邻近市政桥梁深基坑隔离桩支护尺寸优化研究

赵雨军

(中铁十五局集团城市建设工程有限公司 河南洛阳 471000)

1 引言

伴随地下轨道交通的迅速发展，城市地铁车站施工往往需要解决深大基坑引发周围敏感构筑物不均匀沉降的问题[1-3]。地铁深基坑施工，由于施工环境复杂，在支护结构尺寸设计不合理情况下，极有可能造成周围构筑物开裂损坏甚至倒塌。因此，深基坑施工时，优化支护结构尺寸具有重要理论和工程价值。

基坑开挖对邻近构筑物影响研究已有较多案例，大量学者针对基坑支护变形特征及相应控制措施进行了研究。韩爱民等[4]研究软土地区基坑开挖对群桩的影响，结果表明，桩基内力分布形式受土体及周围桩基的影响。刘燕等[5]研究基坑周边土体位移与开挖深度、排桩间距之间的关系，推导了支护结构变形解析解。杨敏[6]通过建立数值模型，研究基坑开挖引发的桩基响应，结果表明，隔离桩可有效减小墙后土体位移，从而减小附加弯矩。杜金龙等[7-9]以软土地区基坑施工为研究对象，分析了其对邻近构筑物的影响，并提出相应本构计算模型。章荣军[10]以武汉地铁项目为依托，分析了降水对邻近桩基的影响。

本文依托南京地铁7号线邻近深基坑开挖工程，提出深基坑隔离桩支护形式。采用数值模拟研究桥桩的力学响应以对支护结构进行优化分析，获取最优隔离桩桩径尺寸及其力学特性，并采用数值模拟、理论分析和现场监测方法验证隔离桩支护效果。

2 工程概况

2.1 地质概况

南京地铁7号线深基坑处于长江阶地地区，主要地层分布为素填土、粉质黏土、风化岩，地层分布及特征如表1所示。车站结构底板处于强风化砂岩，场区稳定水位为2.3～4.2 m。

2.2 桥梁和深基坑概况

深基坑位于市政高架桥梁下方，基坑长210 m，宽度为20 m，设计深度22 m。市政桥梁为钢箱梁桥，桥墩高9.5 m，承台尺寸为5.5 m×5.5 m，桥梁基础为4根直径1.0 m、长34 m的桩基，混凝土设计等级为C30。基坑边缘距桥梁下部结构最近处为8.60 m，如图1所示。

2.3 基坑支护形式

工程场地局部土体物理力学性质较差，且场地范围内多有分布承压水且水头较高，基坑边缘距离桩基最近处为8.60 m。由于高架桥处于要道，无法中断交通，且对沉降控制要求较高。

为减小基坑开挖对邻近桥梁的不利影响，采用在基坑与桥桩间施作隔离桩方案。隔离桩采用ϕ1 000钻孔桩，搭接长度300 mm，排桩穿过黏土层打入强风化岩，发挥止水作用。深基坑支护结构选用连续墙＋内支撑体系，地连墙厚度为1.0 m，基坑采用明挖法施工，分6次开挖，支护结构材料及尺寸如表2所示。

表2 支护结构类型及尺寸

3 有限元模型

3.1 物理力学参数

为确定最优隔离桩桩径，采用数值分析方法研究隔离桩对桥桩力学特性的影响。根据地勘报告，土体物理力学参数如表3所示，支护结构物理力学参数如表4所示。

表3 土体物理力学参数

表4 支护结构计算参数

3.2 模型建立

图2为基坑开挖三维数值模型，为考虑边界效应，场地长350 m、宽170 m，土层深度为70 m。基坑长210 m、宽度20 m，设计深度为22 m。隔离桩、地连墙等效厚度为1.0 m。模型底部设置竖向约束，侧面设置水平约束，水压力以节点水头荷载施加。基坑周边按无超载考虑。为了较好模拟基坑土体开挖过程，考虑土体的双硬化，采用修正摩尔-库伦模型。土体采用混合单元网格，地连墙与隔离桩根据抗弯刚度等效原则，简化为板单元，围檩、混凝土支撑、钢支撑采用梁单元模拟。

根据现场施工顺序，拟定模型各施工阶段对应工况。开挖及支护施工采用生死单元模拟，具体施工工序见表5。

表5 开挖工况模拟

4 结果与讨论

4.1 隔离桩桩径对桥桩力学特性影响

图3为不同隔离桩桩径下桥桩水平位移和弯矩与深度关系。考虑隔离桩桩径分别为0.0 m、0.5 m和1.0 m工况，其中0.0 m表示不设置隔离桩。由图3a可知，随深度增加，桥桩水平位移先增加后减小，呈曲线分布；随着隔离桩桩径增加，桥桩桩身水平位移减小；隔离桩桩径为0.0 m时，桥桩水平位移显著增大，说明不设置隔离桩时桥桩水平位移会显著增加，影响桥墩安全性；当隔离桩桩径大于0.5 m时，水平位移增加不显著；桥桩最大水平位移位于-14.0 m标高处。隔离桩桩径分别为0.0 m、0.5 m和1.0 m时，桥桩最大水平位移分别为13.1 mm、8.6 mm和8.3 mm，施作隔离桩后，最大水平位移值减小约37%，说明施作隔离桩可有效降低邻近桥桩水平位移。

由图3b可知，随着深度增加，桥桩弯矩呈S型分布；随隔离桩桩径增加，桥桩桩身弯矩减小；隔离桩桩径为0.0 m时，桥桩弯矩显著增大，说明不设置隔离桩桥桩弯矩会显著增加，影响桥墩安全性；当隔离桩桩径大于0.5 m时，桥桩弯矩未有显著改变；桥桩正负弯矩反弯点一致，位于-22.0 m标高处。隔离桩桩径分别为0.0 m、0.5 m和1.0 m时，桥桩最大正弯矩分别为211.3 kN·m、147.9 kN·m和140.9 kN·m，最大负弯矩分别为 389.5 kN·m、272.6 kN·m 和259.7 kN·m。施作隔离桩后，最大正、负弯矩值分别减小约33%，这是因为隔离桩可有效减少土体开挖引起的横向水平推力，说明施作隔离桩可有效降低桥桩弯矩。

4.2 不同工况对桥桩力学特性影响

图4为不同工况下桥桩水平位移和弯矩与深度关系。由于基坑开挖，支护结构在土压力作用下发生形变，导致邻近桩基受力状态改变。由图4a可知，随着深度增加，桥桩水平位移先增加后减小，呈曲线分布；随基坑开挖，桩身水平位移先迅速后缓慢增加，这是因为软土层开挖与降水共同作用，桩基对土体开挖更为敏感，导致工况3和4下桥桩的水平位移出现显著增长。在工况8结束后，基坑开挖完成，邻近桥桩水平位移相较于工况3显著增长，桥桩最终水平位移为8.2 mm。

由图4b可知，随深度增加，桥桩弯矩呈S型分布；随基坑开挖，桥桩桩身弯矩先迅速后缓慢增加，这是因为软土层开挖与降水共同作用，桩基对土体开挖更为敏感，导致工况3和4下桥桩弯矩出现显著增长；桥桩最大弯矩值接近桩身下部位置，说明基坑开挖对桥桩弯矩影响显著，这是因为基坑开挖引发土体水平位移使桥桩受弯效应明显；工况3～5，桥桩弯矩增长较快，为偏压构件；进入工况6后，桥桩弯矩增长速率降低，这是因为基坑开挖进入风化岩层后土体应力释放较小。

4.3 理论值和模拟结果对比

由于桩端入岩，桥桩可简化为下端固定、上端铰支、长度为l的受压细长杆，且在铰接端承受轴向压力[11-12]，如图5所示。

当桥桩轴向压力达到临界力Fcr时，压杆处于临界失稳状态。考虑上端支撑处的水平反力Fy，压杆上任意截面上弯矩为:

将桥桩弯矩代入挠曲方程，并令k2＝Fcr/EI，可得:

根据微分方程及边界条件可得:

因桥桩在临界状态时，Fy≠0，可得kl≈4.49。

进而可得桥桩挠曲线方程:

将桥梁荷载代入式(4)得到桥桩最大水平位移为10.2 mm。数值模拟中，桥桩最终水平位移为8.2 mm。理论计算值大于数值模拟值，这是因为数值模拟中地连墙对桥桩水平位移具有阻碍作用。

4.4 墩顶实测水平位移

在邻近基坑的4个墩柱顶部布设测点，从开挖到基坑开挖后半年内进行持续监测，测点布置如图6所示。

由图7可知，随基坑开挖深度增加，墩顶水平位移迅速增加，这是因为基坑内侧土体对隔离桩支撑作用逐渐减弱，桥墩水平位移增加明显；开挖完成后，随着监测天数增加，墩顶水平位移缓慢增加，当监测天数达到100 d后，墩顶水平位移迅速增加，然后缓慢增加趋于平稳，这是因为基坑开挖完成后，基坑周围土体进行内力重分布，墩顶水平位移迅速增加，当内力重分布趋于稳定后，墩顶水平位移逐渐收敛；测点3水平位移大于测点2，这是因为内支撑间距较大，支护刚度较弱，部分施工开挖引起桥墩侧向位移；墩顶4个测点中最大水平位移为4.1 mm，说明隔离桩支护有效阻止了桥桩水平位移。

5 结论

邻近桥梁地铁深基坑施工，会对桥梁结构产生不利影响。本文提出采用深基坑隔离桩支护，采用数值模拟研究桥桩的力学响应并对支护结构进行优化分析，获取最优隔离桩桩径尺寸及其力学特性，并以南京地铁项目为依托，采用数值模拟、理论分析和现场监测进行验证。

(1)随隔离桩桩径增加，桥桩水平位移和弯矩均减小，施作隔离桩后，水平位移和弯矩分别减小37%和33%。

(2)隔离桩桩径大于0.5 m时，可有效阻止桥桩变形，满足施工要求。

(3)现场监测表明，隔离桩可有效阻止桥桩水平位移，是一种有效的邻近桥梁深基坑支护方式。