深基坑开挖对紧邻轻轨桥桩变形影响研究

麻凤海,韩晓菲,闫 盼

(大连大学 建筑工程学院， 辽宁 大连 116622)

0 引言

随着城市轨道交通的快速发展，道路网的不断完善及设计线路的限制，地面与地下建构筑物往往在同一位置出现交叉、并行和重叠。作为城市交通不可或缺的一部分，地铁车站时常会出现与高架桥相交互却不能影响其正常运营的情况，故研究深基坑开挖过程对紧邻桥桩的影响有着重要的现实意义。深基坑开挖对邻近桥桩的不利影响主要体现两个方面: 一方面大量的土体卸荷引起基坑周围土体发生竖向位移，对临近桩基产生负摩阻力，引起桩的不均匀下沉；另一方面，土体的水平位移导致桩身产生附加弯矩、应力和位移，导致桥桩弯矩增大，进而增加了桩抗弯失效的潜在可能性，轻则发生细微的倾斜或裂缝，重则引起临近桩基过量变形甚至破坏，造成建构筑物倒塌[1-3]。

为了分析基坑开挖对临近桩基影响，国内外许多学者在理论研究和数值计算方面开展了较多研究。如LEUNG等[4]从两个方面开展基坑开挖对邻近单桩的影响，通过一系列离心机试验得到桩墙间距对单桩内力分布的影响，利用离心机试验数值方法模拟单桩的变形过程；姜谙男等[5]采用数值模拟的方法研究地铁开挖施工对近接高架桥的影响，并采用正交设计法分析地表沉降、桥墩沉降、桩体倾斜、支撑轴力及桥墩倾斜的各影响因素，从而获得敏感性排序；王洪德等[6]通过实际工程地质条件构建“桩基-土层-隧道”三维动力有限元模型来研究桩基施工过程产生的冲击载桩基施工过程产生的冲击载荷对邻近隧道衬砌结构产生振动变形、应力破坏等不利影响对邻近隧道衬砌结构产生振动变形、应力破坏等不利影响；杨敏等[7-8]为了研究堆载和临近桩基相互作用问题，利用弹塑有限元法探讨了主动加固和被动加固方法的加固机理和最优加固范围；朱虹牧等[9]利用数值模拟软件和监测数据相结合方法分析基坑开挖对围护结构变形的影响，得出围护结构在基坑开挖过程中起到的阻止开挖过程中土体变形的作用及窄基坑开挖对地下连续墙水平位移有较大影响。然而由于各地的地质条件不同、深基坑施工工况的复杂多变性及邻近桥桩的各异性使得基坑变形规律很难得到解析解，导致研究成果无法形成统一的规律[10]。因此本文以大连市地铁5号线的车站深基坑工程为依托，利用数值模拟和与现场监测数据对比分析的方法，对基坑开挖过程中所造成的坑外桥桩产生附加位移进行研究。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程地质条件

在已有地质资料的基础上，采用钻孔波速测试和国家标准《城市轨道交通结构抗震设计规范》判定，拟分析场地土的类型为软弱土-岩石，场地类别为II类，地段钻探揭露地层可分3个工程地质层，各地层分布详细见物理见表1。

表1 岩土物理力学指标Tab.1 Physical and mechanical indexes of rock and soil

1.2 工程概况

拟分析的地铁车站为地下层岛式车站，站台宽度11.0 m，主体结构采用双柱三跨框架结构，施工工法为明挖法，车站结构外包全长276.5 m，标准段宽22.9 m，深25.8 m。主体基坑支护体系采用全套管咬合桩和内支撑的支护体系，全套管咬合桩的规格为Φ1200@900，桩基混凝土取C35。

内支撑采用五道支撑的形式，其中第一道支撑为混凝土支撑(局部第三道为混凝土支撑)，混凝土支撑截面尺寸均为1000 mm×1800 mm，混凝土标号均为C30，其余为直径609 mm、壁厚16 mm的钢管撑；采用300 mm厚的混凝土板作为围护结构每处转角的角撑，围护结构顶部采用截面尺寸1000 mm×1000 mm的混凝土梁作为冠梁。支护结构剖面图见图1。

图1 支护结构剖面图Fig. 1 Sectional view of supporting structure

紧邻的轻轨桥桩位于基坑东侧，结构为嵌岩桩，桥桩桩底标高-17.4 m,桩径为3.0 m，桥墩尺寸1.8 m×3.0 m。桥桩与主体结构的距离为4.1 m，属非常接近重要设施，相关专家定位为Ⅰ级环境风险源，地铁车站与轻轨桥桩的位置关系如图2所示。为保障基坑施工时桥桩的稳定性，在基坑紧邻的桥桩周围采用三重管高压旋喷桩进行加固，桩径800.0 mm，间距600.0 mm，弹性模量为30.0 MPa，加固范围自地面以下21.8 m处，加固范围的平面图见图3。

图2 地铁车站与轻轨桥桩的位置关系Fig. 2 Position relationship between subway station and light rail bridge pile

图3 轻轨桥桩旋喷的加固范围Fig. 3 Reinforcement range of light rail bridge piles by jet grouting

2 实际工程数值模型分析

2.1 数值模型建立

1) 基本假定

为便于简化计算，对模型进行如下基本假定：a)基坑为窄长型，将按二维平面应变问题进行有限元模拟计算;b)同种材料各向同性且均质；c)岩土体为理想弹塑性材料；d)本基坑开挖前己进行降水，故不考虑排水固结对基坑变形的影响。

2) 模型建立

根据地质资料，按照实际工程场地的土层分布、周围环境及基坑支护结构的实际尺寸，应用有限元软件Midas-GTS建立三维计算模型，模拟采用弹塑性变形理论和Mohr-Coulomb准则。混凝土支撑、混凝土系梁、钢支撑、钢系梁、格构柱和快轨桥桩等采用梁单元模拟,岩土体及加固措施采用实体单元模拟，围护桩等效采用板单元模拟。此计算模型X向长度为450 m、Y向长度为200 m、Z向长度为80 m，范围涵盖主体基坑、轻轨桥桩地层应力变化的主要范围。根据模型大小，综合考虑计算时间和计算精确度，共分单元数231 710个，节点151 981个。高架桥桥墩及上部结构对桩基的作用以荷载形式等效，地面车辆等对地面的作用以地面超载等效，桥梁对桩基作用按集中力考虑，对于单根桩支座处集中力大小为18 000 kN。结构部分的材料参数见表2，车站基坑三维模型见图4(图4分为车站基坑整体模型和基坑内土体模型)，车站基坑支护结构模型见图5。

表2 围护结构力学参数Tab. 2 Mechanical parameters of enclosure structure

a 车站基坑整体模型 a Overall model of station foundation pit

b 车站基坑内土体模型 b Soil model in station foundation pit图4 车站基坑三维模型Fig. 4 Three-dimensional model of station foundation pit

图5 基坑内部支护结构Fig. 5 Finite element model of supporting structure

2.2 开挖过程模拟

根据实际开挖顺序，模拟施工采用分步开挖的方法进行，基坑开挖深度以支撑位置为分界，共分8步开挖，详情见表3。

2.3 数值模拟结果分析

基坑开挖过程中，坑内土体卸载且坑外土体由于主动土压力的作用会产生向坑内移动的趋势，引起基坑周围土体发生不规则位移。随着工况的进行，土体位移量逐渐加大，产生对临近桩基的负摩阻力，使桥桩出现不均匀沉降甚至倾斜，桥桩桩身出现侧移，且随着工况的进行侧移量逐渐累积增加。尤其是在对于地铁车站施工的深基坑工程中，对紧邻的桥桩产生的影响较大，在此实际工程施工中为保护桥桩采取了三重管高压旋喷的加固措施，在一定程度上减小了桩身的倾斜程度。此处选取桥桩出现水平位移及竖向位移最大的计算云图进行说明，见表4。

表3 施工模拟步骤Tab. 3 Construction simulation steps

表4 位移云图组合表Tab. 4 Displacement cloud chart combination table

根据数值模拟结果显示，轻轨桥桩的桩顶最大水平位移Tx=-3.80 mm，最大水平位移Ty=-3.80 mm，最大竖向位移Tz=-3.80 mm，由此可知：桥桩桩身的附加侧移最大值约为4.66 mm。

2.4 计算结果与实测结果比较

为了确保紧邻轻轨桥桩的稳定和正常运营，对地铁车站基坑开挖中对坑外的桥桩进行实时监测，充分掌握每个施工阶段桥桩的附加位移变化，监测频率1 d/次。桩体水平位移设置6个监测点，在数值分析的后处理结果文件中提取主要监测(C03，C09,C12)的位移模拟值与现场监测数据进行对,结果见图6。

图6 桥墩实测数据与模拟数据对比分析图Fig. 6 Comparison and analysis diagram of measured and simulated data of bridge pier

从图6可以看出，对比分析现场监测数据及模拟结果，监测数据值小于数值模拟值，考虑除部分对模型进行简化处理，在计算中采用相对保守的计算方式造成的影响。其次，数值模拟并没有考虑地下水渗流的强开，而现场监测过程中常有降雨天气，一定程度加重基坑开挖过程中产生对桥桩的附加应力和位移。另一方面，有限元数值模型数据与实测数据的大致走向基本相近，从而验证本次有限元软件计算结构的可靠性。

3 不同影响因素下有限元模型分析

为进一步了解深基坑开挖对紧邻桥梁桩基的影响，以上述分析的有限元模型为原始模型作为基础，从数值分析的角度进一步研究基坑和桥桩的距离、围护墙刚度及加固措施等因素对桥桩产生的影响。

3.1 不同基坑和桥桩的距离影响分析

在基坑开挖时，基坑和桥桩之间的土质起到了开挖产生土体卸载的能量转移折损的作用。在土质相同时，基坑和桥桩的间距大小对桥桩附加应力的产生有一定的影响，选取间距为2.00 m、4.10 m、6.00 m、10.00 m和15.00 m的不同情况进行计算分析，其中原始计算模型中的距桥桩距离为4.10 m，所得结果如图7所示，桩身附加侧移指的是临近基坑开挖的桥桩指向基坑一侧的位移。

图7 不同基坑和桥桩间距时桩身位移变化图Fig. 7 Pile body displacement changes with different foundation pits and bridge pile spacing

由图7可知，随着基坑和桥桩的间距越大，桩身的附加位移显著减小。当间距为2.00 m时，桩身的附加水平位移最大，相较于间距为6.00 m时的位移量增加了3倍；当间距取值10.00 m以上时，桩身的附加位移很小，对桥桩的影响可忽略不予考虑。由此说明，基坑和桥桩的间距对桥桩的附加位移有显著影响，应尽量避免在距桥桩较近的地方避免进行基坑开挖。

3.2 不同围护墙刚度影响分析

围护结构作为抵抗基坑变形的围护结构，通过自身的变形来消耗土体移动等产生的能量，围护墙刚度不同使得基坑开挖引起的临近土体的变形场和临近构筑物的附加应力不同，围护墙刚度越大，抵抗土体的变形量越大，对紧邻的轻轨桥桩产生的位移越小，图8为当围护墙弹性模量为0.25 Ew、1 Ew、2 Ew和4 Ew时紧邻桥桩的桩身附加位移变化图，其中Ew为原始模型的围护墙弹性模量。

图8 不同围护墙刚度时桩身位移变化图Fig. 8 Pile displacement change diagram with different retaining wall stiffness

由图8可知，当围护墙刚度不同时，基坑开挖对临近桩身的影响各不相同，刚度越大引起的桩身水平位移越小。当围护墙弹性模量取值0.25 Ew时，桩身的位移达到最大；当围护墙弹性模量取值2 Ew以上时，桥桩的附加位移无明显变化，几乎可以不计。在实际工程中应在保障基坑及桥桩稳定的前提下，结合工程造价综合考虑施工围护墙刚度。

3.3 加固措施影响分析

在原模型基础上，保持其余设计部分不变仅取消三重管高压旋喷的加固措施，建立分析模型进行桩身位移附加分析(见图9)。

图9 不同围护墙刚度时桩身位移变化图Fig. 9 Pile displacement change diagram with different retaining wall stiffness

由图9可知，不采取加固措施桩身的最大位移为9.50 mm，采取加固措施时(原始模型)桩身的水平最大位移为4.66 mm，得出在加固措施下桩身的最大位移减小49.05%。根据《铁路线路修理规则》和本市相关工程近接城市铁路桥梁控制经验可知，桥梁桩身位移应控制在6 mm以内，故采用三重管高压旋喷桩加固措施，桥梁桩身位移变形数值下降并满足相关规范对桥梁变形控制的要求。因此三重管高压旋喷桩的加固措施明显减弱了基坑开挖时造成的坑外土体卸载能量转移，有效减小桥桩的位移变化。

4 结论

针对既有的轻轨桥桩紧邻地铁车站深基坑施工项目，利用有限元数值模拟基坑开挖过程，并与实测数据比较分析，研究在不同基坑和桥桩距离、不同围护墙刚度和采取加固措施等情况下临近桩基附加位移的变化规律，使得桥墩的水平位移控制在规范标准以内，保证轻轨桥桩结构的稳定性，得出主要结论与建议如下：

(1)基坑与桥桩的间距对紧邻的桥桩桩基产生的附加位移有很大的影响；间距越大，对桥桩的影响越大，桩基产生的附加位移越大。当基坑与桥桩的间距取值接近于基坑开挖深度时，桩基所受影响可以忽略不计。

(2)围护墙刚度不同，使得基坑开挖引起的临近桥桩变形程度不一样，刚度越大，抵抗土体的变形量越大，对紧邻的轻轨桥桩产生的位移越小，反之亦然。

(3)在紧邻桥桩进行基坑开挖时，采取合适的加固措施可以较大程度地保护桥桩稳定性，尤其是深基坑工程中桥桩与基坑距离较近时。采取三重管高压旋喷桩加固措施时桩身最大位移为4.66 mm，不进行加固时数值计算的桩身最大位移为9.47 mm，两者相比较减小49.05%，且将最大侧移量控制在城市铁路桥梁规范要求以内，可见三重管高压旋喷桩的加固措施对控制桥梁桩基变形起到重要作用。

(4)以实际工程为研究背景，利用有限元数值模型计算分析，整理后期实际检测数据，将两者数据进行比较分析，验证模型结构的有效性，以期为类似工程提供参考。