深基坑施工对既有临近桥梁的影响分析及防护措施

◎刘进 中交二航局第一工程有限公司 王凯 武汉市江岸区建筑管理站 熊伟 中交二航局第一工程有限公司

1.概述

随着地下暗挖工程技术的进步，顶管在市政工程中得到极大的推广。但由于受城市复杂的空间和地下条件限制，顶管接收与始发的工作井往往邻近既有构筑物。针对基坑对周围土体的扰动规律进行分析，并制定控制措施，可为减小基坑施工对构筑物的不利影响提供重要依据。

本文依托赵家条220千伏电力通道土建工程（以下简称本工程）顶管井基坑工程，研究顶管井深基坑各施工阶段对武汉长江二桥黄浦立交桥（Z1匝道桥）的变形情况，并针对性制定限制变形的保护措施，达到保护桥梁安全运营的目的。

2.工程概况

2.1 新建D1接收井

本工程顶管轴线沿黄浦大街从解放大道至建设大道，分别设置D1、D2及D4三座顶管井。D1井基坑邻近黄浦立交桥（Z1匝道桥），故本文针对D1井对黄浦立交桥（Z1匝道桥）产生的不利影响进行深入研究。

D1井基坑位于武汉长江二桥黄浦立交桥Z1匝道东侧的公园内，为圆形现浇结构，内径9.0m，基坑开挖深度 17.35m，采用“钻孔灌注桩支护+桩间止水+外侧高压旋喷桩止水帷幕+基底高压旋喷桩加固”的基坑支护形式，地下水控制采用“坑内明排+止水帷幕+深井降水”相结合的方式。

D1井中心距离 Z1 匝道桥桥墩（Z1-5#）最近水平净距为 23.15m；顶管井支护结构边线距离 Z1 匝道桥桥墩（Z 1-5#）最近水平净距为 15.33m，距离 Z1-4#桥墩最近水平距离 18.17m。

D1井依次穿越土层为杂填土、黏土、粉质黏土、粉质黏土夹粉土、粉砂、粉细砂，坑底坐落土层为粉细砂。

2.2 黄浦立交桥（Z1 匝道桥）概况

武汉长江二桥黄浦立交桥（Z1 匝道桥）为现浇混凝土曲线箱梁，其中与本项目相关的联跨为Z1-2～Z1-8跨，跨径组合为16.7m+4×18.2+16.7m=106.2m。

2.3 深基坑开挖施工步骤

施工准备→钻孔灌注桩施工→高压旋喷桩施工（同步施工降水井）→检测合格→土方分层开挖至冠梁底→环形冠梁施工→土方分层开挖至第一道腰梁底→第一道腰梁施工→土方分层开挖至第二道腰梁底→第二道腰梁施工→土方开挖至基坑底→底板施工→侧墙施工至第二道腰梁→第二道腰梁拆除→侧墙施工至第一道腰梁→第一道腰梁拆除→侧墙施工至冠梁→膨胀混凝土和土方回填。

表2 工况八各桥墩墩顶位置位移值

3.有限元模型建立及数值模拟计算分析

采用 Midas GTS NX 建立“场地土-顶管井土建结构-桥梁”有限元模型。

3.1 基本假设

由于土体为三相性，自身性质复杂，很难准确的模拟其刚度特性。依据本工程地质勘探资料，在分析时对土体特性进行了一定模型化的假定：

1）依据修正摩尔库伦本构模型，将其简化为均质的、各向同性材料。

2）施工过程为基坑支护及基坑开挖、换撑，均视为一次成型；

3）因基坑设置了高压旋喷桩阻水层并采用降水井降水，故模型中未考虑地下水的影响，初始地应力在模型计算中只考虑土体的自重应力；

4）荷载由既有桥的最不利条件考虑，简化为均布力施作于墩顶，桥墩自重由软件自动计算；假定桥梁一次成型，并且工后沉降达到稳定。

3.2 模型建立

为消除模型边界效应，地基土模型在 X 轴方向尺寸取 140m，在 Y 轴方向尺寸取 120m，在竖向深度（Z 轴方向）取 60m。整体模型包含“桥梁-土体”完整结构，桥梁桩基通过植入式梁单元实现将桥梁的受力传递到土层结构中。该模型共有 80610 个单元和 44650 个节点。

3.3 分析步设置及工况划分

武汉长江二桥黄浦路立交桥为既有桥梁，根据施工步骤，确定的模型分析步与工况见表1。

表1 工况划分

3.4 计算结果及分析

深基坑开挖至基坑底时，对邻近构筑物的扰动效应达到最大，故计算结果及分析过程以工况八开挖至基坑底为例。工况八（D1 接收井开挖至基坑底）模型总体变形和x向变形如图1、图2所示，Z1匝道桥墩变形如图3、图4所示。

图1 工况八整体竖向变形图

图2 工况八x向变形图

图3 Z1-2#～Z1-8#桥墩 x 方向变形图

图4 Z1-2#～Z1-8#桥墩 y 方向变形图

通过计算分析可以发现，工况八Z1 匝道桥墩顶位置：

①最大变形量发生在 5#墩，其变形值为 0.37mm；

②最大 x 向位移发生在 4#墩，为 0.10mm；

③最大 y 向位移发生在 5#墩，为-0.09mm；

④最大竖向位移发生在 5#墩，为0.36mm。

其余工况均由软件计算得出，分析过程与工况八类似，在此不一一赘述。

分析过程中计算坐标系均以垂直顶管开挖方向为 x 轴，以平行顶管开挖方向为 y轴，为方便分析桥梁变形，要将所有工况桥墩墩顶变形转化为顺桥向和横桥向位移。

通过具体计算分析可以得出：

结论一：在D1井基坑开挖过程中，开挖基坑底面土体隆起、基坑边缘土体有向基坑方向侧向位移。

结论二：在D1 井施工过程中，Z1 匝道桥墩顶变形情况为：2#墩最大位移 0.26mm、3#墩最大位移 0.59 mm、4#墩最大位移 1.16mm、5#墩最大位移 1.59mm、6#墩最大位移 1.51mm、7#墩最大位移 0.23mm、8#墩最大位移 0.10mm。

结论三：由于顶管井开挖施工的综合作用，施工过程中 5#、6#墩受影响最明显，其中 5#墩最大位移 1.59 mm、6#墩最大位移 1.51mm。

结论四：冠梁、腰梁、内壁等会对结构变形有抑制作用，且这种抑制作用具有滞后性。

4.已建桥梁防护措施建议

（1）由结论一：基坑开挖过程中结构变形破坏引起桥梁变位，而基坑结构变形破坏的主要形式有两个，即存在开挖基坑底面土体隆起和基坑边缘土体向基坑方向侧向位移。故采取措施抑制这两种变形破坏形式即能起到一定的桥梁防护作用。

1）防止基坑底土体隆起措施：①控制基底高压旋喷桩咬合质量，长度。高压旋喷桩正式施工前通过试桩确定水泥掺量、提升速度、压力等施工参数。②施工前对设备性能进行检查，包括流量表、压力表、高喷台车、泥浆泵等。③过程中对技术参数做好记录；④地下水处理。施工时地下水要及时处理，防止发生坑壁土体失稳，承压水突涌及流土、涌砂、坑底隆起等渗透变形等情况，同时对孔隙承压水进行控制，确保安全；⑤封底要快。土体开挖完成，及时施工垫层和底板，将基地封闭。

2）防止基坑边缘土体向基坑方向侧向位移：①降低动荷载不利影响。土方开挖过程中，基坑周边严禁堆放土方、材料，机械和车辆远离基坑边缘；②保证围护结构施工质量。支护结构采用“支护桩+冠梁+两道腰梁”形式，在保证施工质量前提下，防护效果基本能满足需求；③改变开挖方式，分段、分块、分层进行土方开挖。满足基坑开挖“时空效应”原理，快速完成开挖，及时进行混凝土支撑施工以及钢支撑的安装并施加轴力，使基坑无支撑暴露的时间最短。

（2）由结论二：Z1 匝道桥墩顶变形情况为离基坑施工距离越近，所受影响越大，5#、6#墩变形最大。故对桥梁结构变形进行全过程监测中，加强对5#、6#墩的监测，能更快发现基坑开挖对桥梁结构的扰动情况，及时采取相应措施避免既有构筑物变形位移继续扩大。基坑开挖过程中应加强对以下位置的监控测量：

1）支撑轴力的监测。在支撑上设置支撑轴力计，来监控支撑轴力情况。当支撑轴力减少较多时，及时进行轴力复加，满足支撑轴力的要求。当支撑轴力较大，支撑有失稳的危险时，采取增加钢支撑的措施来处理。

2）基坑变形的监测。设置测斜管等手段进行基坑变形监测，根据监测情况，当变形或应力值达到预警值时，需采取加固措施。

3）地下水监测。在基坑周边设置观测井，进行地下水位观测。当水位发生异常，并找到渗漏点，并启动应急预案，采用注浆加固或回灌等方式进行补救。

（3）由结论三：施工过程中 5#、6#墩受影响最明显，故对桥梁采取防护措施应尤其关注对5#、6#的保护。施工过程中注意D1井到 5#、6#范围内尽量不停放挖机、吊机等设备，防止大型设备碰撞桥梁。弃土、材料应堆放在桥梁影响区外，并避免其他施工荷载影响桥梁安全性。

（4）由结论四：冠梁、腰梁、内壁等会对结构变形有抑制作用，且这种抑制作用具有滞后性。故冠梁、腰梁、内壁等围护结构强度符合设计要求后在开挖，开挖过程中加强对冠梁、腰梁、内壁进行监测，并做好应急预案。

5.总结

通过Midas GTS NX建立基坑开挖三维模型有限元分析，得出深基坑开挖时各施工阶段临近桥梁桥墩墩顶的总体位移、X方向位移、Y方向位移和竖向位移，为分析评估桥梁结构的安全防护提供可靠依据。针对既有桥梁距离基坑较近的情况，为避免基坑开挖对运行桥梁造成不良影响，一方面必须对桥梁进行保护，同时加强测量监控，另一方面深基坑围护结构质量必须达标。本文通过工程实际案例分析，解决了新建城市顶管与城市已建高架桥相交节点处的顶管井深基坑开挖对已建桥梁的影响问题，可为今后类似工程问题的处理提供相关经验。