工程施工对邻近建筑桩基的影响[J].建筑施工，2009，31（5）：338-340.

[4] 張浩龙.基础施工振动对相邻建筑物影响评价及检测方法[J].建筑设计管理，2016（5）：82-84.