基坑降水开挖对地铁高架桥墩的影响分析

王振楠，杨冬英，李学东，方涵青

（1.苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州215011；2.江苏苏州地质工程勘察院，江苏 苏州215129）

随着城市立体交通的发展，轨道交通日益兴起，轻轨高架因其既能够降低城市轨道交通的单位造价又能够有效利用城市空间而被广泛采用。由于地铁线路规划建设越来越多，地铁线路建设中常出现地铁施工下穿既有轻轨高架线路的情况，考虑到既有线路在基坑施工中仍然高频次地运营，保证基坑开挖过程中的既有线路的安全稳定格外重要。近几十年来，许多专家学者进行了大量基坑开挖对建（构）筑物的影响研究，取得了一系列的研究成果。丁勇春总结了在软土底层深基坑施工过程中，基坑开挖对地表沉降的影响范围[1]。徐中华等通过大量的实测统计分析，总结了上海地区基坑开挖过程中墙后地表沉降规律并提出了凹槽型墙后地表沉降形态的预测曲线[2]。结合基坑周边地表沉降规律许多中外专家学者对邻近基坑的建（构）筑变形特性也做了大量研究，总结了其竖向、水平位移等变形规律[3-6]。龚晓南、陈卓等则通过理论求解，总结了邻近基坑的桩基承载力的变化规律[7-8]。随着计算机模拟软件快速发展，越来越多的专家学者在邻近地铁车站问题的研究上，采用数值模拟结合实际工程进行分析讨论，研究了新建地铁车站近接施工对其周边既有地铁车站结构的稳定性影响[9-13]。陈锋、刘书斌等对多种土体本构模型进行对比，认为硬化土模型（HS模型）在苏南地区偏硬土体的模拟计算中优于其他本构模型，其计算结果与实测值较为吻合，可以预测复杂施工环境下基坑开挖对周边建（构）筑的影响[14-15]。

当下基坑工程周边施工环境日趋复杂，线路交叉穿越，需要特别关注既有线路在新建地铁基坑施工期间的使用（运营）安全问题，故本文将以苏南地区某换乘车站基坑施工为背景，结合数值模拟分析软件建模，综合分析基坑开挖过程中的桥墩基础竖向变形、桥墩水平位移及桩基础变化情况，以期对类似工程设计、施工提供指导借鉴。

1 项目背景及模型建立

1.1 项目概况

新建地铁车站为地下二层岛式车站，如图1所示。基坑外包总长357.5 m，外包总宽19.7 m。标准段基坑深度约16.1 m，支护结构采用800 mm厚地下连续墙+三道内支撑形式，地下连续墙固嵌深度约为27 m；邻近高架处基坑采用人工钻孔灌注桩+五道内支撑形式，人工钻孔灌注桩埋深约为27.5 m，邻近桥墩基坑开挖断面如图2所示。基坑所在场地地下水类型主要为松散岩类孔隙水，年平均水位埋深约2.0 m，年变幅2.0 m—————————左右。基坑周围重要建（构）筑物较多，尤其是下穿既有高架段，既有高架桥墩承台埋深3 m，基础形式为直径1.2 m人工钻孔灌注桩，埋深55 m，基坑围护结构距离桥墩承台仅有3 m，对变形控制要求极高。

图1 新建地铁车站基坑平面布置图

图2 邻近桥墩基坑开挖断面图

1.2 模型规划及工况划分

本文将采用数值模拟分析软件Midas GTS/NX建立三维模型对基坑开挖全过程进行数值模拟，并结合现场实测数据进行对比分析。考虑到在软土底层深基坑施工过程中，基坑开挖对地表的影响一般不超过围护结构边缘外5H（H为开挖深度），主要影响在2H范围以内且受基坑长宽比的影响[1]。数值模型新建车站基坑主体平面尺寸取358 m×20 m，地下连续墙固嵌深度取27.5 m，模型水平边界取距围护结构边缘5H，竖向边界取1.5倍高架桩基长度。

数值计算中，土体、高架桥墩、承台、桥面板、既有车站地下室均采用实体单元模拟；内支撑、格构柱、钻孔灌注桩、高架桥桩采用梁单元模拟；地下连续墙、基坑底板采用板单元模拟，其中地下连续墙单元渗透系数取0 cm/s用于模拟止水帷幕；既有建筑物、围护结构及新建车站主体结构均假定为弹性材料，参数取值如表1所列；桩-土界面、地下连续墙-土界面均采用库伦摩擦接触，摩擦系数已列入表1中。基坑下穿高架段模型如图3所示，在图3中，①为既有轻轨高架，②为基坑主体，③为既有轻轨车站。

表1 桩、地下连续墙、支撑、既有车站及高架等材料参数

基坑采用分段分层放坡开挖，且严格按照先支后挖的施工步骤。按照施工设计方案，基坑共分为三个开挖段：主基坑开挖段，高架处基坑开挖段，逆作区开挖段，如图4所示。其中①为主基坑开挖段，②为高架处基坑开挖段，③逆作区开挖段，④为既有轻轨车站，⑤为既有轻轨高架，箭头表示开挖方向。

图4 基坑开挖段

实际施工中按照先主基坑及逆作区基坑开挖后下穿高架段基坑开挖的顺序逐层放坡开挖，施工中充分考虑时空效应。数值模拟中开挖顺序完全遵循现场施工工序，仅将实际工程中的放坡开挖简化成分层开挖，主基坑开挖前基坑采用坑内集水井进行排水，保证基坑开挖前坑内整体水位降至开挖面下1 m，整体降水时长为20 d。模型计算中，按照先渗流场分析后应力场分析的步骤进行应力-渗流耦合分析的计算。按照下穿高架段基坑的施工步骤，模型中基坑施工共分为十个阶段，基坑施工工序如表2所列。

表2 施工工序

1.3 本构模型及计算参数

工程所在地区土体偏硬呈现典型土层的偏应力-轴向应变成双曲线关系，适合采用硬化土模型（HS模型）进行模拟分析[14]。HS模型中共有11个参数，结合如表3所列的参数取值方法，本文所需HS模型主要参数如表4所列。

表3 HS模型部分参数取值

表4 土层HS模型参数

2 基坑降水开挖下桥墩竖向位移

2.1 基坑降水开挖前现场实测数据

如图5所示，下穿高架段基坑共设置了10个地表沉降监测点以及8个桥墩沉降监测点，其中桥墩沉降监测点位于桥墩承台四周，在下穿高架段基坑开挖过程中，保持每天一测的监测频率。

图5 现场监测点布置

基坑降水开挖前现场桥墩竖向位移如图6所示，这一阶段各监测点竖向位移变化在1～2 mm左右，主要可分为两个部分：第一部分为地连墙施工前，此时的竖向位移量在-1～1 mm之间波动，可以认为此时的竖向位移量主要是由于既有高架线路地铁列车正常运营所引起的；第二部分为地连墙施工阶段，造成此部分竖向位移的因素除运营列车影响外还有因围护结构施工造成的土体扰动。此时桥墩承台有最大2.1 mm的隆起值，且最后在1 mm左右波动，波动范围为±1 mm，与第一部分既有线路正常运营引起的波动范围吻合。

图6 现场桥墩竖向位移

2.2 基坑降水开挖后桥墩基础竖向位移对比

图7 、图8所示为A、B桥墩（见图5）各开挖阶段竖向位移模拟计算值及现场实测值对比。从整体上看，A、B桥墩在基坑开挖过程中均表现出先隆起后沉降趋势，在车站主体结构施工过程中则以上抬趋势为主。

图8 B桥墩沉降计算对比

Ⅲ阶段前，此时基坑开挖较浅，承台有明显的上抬趋势，其主要原因是苏南软土地区基坑大面积开挖会造成坑底土体回弹，继而带动邻近的桩基础上拔。其中在Ⅱ阶段，由于开挖前基坑降水，模拟值与实测值均表现出较小的沉降值（约1 mm），随后下穿高架处基坑继续开挖卸荷，桥墩又表现出上抬趋势。在Ⅴ阶段由于降水以及主体基坑开挖深度的增加，桥墩由上抬转为沉降。

Ⅵ阶段，此时水位稳定，且基坑开挖以下穿高架段为主，此时开挖深度较浅，桥墩承台竖向位移变化相对稳定（约0.5 mm）。Ⅶ阶段，基坑开挖至坑底，坑内水位降至坑底以下，桥墩承台最大沉降幅度达4.8 mm，且此时出现最大累计沉降值6.4 mm（实测值6 mm），超过预警值（5 mm），是整个施工过程中最为危险的阶段。

Ⅷ、Ⅸ阶段，随基坑开挖完成，车站主体结构施工，受车站侧壁混凝土浇筑的影响，桥墩基础由沉降转为抬升，在基坑封顶覆土后沉降稳定在+1 mm（实测+2 mm）左右，最终桥墩基础表现为上抬。与模拟值平滑的沉降曲线不同，实测值沉降曲线有较多的波动且波动范围在±1 mm左右。波动范围与施工前期既有高架线路地铁列车正常运营所造成的位移量相符合。

单独对比A桥墩承台的四个监测点（JDT1-5～JDT1-8），靠近基坑一侧的监测点（JDT1-6）无论是累计变形量还是变形幅度都是最大值，这使得桥墩承台在整个基坑开挖过程中呈现出靠近基坑一侧高，远离基坑一侧低的状态，且随着基坑开挖深度加深，桥墩基础倾斜越大。

Ⅶ阶段A桥墩及桥墩周边地表沉降如图9（a）所示，此时桥墩承台沉降值以及倾斜度均达到最大值，是整个基坑开挖施工过程中的关键节点。这一阶段A桥墩周边最大地表沉降点距围护墙约0.59H，最大沉降约为H×0.69%，桥墩基础沉降趋势与周边地表沉降趋势较为吻合，沉降值约为周边地表沉降值的57%（实测值约54%）。测点JDT1-6、JDT1-8最大沉降差达3.6 mm（实测3.1 mm），桥墩基础达到最大倾斜度会对既有轻轨线路造成一定的变形影响但此变形始终在设计允许值要求内。随着基坑主体结构施工，桥墩承台沉降逐渐稳定，桥墩基础倾斜度减小，最终JDT1-6、JDT1-8两点沉降差为0.3 mm（实测0.4 mm）。相较于JDT1-6、JDT1-8，东西两侧的监测点JDT1-5、JDT1-7，竖向位移差则始终相对较小，但其竖向位移大小在整基坑降水开挖过程中仍是最大值，施工过程中需要重视。

图9 （b）所示为B桥墩承台及周边地表沉降曲线，Ⅶ阶段B桥墩承台倾斜度达到最大，桥墩承台亦表现为靠近基坑一侧高于远离基坑一侧，最大沉降差为2 mm（实测1.8 mm）。受既有车站基础影响，B桥墩承台及周边地表沉降均略小于A桥墩承台，地表最大沉降点距围护墙约0.56H最大沉降约为H×0.67%。按照一级基坑设计要求，基坑施工期间地表及桥墩基础竖向位移量仅在Ⅶ阶段接近或少许超出预警值，基坑开挖施工过程中桥墩竖向变形不会对既有轻轨高架造成严重影响。

图9 Ⅶ阶段桥墩周边地表沉降

3 基坑开挖对桥墩水平位移影响

本工程对A、B桥墩两个方向的水平位移进行了监测，其中沿基坑方向为x方向，沿高架方向为y方向。图10所示为A桥墩在基坑施工过程中的水平位移变化，桥墩基础在基坑开挖过程中其水平位移在多个方向均有发展。

图10 A桥墩水平位移值

阶段Ⅰ此时基坑开挖较浅，桥墩承台仅有0.45 mm左右的水平位移。阶段Ⅱ逆作区基坑开挖深度大于主体基坑及下穿高架段基坑，桥墩承台水平位移朝逆作区基坑发展，此时最大位移模拟值为1.5 mm（实测0.98 mm）。阶段Ⅱ～Ⅴ，项目保持先主基坑及逆作区基坑开挖后下穿高架段基坑开挖的工序，此时受到两侧基坑不对称开挖的影响，桥墩基础在x方向上的位移由偏向逆作区基坑转向主基坑方向，在y方向上随基坑开挖加深桥墩基础进一步朝向基坑方向。阶段Ⅴ～Ⅷ，下穿高架段基坑持续施工，桥墩基础水平位移发展趋于平稳，最大水平位移模拟值为2.5 mm（实测1.7 mm）。阶段Ⅷ、Ⅸ，随着主体结构施工、土体回填，桥墩基础上抬的同时y方向上也逐渐由朝向基坑转为远离基坑，x方向上水平位移值稍有减小，最终桥墩基础朝西南方向有1.7 mm左右的水平位移（实测1 mm）。

图11 所示为B桥墩水平位移变化，其变化规律与A桥墩相似，阶段Ⅰ、Ⅱ桥墩基础在x方向朝向逆作区基坑发展，y方向远离基坑；阶段Ⅲ～Ⅷ，x方向朝向主基坑，y方向则进一步远离基坑，基坑开挖期间最大水平位移为1.92 mm（实测1.6 mm）。不同于A桥墩，B桥墩靠近既有地铁车站，在阶段Ⅷ、Ⅸ，由于既有车站地下室对B桥墩承台有一定约束，而模拟计算中既有车站仅设置了浅基础，所以导致实测数据中桥墩在y方向的位移值小于模拟值（模拟值1.49 mm，实测0.55 mm）。

图11 B桥墩水平位移值

A、B桥墩基础水平位移发展在基坑降水开挖过程中总体上处于x方向朝向主基坑开挖段，y方向远离基坑的状态；在后续主体结构施工过程中y方向转为朝向基坑，B桥墩基础受既有车站地下室及基础影响其水平位移值小于A桥墩基础；与水平位移控制值（6 mm）相比，A、B桥墩基础水平位移模拟值与实测值均小于控制要求。

4 基坑开挖对桥墩桩基础的影响

4.1 桩基变形

图12 所示为A、B桥墩桩基础在Ⅶ阶段变形值。在基坑开挖至坑底标高时，邻近的桩基础变形主要集中在围护结构固嵌深度内，距离基坑较近的桩基础变形略小于距离较远的桩基础。

图12 桥墩桩基础变形

A桥墩位于基坑南侧，受到桥墩承台水平位移的影响桩顶产生2.55 mm的变形，桩身最大变形发生在第五道支撑处，最大变形值约为4.8 mm；-40 m以下的桩身变形接近零。B桥墩位于基坑北侧，桩基础变形规律与A桥墩相似，但B桥墩桩基受既有车站基础影响，桩基础变形小于A桥墩，其最大变形值约为4.1 mm。A、B桥墩桩基础在Ⅶ阶段的变形均小于控制值，本工程的支护形式能有效地控制邻近的桩基础的侧向变形。

4.2 桩基承载力损失

基坑施工前，既有桥墩基础上部最大恒载为11 654.1 kN，最大活载为2 272 kN，按照《铁路桥涵地基和基础设计规范》[21]计算可得最大设计荷载值为17 960 kN。桩周土极限摩阻力标准值如表5所列，经计算桥墩桩基础极限摩阻力为10 780 kN，极限端阻力为1 043 kN，单桩竖向承载力极限值11 823 kN。

表5 桩周土极限摩阻力标准值

通过在桩基础单元顶部施加大小为单桩竖向承载力极限值的竖向荷载，并提取各施工阶段单桩侧摩阻力值，以A桥墩单桩承载力为例对本工程基坑开挖阶段桥墩承载力变化作出分析（见图13）。桥墩单桩承载力随基坑开挖深度加深而逐渐减小，其减小速率与开挖深度呈线性关系。单桩承载力在基坑开挖到坑底设计标高时达到最小值，此时桩基承载力为9 850 kN，损失比达16.7%，考虑到桩基设计过程中参数取值均比较保守，实际设计中安全系数[21]一般取值为2，故此幅度的承载力损失基本不会对高架桥安全造成威胁。

图13 承载力损失

5 结论

（1）基坑降水开挖施工过程中，土体开挖较浅时，受卸荷效应影响桥墩基础会有所上抬，随基坑降水以及开挖深度加深，桥墩基础发生沉降。基坑周边地表及桥墩基础在基坑开挖至坑底标高时产生最大沉降，最大地表沉降距围护墙0.59H，最大沉降值为H×0.69%，邻近基坑的桥墩基础沉降趋势与周边地表沉降趋势相吻合，沉降值约为周边地表沉降值的57%，此时桥墩基础略有倾斜，靠近基坑一侧承台高于远离基坑一侧承台3.6 mm。随后续施工完成，桥墩基础沉降逐渐恢复，桥墩基础倾斜度减小两侧沉降差减小至0.3 mm，桥墩基础最终表现为上抬。

（2）对比发现，基坑降水开挖施工过程中桥墩基础朝基坑方向产生水平位移，位移值随基坑开挖深度加深而逐渐增大，最大水平位移值为2.5 mm；桥墩基础水平位移易受不对称开挖影响且朝向基坑土方开挖量大的一侧发展；主体结构施工后桥墩基础上抬的同时逐渐朝远离基坑方向位移，最大水平位移值为2 mm。

（3）基坑降水开挖施工过程中，邻近基坑的桩基础会产生深层水平位移变形，其变形主要在围护结构固嵌深度范围以内，最大变形发生在第五道支撑处，最大变形值约为4.8 mm；靠近基坑一侧的桩基础变形略小于远离基坑一侧桩基础；既有车站基础对桩基础变形有一定约束作用。

（4）模拟计算表明项目施工过程中桥墩单桩承载力随基坑开挖深度加深而逐渐减小，单桩承载力在基坑开挖到坑底时达到最小值，损失比达16.3%。但考虑到实际设计中安全系数取值较高，此幅度的承载力损失基本不会对高架桥安全造成威胁。