地铁基坑下穿铁路桥的桥墩保护设计方案合理性研究*

李恒一 王志杰 何晟亚 王如磊 徐海岩

(1.广州地铁设计研究院股份有限公司， 510010， 广州； 2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 610031， 成都；3.四川农业大学土木工程学院， 611830， 都江堰; 4.四川农业大学村镇建设防灾减灾四川省高等学校工程研究中心， 611830， 都江堰∥第一作者， 高级工程师)

地铁建设项目因周边环境等各种因素不得不下穿高速铁路桥梁时，在施工过程中可能会对邻近桥墩产生影响[1-3]，所以在施工前应采取措施对桥墩加以保护。目前针对地铁基坑下穿高架桥施工对桥墩保护措施的研究较少。本文以深圳地铁12号线和平站基坑下穿穗莞深城际铁路为依托，采用数值模拟方法，探究施工过程中桥墩保护方案的合理性，以期为国内同类工程提供借鉴。

1 工程概况

深圳地铁12号线和平站位于松福大道与桥和路交叉路口，呈东西向敷设，在穗莞深城际铁路特大桥的30#桥墩和31#桥墩之间下穿通过。该站的基坑横断面如图1所示。

和平站为地下二层岛式站台，标准段宽度为21 m，总长为230 m，开挖深度为17 m。TB 10182—2017《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》规定：基坑下穿高速铁路时，高速铁路桥梁墩台顶横、纵向水平和竖向位移均应小于2 mm。为满足该规定，该站的下穿段采用了“地下连续墙+5道内支撑”的施工方案(如图1所示)，在桥墩承台四周设置了直径为800 mm、间距为950 mm的隔离桩，隔离桩与基坑之间设置旋喷桩以加固土体。

注:除标高以m计外,其余尺寸以mm计。

2 数值模拟

2.1 建立仿真模型

采用有限元软件Midas GTS进行三维建模，对下穿段进行计算。考虑基坑尺寸、开挖深度及周边环境，模型的长度、宽度、高度分别设为120 m、90 m、100 m。

模型四周边界施加法向位移约束，底部边界施加竖向位移约束。地层采用Mohr-Coulomb本构模型，地层从上至下分别为填块石、淤泥、粉质黏土、砂质黏土、全风化花岗岩。地下连续墙和隔离桩采用二维单元模拟，支撑、立柱、冠梁、桥桩采用一维单元模拟，围护结构均采用弹性本构。根据相关资料，将桥梁上部荷载换算成均布荷载并作用于桥墩上，30#桥墩、31#桥墩顶部的均布荷载分别为138 kPa、134 kPa。

为方便建模，将隔离桩按刚度等效原则等效为一定厚度的地下连续墙，其计算式[4]为：

(1)

式中：

D0——等效地下连续墙厚度，m；

L——2根隔离桩之间的距离，m；

D——隔离桩的直径，m。

为保证数值模拟的可实现性及计算结果的准确性，在建模分析过程中遵守如下假设[4]：① 假定整个深基坑土层呈均质、水平层状分布，不考虑土体蠕变等因素对土体造成的影响；② 计算中不考虑围护结构和土体的脱离现象，维护结构和土体满足变形协调条件。

2.2 设置计算参数

计算模型所需的各地层参数及围护结构参数如表1所示。

表1 案例基坑各地层参数及围护结构参数Tab.1 Ground and enclosure structure parameters of case foundation pit

3 计算结果及分析

3.1 桥墩加固方案的合理性分析

根据下穿段桥墩保护方案，本文设了4种工况进行分析：① 工况一，无加固措施；② 工况二，仅设隔离桩；③ 工况三，仅进行土体加固；④ 工况四，实施隔离桩和土体加固。

3.1.1 桥墩水平位移分析

基坑开挖至坑底时，4个工况下30#桥墩和31#桥墩的最大水平位移如图2所示。

图2 各工况下30#桥墩和31#桥墩的最大水平位移Fig.2 Maximum horizontal displacement of pier 30# and pier 31# under various working conditions

由图2可知：

1) 工况一和工况三下31#桥墩的最大水平位移均大于30#桥墩的最大水平位移，而工况二和工况四下的情况恰好相反。

2) 对比工况一和工况二。工况二采用了隔离桩加固，30#桥墩、31#桥墩的最大水平位移较工况一均有所减小，其中：30#桥墩最大水平位移的减小幅度为2.76%，31#桥墩最大水平位移的减小幅度为40.74%，这说明了设置隔离桩对控制桥墩的水平位移有一定效果。

3) 对比工况一和工况四。与工况一相比，工况四下30#桥墩、31#桥墩的最大水平位移都有所减小，最大水平位移值均小于2 mm。

3.1.2 桥墩竖向位移分析

基坑开挖至坑底时，4个工况下30#桥墩、31#桥墩的最大竖向位移如图3所示。由图3可知：

图3 各工况下30#桥墩和31#桥墩的最大竖向位移Fig.3 Maximum vertical displacements of pier 30# and pier 31# under various working conditions

1) 与桥墩的水平变形相同，工况一和工况三下 31#桥墩的最大竖向位移均大于30#桥墩的的最大竖向位移，而工况二和工况四下的情况恰好相反。

2) 对比工况一和工况二。工况二采用了隔离桩加固，30#桥墩、31#桥墩的最大竖向位移较工况一均有明显减小，其中：30#桥墩的最大竖向位移减小了53.00%，31#桥墩的最大竖向位移减小了65.74%，这说明采用隔离桩对减小桥墩的竖向位移具有明显的效果。

3) 与其他3个工况相比，工况四下30#桥墩、31#桥墩的最大竖向位移量最小。相比工况一，工况四下30#桥墩、31#桥墩的最大竖向位移分别减小了54.18%、68.41%。相比工况二，工况四下30#桥墩、31#桥墩的最大竖向位移也均有小幅下降。这说明工况四控制桥墩竖向位移的效果最好。

3.2 围护结构加强方案的合理性分析

该下穿段为1.2 m厚的地下连续墙，其嵌固深度为8.5 m。本文采用数值模拟方法，分析墙厚和嵌固深度的改变对基坑和桥梁稳定性的影响。设地下连续墙的厚度分别为0.8 m、1.0 m、1.2 m及1.4 m，嵌固深度分别为6.0 m、6.5 m、7.0 m、7.5 m、8.0 m、8.5 m、9.0 m及9.5 m。

3.2.1 地下连续墙厚度对结构稳定性的影响

在地下连续墙不同的墙厚下，30#桥墩、31#桥墩的最大水平位移变化情况如图4所示：随着墙厚的增大，2个桥墩的最大水平位移均有所减小，且呈逐渐平缓减少趋势。这说明随着墙厚的增加，桥墩水平位移的减小幅度变小。当墙厚从0.8 m增大到1.4 m时，30#桥墩、31#桥墩的最大水平位移分别减小了0.197 mm、0.218 mm，减小幅度均不大。当墙厚从1.2 m增大到1.4 m时，30#桥墩、31#桥墩的最大竖向位移分别减小了0.050 mm、0.061 mm。这也说明了改变地下连续墙的厚度对桥墩位移影响并不大，通过增大墙厚的方法来控制桥墩位移是不经济的。

a) 最大水平位移

3.2.2 地下连续墙嵌固深度对结构稳定性的影响

不同的地下连续墙嵌固深度下，30#桥墩、31#桥墩的最大水平位移和最大竖向位移变化情况如图5所示：随着地下连续墙嵌固深度的增大，2个桥墩的最大水平位移依次减小，但变化幅度较小。当地下连续墙嵌固深度从6.0 m增大到9.5 m后，30#桥墩的最大水平位移从1.977 mm减小到1.934 mm，31#桥墩的最大水平位移从1.516 mm减至1.480 mm变化都很小。

桥墩最大竖向位移曲线降幅也比较平缓，当嵌固深度超过8.5 m后，随着嵌固深度的继续增加，桥墩最大竖向位移几乎没有变化。这说明在嵌固深度能保证基坑稳定的情况下，不宜通过增大地下连续墙的嵌固深度来提高桥墩的稳定性。

a) 最大水平位移

3.3 基坑施工工序的合理性分析

按照基坑施工工序对穗莞深城际铁路的影响，将模型基坑分为3个区：A、R和C区(如图6所示)，各分区之间设分隔墙。B为中间基坑的分区宽度。

图6 基坑分区示意图Fig.6 Diagram of foundation pit zoning

L为两水平相邻混凝土撑间距。本文模拟了两种开挖工况，分别为工况P(开挖工序为先两边后中间)、工况Q(开挖工序为先中间后两边)。分别令B等于3L、5L、7L，以30#桥墩为例，对工况P和工况Q下取不同B值时的施工情况进行仿真。

两种开挖工况下，30#桥墩的最大水平位移和最大竖向位移随B的变化情况为：桥墩的最大水平位移和最大竖向位移的变化趋势基本相同。在相同的B值下，工况Q引起的桥墩位移均比工况P小。随着B的减小，两种开挖工况下的位移差值越来越大，当B=3L时，两者的位移差值达到最大，此时工况Q下桥墩最大水平位移比工况P小43.6%，桥墩最大竖向位移比工况P小21.2%。

对于工况P，当B=5L时，开挖引起的桥墩最大水平位移和最大竖向位移最小。而对于工况Q，当B=3L时，开挖引起的桥墩最大水平位移和最大竖向位移最小。

4 现场监测情况

基坑施工过程中，对桥墩的水平位移和竖向位移进行了监测，本文选取一部分监测点进行分析。30#桥墩和31#桥墩选取的监测点如图7所示，各监测点的标高均为1.45 m。

a) 30#桥墩

4.1 桥墩水平位移监测数据分析

30#桥墩选取了2个监测点(JGS3、JGS6)，31#桥墩也选取了2个监测点(JGS9、JGS10)。根据现场的施工进度，本文选取2019-06-11至2019-08-20的监测数据进行分析，各监测点的水平位移变化曲线如图8所示。

由图8可知，在2019-06-11至2019-08-20的基坑开挖过程中，30#桥墩、31#桥墩各测点的水平变化规律大致相同。随着基坑的开挖，测点的水平位移逐渐增大，其变化过程可分为三个阶段，2个桥墩的水平位移变化在第一阶段均较快，第二阶段有所减缓，第三阶段基本平稳。其原因主要为：2019-06-11至2019-07-02，下穿段基坑的开挖深度由6 m开挖至13 m，所以这段时间桥墩的水平位移变化较快；2019-07-30，基坑已开挖至底部，后续监测日期内桥墩的水平位移变化减小，趋于平缓。

a) 30#桥墩的测点JGS3、JGS6

因基坑开挖引起的桥墩测点最大水平位移结果为：30#桥墩测点JGS3、JGS6的累计水平位移分别为0.918 mm和0.830 mm；31#桥墩测点JGS9、JGS10的累计水平位移分别为0.862 mm和0.789 mm。在对应的开挖深度内，数值模拟得到30#桥墩、31#桥墩的最大水平位移分别为1.116 mm和 0.896 mm。经对比，现场实测数据和数值模拟结果有一定差异，数值模拟结果值稍大，但两者整体吻合情况较好。

4.2 桥墩竖向位移监测数据分析

30#桥墩选取2个监测点(JGC14-5、JGC14-6)，31#桥墩也选取2个监测点(JGC14-9、JGC14-10)。根据现场施工进度，选取了2019-05-27至2019-08-20的监测数据进行分析，各测点的竖向位移变化曲线如图9所示。

由图9可知，在2019-05-27至2019-08-20的基坑开挖过程中，30#桥墩、31#桥墩各测点的竖向位移变化规律大致相同。随着基坑的开挖，桥墩的竖向位移逐渐增大，其变化过程大致可以分为4个阶段：第一阶段变化较慢，第二阶段变化较快，第三阶段变化有所减缓，第四阶段变化基本较为平稳。

a) 30#桥墩的测点JGC14-5、JGC14-6

因基坑开挖引起的桥墩测点最大竖向位移结果为：30#桥墩测点JGC14-5、JGC14-6的累计竖向位移分别为0.522 mm、0.451 mm，31#桥墩测点JGC14-9、JGC14-10的累计竖向位移分别为0.342 mm和0.317 mm。在对应的开挖深度内，数值模拟得到30#墩和31#桥墩的最大竖向位移分别为0.389 mm和0.272 mm。经对比，现场实测数据和数值模拟结果存在一定差异，数值模拟结果值稍小，这是由于数值模拟过程中未考虑地下水的影响所致。总体而言，现场实测数据和数值模拟结果的变化规律基本一致。

5 结论

1) 针对桥墩水平位移，采用隔离桩和土体加固措施对2个桥墩产生的影响稍有差别。仅采用隔离桩(工况二)时，2个桥墩的水平位移均有所减小，但30#桥墩的水平位移减小幅度较小，产生的水平位移值在控制标准之外。仅采用土体加固措施(工况三)，30#桥墩的水平位移大幅减小，31#桥墩的水平位移减小效果不如30#桥墩明显。当同时采用隔离桩和土体加固(工况四)时，2个桥墩水平位移的控制效果最佳，满足控制标准要求。

2) 针对桥墩竖向位移，设置隔离桩对控制桥墩的竖向位移有明显效果。仅采用隔离桩(工况二)时，2个桥墩的竖向位移均大幅度降低；采用土体加固措施(工况三)时，桥墩的竖向位移控制有一定效果，但效果没有仅采用隔离桩时的效果好；当采用隔离桩和土体加固(工况四)时，能达到最好的竖向位移控制效果。

3) 地下连续墙的厚度和嵌固深度对桥墩的位移影响并不大。在保证基坑稳定的前提下，继续增大地下连续墙的厚度和嵌固深度是不经济的。

4) 采用分区开挖可以有效控制基坑变形及临近桥梁区域土体的变形。应采用先开挖中间后开挖两边的开挖顺序进行施工，中间基坑的分区宽度设为3L较为合适。

5) 数值模拟结果和实测结果基本吻合，证明了本文仿真模拟的有效性，说明设计中采用的桥墩保护加固方案对桥梁的稳定起到了有效作用，该设计方案可为今后类似工程提供参考。