桥梁基坑施工关键技术及变形控制研究

毛颖斌

（中铁十八局集团第五工程有限公司 天津 300459）

随着经济发展和科技的进步，对基础建设的投入不断加大，为提高桥梁结构的施工质量，经常出现一些深基坑支护结构[1-5]。整体来看，桥梁工程支护结构一般深度较大，一旦出现事故，将会出现严重的损失。如何预测桥梁基坑结构变形，确保基坑工程的安全成为设计与施工阶段的关键问题。

在桥梁工程深基坑施工过程中，需综合考虑周边区域地质情况，确定合理的开挖深度和支护形式尤为重要，已有研究人员对此方面问题进行了探讨。齐永生、王雷[6]基于弹性支点法对桥梁支护结构进行了有限元分析，并编制了相应的计算程序。肖雨晨[7]依托工程实例对深水湖区深大桥梁基坑施工技术进行了总结和分析，为同类深水湖区施工提供了经验。冯玉松[8]结合工程实际对大型桥梁深基坑常见支护形式及其特点进行了总结，并对各种支护施工方案进行了对比分析。

本文基于北京市东六环（京哈高速～潞苑北大街）改造工程，对施工过程中的关键工艺进行了阐述，并基于数值模拟和现场实测方法对工程案例进行了分析，研究结果可为类似工程提供参考和借鉴。

1 工程背景

北京市东六环（京哈高速～潞苑北大街）改造工程，需新建SW匝道桥1座，该桥全长573.9 m，SW匝道桥横跨六环路（见图1），SW14#墩桥梁下部施工时需占用六环路内外侧车道，采用明挖基坑形式，基坑长度为8.5m，宽度为4.0 m，开挖深度为4.8 m，基坑设计采用拉森钢板桩作为支护结构，如图2所示。

图1 SW匝道桥施工平面示意图

图2 基坑开挖平面布置图

SW14#墩桥梁下部结构为双矩形墩台，承台高度为2.85 m，承台下接2根直径为1.8 m的桩基础，桩长为28.15 m，如图3所示。

图3 桥梁下部结构设计示意图

2 关键施工工艺

2.1 打设钢板桩

钢板桩打设前，需要根据设计方案，测量放样钢板桩中心点及承台开挖边线位置，钢板桩打设范围为每个承台结构边缘外侧0.5 m，打设深度为承台底下5 m，即嵌入段深度为5 m，如图4所示。打设过程中，需检查桩-桩之间相互咬合情况。

图4 钢板桩布设断面图

2.2 承台开挖

基坑开挖采用机械+人工配合的方式，基坑开挖时应保证基坑的稳定性，机械开挖至坑底，须预留20 cm进行人工清槽，防止基底扰动。

土方须随挖随运，严禁在坑边堆载，开挖过程中需做好钢板桩水平位移和地表沉降监测，基坑施工完成后须及时设置围挡。

2.3 桩基施工及检测

桥桩直径为1.8 m，采用钻孔灌注桩施工工艺，桩基施工时需采用泥浆护壁或钢护筒防护，防止塌孔。待灌注混凝土达到设计强度后凿除桩头，桩头采用环切法破除。

由于桩基为钻孔灌注桩，且桩径大于1.5 m，需采用超声法和低应变法对灌注桩完整性和承载力进行检测，检测的数量和方法应符合规范要求。

2.4 浇筑垫层

垫层采用C15混凝土，高度为10 cm，尺寸为承台四周各加宽10 cm。模板可采用10×10 cm方木支设，立钢钎固定。垫层浇筑前，基底应清理干净，不得有杂物。垫层浇筑要均匀、平整，振捣要密实，垫层表面应保持粗糙。

2.5 承台施工

现场按设计图纸对钢筋进行绑扎、焊接，按图纸尺寸分块制作模板，模板支设完成后，及时浇筑承台，承台采用C35混凝土，承台浇筑时留取同条件的试块，当试块强度达到5 MPa时，方可进行模板拆除。

为避免混凝土脱水干裂，承台浇筑后需及时养护，养护方法为洒水养护。终凝前，在承台顶面采用薄膜覆盖养生，养护时间不少于7 d。

2.6 土方回填及灌缝处理

承台及墩柱施工完毕后回填土方，采取分层回填夯实法，严格控制每层回填厚度在20 cm以内，严禁使用淤泥质土或含杂质较多的土。土的含水量宜为最佳含水量±2%。施工采用冲击夯夯实，不得漏夯，基槽边角应增加夯实遍数，以确保回填压实度。

土方回填后进行钢板桩的拔除，采用35 t吊车与振动锤配合进行，钢板桩拔除后及时做灌缝处理，灌缝材料采用水泥净浆，配合比宜为1:0.5，水泥标号不低于42.5。

3 数值计算及结果分析

有限元法被广泛运用于地下结构施工的计算分析，本文采用Midas GTS软件分析施工过程中应力及变形，可以为同类工程提供参考和借鉴。

2.1 数值模型

针对工程设计方案，考虑到现场实际情况，建立二维计算模型，场地计算长度取80 m，高度取为40 m，采用二维平面应变单元，模型中的土体假定为修正摩尔-库伦模型，模型底部设置Y方向位移约束，侧面设置X方向水平约束，数值计算模型如图5所示。

图5 有限元三维模型

2.2 计算参数

依据本工程地质勘察报告并参照地区相关工程经验，地层物理力学参数取值见表1，桥墩与桩基采用平面应变单元模拟，假定支护结构为线弹性模型，结构计算参数见表2。

表1 土层计算参数

表2 结构计算参数

2.3 计算结果

施作大型桥梁结构需开挖基坑，施工过程中应控制围护结构水平位移及地表沉降，从而保证基坑边坡的稳定性。

2.3.1 围护结构变形

围护结构水平位移随深度的变化曲线如图6所示，由图6可知，围护结构水平位移随钢板桩深度的增加而减小，基坑开挖且未施作横撑时，会围护结构顶部产生较大变形，最大值为2.63 mm，支护结构底部，由于土层的嵌固作用，拉森钢板桩水平位移较小。水平位移的主要影响区域约为2倍基坑深度。

图6 围护结构水平位移

2.3.2 地表沉降

根据工程经验可知，地表沉降主要分为两种类型，一种为三角形地表沉降，一种则为槽形沉降。基坑周边土体沉降曲线如图7所示。根据图7可知，地表沉降曲线呈现出先增大后减小的沉降槽，最大沉降位于基坑边约0.6倍基坑深度，最大沉降为1.73 mm。

图7 地表沉降曲线

4 现场实测

为确保施工质量，对施工过程进行了监测，以及时调整设计参数和施工技术。现场对地表沉降及钢板桩水平位移进行了监测，监测频率为1次/天，测点布置见图8。

图8测点布置示意图

图9 为各测点地表沉降实测曲线，图10为钢板桩水平位移实测曲线。

图9 地表沉降实测曲线

图10 围护结构水平位移实测曲线

由图9监测数据可知，随着开挖工况的持续，地表沉降总体呈现增大趋势，最大值出现的时刻为基坑开挖至坑底，地表沉降最大值位于测点1位置，数值为1.69 mm，数值计算表明地表沉降最大值为1.73 mm，与实测值相差不大。

由图10可知，钢板桩水平位移随着开挖工况的进行持续增大，最大水平位移为2.6 mm，为监测点SL1，数值计算结果为2.63 mm，数值计算结果可预测整体的变形趋势，可用于指导工程施工。

5 结语

基于北京市东六环（京哈高速～潞苑北大街）改造工程，对桥梁基坑关键施工工艺进行了总结，通过数值模拟与现场监测的方法对基坑变形进行了研究分析，得出以下结论：

（1）基坑开挖后围护结构水平位移随钢板桩深度的增加而减小，围护结构顶部变形较大，最大为2.63 mm，由于土层的嵌固作用，拉森钢板桩底部位移较小。

（2）地表沉降曲线为先增大后减小的沉降槽，最大沉降位于基坑边约0.6倍基坑深度，最大沉降为1.73 mm。

（3）实际工程中与数值模拟计算结果整体趋势较为一致，数值计算结果与现场实测差异较小，数值计算可以预测整体的变形趋势。

（4）桥梁基坑涉及多个施工工艺和施工步骤，现场施工应符合规范要求，配合施工监测对全过程进行控制，可有效指导现场施工。