软土地基区域基坑开挖施工对轻轨高架桥结构的影响分析及变形监测

张月超，吕金辉，李支彬，张 磊，赵喜柱，吕春凤

(1. 天津市地质工程勘测设计院有限公司 天津300191；2. 天津轨道交通运营集团有限公司 天津300382；3. 中海油海工船舶(天津)有限公司 天津300451)

0 引 言

在工程建设中，基坑开挖施工会对周围土体产生位移影响，基坑施工的变形观测是指导施工、避免土体失稳发生的必要措施[1]，基坑开挖的本质就是土体的位移，土体的位移必然会使土的自然应力状态发生改变[2]。Peck 对基坑开挖引起的变形研究认为，在软土地基环境中基坑开挖引起周围环境的变化在2.5～4 倍开挖深度范围内[3]。

软土地基区域基坑开挖施工受地层特性限制，其影响范围及强度将会增加，如何有效分析软土地基区域基坑开挖施工对轨道交通结构的影响，以及如何有效监测控制结构变形、降低安全风险是本文将要探讨的重点。

1 工程概况

拟建项目场地位于华北平原北部，属滨海冲积平原，地貌单一。基坑整体开挖深度为5.90 m。基坑东西向长度为333.5 m，南北向长度为180.3 m。基坑支护形式采用单排800(700)×1 000 钻孔灌注桩+一道钢筋混凝土支撑+700×1 000 止水帷幕，其中轻轨侧采用800 的钻孔灌注桩。基坑边缘距离轻轨高架结构24 m，项目施工前进行了详细的岩土工程勘察，获取了详尽的区域土层地质参数。

根据岩土勘察资料，该区域地貌单元属海积低平原亚区，几经海路变迁沉积了丰厚的沉积物，在深度75 m 范围内的地基土属第四系全新统人工填土层、滨海相沉积层。各土层分布较稳定，厚度及顶层、底板起伏变化不大。场地分布稳定，土质强度较均匀。鉴于篇幅，仅提供1 个典型地层，主要物理力学参数见表1，桩尖持力层为第6 层土，即粉质黏土。

表1 场地土主要物理力学参数Tab.1 Main physical and mechanical parameters of site soil

本场地分布有厚薄不均的素填土，场地中素填土主要由黏性土组成，其天然含水量大、压缩性高、承载力低，软可塑状态；在埋深3.00～18.00 m 段分布有厚薄不均的淤泥质黏土，为典型的滨海软土，其天然含水量大、压缩性高、承载力低、流塑状态。以上均为特殊性土。

2 软土地基区域施工影响模拟分析

为保障工程施工的安全性，在完成基坑支护设计后需开展基坑开挖，并对周边重要建筑物/构筑物的安全影响进行评估，针对可能发生的安全风险提前做好管控，并制定风险应急预案。

2.1 轻轨高架桥评估指标

参照地铁沿线建筑施工保护管理相关规定，确定工程施工过程中高架桥结构的变形控制指标值[4-7]，具体如表2 所示。

表2 高架桥箱梁及桥墩变形控制值Tab.2 Deformation control value of viaduct box girder and pier

2.2 安全评估分析方法

用于地下结构理论计算的力学模型可归纳为2 种：①连续介质模型，即地层—结构模型；②作用—反作用模型，即荷载—结构模型。这2 种力学模型各有特点：地层—结构模型由于考虑地层与结构的共同作用，多用于结构的变形分析；荷载—结构模型只将结构作为计算对象，多用于结构内力及变形分析。具体到该工程项目，考虑到施工引起的轻轨线路结构沉降与地层关系密切，因此，采用地层—结构模型进行变形分析[8-11]。本文评估计算采用MIDAS-GTS 软件实现。

第一步，评估假设：①轻轨高架桥结构仅考虑正常使用工况，由于施工期相对较短，故不考虑人防、地震等偶然荷载；②假定轻轨区间桥桩、基坑围护桩、支撑等混凝土结构为弹性材料，土体为弹塑性材料并采用硬化土(小应变刚度)模型；③假定桩基结构与土体之间符合变形协调原理；④基坑周边考虑施工荷载为20 kPa；⑤轻轨荷载以80 kPa 考虑；⑥施工处于正常良好的控制条件下。

第二步，建立模型：根据项目基坑支护设计资料和轻轨高架桥设计资料，建立有限元模型。其中基坑支护结构模型主要包括支护桩、冠梁、混凝土支撑、基坑底板等单元；围护桩采用板单元模拟；冠梁采用梁单元模拟，模型尺寸材料均按照设计资料选取；轻轨高架桥结构主要包括高架桥的桩基、承台、桥墩、梁、轨道等结构。模型如图1、图2 所示。

图1 基坑支护结构有限元模型Fig.1 Finite element model of foundation pit support structure

图2 轻轨高架桥结构有限元模型Fig.2 Finite element model of light rail viaduct structure

第三步，确定计算参数：施工场地地基模型按照勘测报告资料选取，根据工程地质资料及地形状况进行场地有限元模型建立。地基土的非线性结构与屈服力学特性层采用修正摩尔库伦模型描述，土层材料摩擦角、黏聚力等参数按照地质勘测报告推荐的力学参数选取。

根据轻轨高架桥结构现状检测成果，高架桥墩柱混凝土强度推定值在40.4～42.4 MPa 之间，箱梁混凝土强度推定值在51.4～52.7 MPa 之间。区间道床混凝土强度推定值为44.9 MPa。综合设计资料，确定箱梁混凝土等级为C50，桥墩及道床混凝土等级为C40，桩基混凝土等级为C30。

第四步，确定计算工况：模拟基坑开挖、基坑地下室结构施工等作业过程对轻轨高架桥结构的影响。选取典型工况如下：①降水施工；②第一层土开挖；③施工止水帷幕及围护桩；④施工立柱桩及混凝土撑；⑤第二层土开挖；⑥施工地下室底板；⑦拆除混凝土撑；⑧施工地面结构。

第五步，变形影响分析：①轻轨高架桥竖向变形分析如图3 和表3 所示，基坑开挖诱发轻轨结构竖向变形最大值发生在基坑南侧10～11 号桩基承台处，最大值为0.42 mm，发生在第一层土开挖时，并且随着施工的进行有一定程度减小；②轻轨高架桥横向变形分析如图4 和表4 所示，基坑开挖诱发轻轨结构横向变形最大值为1.08 mm，发生在地下室底板施工完成时，变形较大施工阶段为第二层开挖—拆撑阶段，该施工过程中，轻轨结构横向变形在 1.07 ～1.08 mm，为整个施工过程的最危险阶段，在第二层土开挖阶段，轻轨结构横向变形有较大增加，变形由0.42 mm 激增为1.07 mm，增幅155%，该阶段为施工最危险时刻；③轻轨高架桥纵向变形分析如图5 和表5 所示，基坑开挖诱发轻轨结构纵向变形最大值为0.31 mm，发生在第二层土开挖完成时，变形较大施工阶段为第二层开挖—拆撑阶段，轻轨结构横向变形在0.29～0.31 mm，为整个施工的最危险阶段。在第二层土开挖阶段，轻轨结构纵向变形有较大增加，变形由0.15 mm 增至0.31 mm，该阶段为施工最危险时刻。施工完成后，轻轨结构纵向变形有所减小。

图3 轻轨结构竖向位移变化图Fig.3 Vertical displacement change diagram of light rail structure

表3 不同工况下轻轨结构竖向变形值Tab.3 Vertical deformation value of light rail structure under different working conditions

图4 轻轨结构横向位移变化图Fig.4 Variation diagram of lateral displacement of light rail structure

表4 不同工况下轻轨结构横向变形值Tab.4 Lateral deformation value of light rail structure under different working conditions

图5 轻轨结构纵向位移变化图Fig.5 Longitudinal displacement change diagram of light rail structure

表5 不同工况下轻轨结构纵向变形值Tab.5 Longitudinal deformation value of light rail structure under different working conditions

综合分析以上结果认为，基坑施工过程中轻轨结构变形满足规范及设计要求，轻轨结构总体安全；变形均发生在第二层土开挖阶段，该施工过程中地层卸载较大，对周边影响较大；施工过程中结构变形主要集中在3～8 号桥墩之间，主要变形为靠近基坑的横向位移。

3 工程影响监测与分析

根据现行的国家规范及地方标准，城市轨道交通的地面、高架车站和线路轨道结构外边线外侧30 m内为控制保护区[4]；对处于控制保护区内的关键外部作业，应对受其影响范围的城市轨道交通结构进行全过程监测，监测工作不应影响城市轨道交通的正常运营[5]。结合上述安全影响评估分析，对受基坑施工影响的轻轨高架桥结构进行专项监测，重点监测内容包括桥墩竖向位移和墩顶水平位移[8]。

桥墩竖向位移监测点位在高架桥墩上按设计位置钻孔，标明点号和保护标记，具体埋设方式如图6所示。桥墩墩顶水平位移监测点布设在每个监测桥墩顶部，点位布设效果如图7 所示。

图6 桥墩竖向位移点位埋设示意图Fig.6 Schematic diagram of burial of vertical displacement points of bridge piers

图7 墩顶水平位移点位埋设效果图Tab.7 Embedding effect diagram of horizontal displacement point on pier top

本工程属于可能对城市轨道交通结构安全产生影响的外部施工，其对轻轨高架桥的影响区域约230 m，区域内共有10 个桥墩，外部作业影响等级评定为二级。对本工程涉及的轻轨高架桥结构变形监测采用自动化监测技术与人工监测技术相结合的方式，满足监测频率、精度及作业效率的要求。监测周期从施工进场开始至地下结构出土为止，累计监测时长13 个月。关键施工期如二步土开挖、拆撑等施工，监测频率保持每天1 次，密切关注轻轨高架桥变形情况，保障现场施工及轻轨运营安全。整个监测周期内轻轨高架桥结构的位移变化如图8、图9 所示。

从监测数据变化图可以看出轻轨高架桥结构竖向位移和水平位移变化主要分为3 个阶段。第一阶段，2019 年11 月至2020 年1 月，该阶段主要为降水及基坑一步土开挖阶段，桥墩竖向位移发生轻微扰动，桥墩水平位移发生向基坑施工一侧偏移，最大水平偏移超过3 mm。第二阶段，2020 年3 月至2020 年6 月，该阶段主要为二步土开挖及底板施工阶段，土方开挖采用分步开挖，底板施工采用分块施工及封闭的作业方式，从数据变化情况可以看出在土方开挖到底、底板未封闭阶段高架桥结构变形是最为剧烈的，此时的风险等级最高；在底板施工后期，随着封闭区域的逐步增大，高架桥结构变形逐步平稳。第三阶段，2020 年8 月至2020 年10 月，该阶段主要为拆撑及主体结构施工，随着拆撑完毕及主体结构荷载增加，高架桥竖向位移、水平位移变形量出现局部减小的趋势，并最终趋于平稳。

根据实际监测结果可以看出软土地基区域施工对轻轨高架桥结构的实际影响大于有限元模型分析结果，但施工影响的变形趋势及节点是符合实际变化的。这从侧面说明了有限元模型分析对应指导施工期间的安全监测是十分必要的，同时由于软土地基区域土层力学性质的特殊性，现有的有限元模型分析方法尚不能完全体现其内部变化规律，在这方面的还有许多值得探讨和研究的内容。

4 结 论

软土地基区域施工对周边结构物的影响程度受土质力学性能参数影响较大，施工前需详细探明施工区域的地质结构及土层参数，这对后续施工影响评估及变形监测等工作十分重要。

对处于城市轨道交通结构控制保护区范围内的外部施工作业，需严格控制其施工步骤及影响范围，特别是在软土地基区域，轨道交通结构受外部施工影响显著。在外部施工过程中需重点加强对结构竖向位移、水平位移变化的监测，数据变化显著时，轨道交通运营部门应联合各单位采取相关措施保障运营安全。