明挖基坑对高铁高架桥墩变形的影响研究

陆敬松

（安徽铁建工程有限公司，安徽 蚌埠 233040）

0 引言

随着我国高铁网络的不断拓展与延伸，在高铁桥墩附近进行基坑开挖的案例越来越多[1-3]。基坑开挖诱发周边土体产生位移，进而引起邻近高铁桥墩的承台、桩基础产生一定的位移。高铁对桥墩沉降要求极为严格，当基坑开挖诱发的变形达到一定数值时，将影响高铁运营的舒适性与安全性。因此，降低基坑开挖对邻近高铁桥墩的影响，确保高铁线路的安全运营，是基坑施工的关键问题[4,5]。

本文以某实际工程为背景，基于有限元方法分析了基坑施工不同阶段高铁桥墩的水平位移与竖向沉降，考察基坑开挖对高铁桥墩的影响，为确保高铁的安全运营提供技术参考。

1 桥墩水平位移与竖向沉降的有限元计算模型

某高铁相邻桥墩中心距32.0m，承台长宽高为12.3m×8.6m×3.0m，承台底部设置11根钻孔灌注桩，桩径1.25m、桩长68m。随着经济发展需要，需在高铁相邻桥墩中间新建下穿公路隧道。

公路隧道采用U型槽结构，基坑开挖深度为6.5m，宽度为17.4m。围护结构采用Φ1000mm间距1100mm的钻孔灌注桩，桩长20.0m。在钻孔灌注桩的外侧还设置高压旋喷桩，桩长16.0m，直径Φ600mm，间距500mm。围护桩顶部设置冠梁，采用Φ609mm钢管支撑，支撑间距4.0m。不妨把基坑两侧的高铁桥墩标记为桥墩A与桥墩B，桥墩A的承台边缘距基坑3.5m，桥墩B的承台边缘距基坑2.5m，见图1所示。

图1 基坑与相邻高铁桥墩位置示意图

根据地勘报告，从上至下各土层为：①杂填土，②砂质粉土，③淤泥质粉质黏土，④粉质黏土，⑤粉质黏土，⑥砂质粉土,⑦粉砂。采用小应变土体硬化（HS-Small）本构模型对各土层进行模拟，主要计算参数见表1。

表1 土层计算参数

现建立三维值模型，抗滑桩等效为板单元，轴向刚度EA=2.44E7kN/m、抗弯刚度EI=1.339E6kN·m2/m。钢支撑用梁单元（beam）进行模拟，桩基础用“Embedded桩”单元进行模拟。桥墩上受到的高铁荷载等效为均布荷载作用在承台上。基坑及桥墩结构的建模情况见图2所示，网格剖分情况见图3。

图2 基坑与桥墩建模示意图

图3 有限元网格剖分（隐藏部分土体）

有限元模拟的施工顺序为：（1）初始地应力平衡；（2）激活高铁桥墩的桩基础、承台与均布荷载；（3）激活基坑围护结构的板单元，位移清零；（4）开挖至-1.0m；（5）激活钢支撑；（6）开挖至-3.0m；（7）开挖至-5.0m；（8）开挖至坑底设计标高；（9）激活坑底板单元，代表浇筑基坑底板；（10）拆除钢支撑，开展后续施工。

2 计算结果分析

底板浇筑完毕时，基坑土体的水平位移（即x方向位移）如图4所示。可见，此时土体水平位移最大值位于基坑坑底附近，达到10.0mm。

图4 底板浇筑后土体的水平位移分布云图

拆除钢支撑后，土体水平位移等值线分布如图5所示。可见，钢支撑拆除后，土体水平位移位于抗滑桩顶部附近。

图5 支撑拆除后土体水平位移等值线分布图（单位:mm）

不同施工阶段的围护桩水平位移分布如图6所示。在钢支撑未拆除前，由于钢支撑的对撑作用，围护桩桩顶的水平位移非常小，仅为0.9mm左右，为钢支撑的弹性变形。开挖至坑底时，围护结构水平位移最大值位于坑底位置处，为6.6mm。钢支撑拆除后，围护结构发生较大的水平位移，桩顶水平位移达到14.33mm。

图6 桥墩B附近围护桩水平位移分布

该基坑深度虽然不大，但两侧毗邻高铁桥墩，土体过大变形对周边环境影响很严重，故安全等级定为一级，其桩顶水平位移控制要求为0.2%h(h为基坑开挖深度)，即为13.0mm。上述计算得到拆除钢支撑后桩顶水平位移达14.33mm，是在未考虑U型槽刚度贡献条件下的结果。实际工程中，在底板浇筑完毕后再进行U型槽施工，待U型槽（钢筋混凝土结构）强度达到一定值后再拆除钢支撑，其水平位移值能符合规范要求。

计算还表明，钢支撑拆除后，桥墩B一侧的围护桩桩顶水平位移比桥墩A一侧的围护桩桩顶水平位移小0.52mm。这是由于桥墩B与围护桩之间的距离更近，对于该侧的围护桩而言，其周边土体与桥墩B综合后的总体刚度更大，对该侧围护桩有利，因而其水平位移更小。而对于桥墩A一侧的围护桩而言，桥墩A离其相对较远，对周边土体综合刚度的提高作用减弱，导致其水平位移偏大。

不同施工阶段的钢支撑轴力分布如图7所示。可见，随着基坑开挖深度的增大，钢支撑轴力越来越大，底板浇筑时钢支撑轴力达到621.2kN。

图7 各施工阶段钢支撑的轴力分布

基坑开挖过程中，不仅需关注基坑围护结构的变形是否满足规范要求，还需关注基坑开挖对邻近高铁桥墩的影响。计算得到不同施工阶段两个桥墩承台顶部中心点位置处的变形情况，如表2所示，表中各施工阶段数据为累计变形数据。可见，钢支撑拆除后，桥墩A的水平位移为2.85mm、竖向沉降为1.336mm，桥墩B的水平位移为3.41mm、竖向沉降为1.68mm。由于桥墩B离基坑距离更近，其受基坑开挖卸荷影响更大，故其水平位移值与竖向沉降值均更大。

表2 基坑开挖诱发的桥墩变形

根据《高速铁路设计规范》（TB10621-2014），无砟轨道路基工后沉降量应符合扣件调整能力和线路竖曲线圆顺的要求，路基的工后沉降不宜超过15mm，路基与桥梁、隧道或横向结构物交界处的工后沉降差不应大于5mm，不均匀沉降造成的折角不应大于1/1000。基坑开挖诱发各桥墩产生的倾斜如表3所示，承台沉降差与倾斜均在规范允许范围内。需要说明的是，规范所指的沉降差与倾斜限值应包括工后沉降与基坑开挖诱发的沉降两部分。本文计算结果仅为基坑开挖诱发桥墩产生的变形，至于高铁桥墩运行期间已产生的工后沉降，应由工前检测提供。

表3 基坑开挖诱发的承台倾斜

基坑开挖诱发高铁桥墩桩基础产生的水平位移变形趋势如图8所示。

图8 支撑拆除后桥墩桩基础的水平位移趋势图(放大800倍)

由图8可见，桩基础均向基坑开挖面发生侧移。桥墩A靠近基坑最近一排桩的水平位移为2.71mm，最远一排桩的水平位移为2.68mm；桥墩B靠近基坑最近一排桩的水平位移为3.24mm，最远一排桩的水平位移为3.20mm。桩基础的水平位移相对较小，说明基坑开挖对桥墩影响非常小。

综上所述，由于基坑开挖深度较小，且围护桩桩径与长度相对较大，基坑总体刚度较大，对周边土体及既有高铁桥墩影响较小。鉴于岩土工程的复杂性与不确定性，基坑施工过程中应加强对高铁桥墩的变形监测，若发现异常应及时处治，确保既有高铁线路的安全运营。

3 结束语

该新建下穿公路隧道从两相邻高铁桥墩之间穿过，距桥墩承台最近距离为2.5m。本文基于三维有限元法考察了基坑开挖对高铁桥墩的影响，计算表明基坑施工导致桥墩产生的水平位移最大值为3.41mm、竖向沉降最大值为1.68mm，桥墩桩基础的水平位移最大值为3.24mm，承台的沉降差与倾斜均非常小，各值均在规范允许范围内。基坑施工过程中应加强对高铁桥墩的变形监测，若发现异常应及时处治，以确保既有高铁线路的安全运营。