深基坑开挖对既有高架桥及市政隧道的影响分析

杨 成

蓝城乐居建设管理集团有限公司，浙江杭州310007

0 引 言

随着城市地下空间日益紧张，部分城市基坑工程往往邻近敏感建（构）筑物、高架桥、市政隧道等，基坑开挖会对周边环境产生较大影响。因此，复杂环境中基坑工程应在设计阶段采用合理的技术措施评估基坑开挖是否会对周边环境产生较大影响。

沈健等［1］采用三维有限元法分析了深基坑开挖对邻近高架桥基础的影响，现场监测数据和数值分析结果基本一致。丁勇春等［2］以上海某紧邻高架桥基础的地铁车站深基坑为背景，采用简化分析、三维数值模拟及现场实测等手段，动态预测基坑围护结构及高架桥基础的变形形态，结合监测结果，采用一系列变形控制措施，保护高架桥基础的安全。高广运等［3］运用FLAC3D 软件对基坑施工进行全过程动态模拟，计算结果与监测数据基本吻合。汪小兵等［4］运用三维有限元模拟等分析手段，预估基坑开挖对紧邻地铁的影响，探讨了减少基坑开挖对既有隧道影响的控制措施。

本文以杭州市某安置房项目地下室基坑工程为例，运用Plaxis 2D 有限元数值模拟软件，采用小应变土体硬化（HSS）模型模拟了基坑施工对邻近市政设施的影响，通过将模拟结果与监测结果进行比较，验证了数值模拟的有效性，对类似工程有参考意义。

1 工程概况

1.1 项目介绍

项目位于杭州市拱墅区香积寺路与上塘路交叉口东南角，规划用地面积23 768 m2，总建筑面积113 022.8 m2，主要由7 幢21～23层高层住宅楼及配套用房组成，全场区设有2 层地下室，地下建筑面积39 342 m2，基础形式为钻孔灌注桩。

项目西侧邻近上塘高架桥，北侧邻近香积寺路隧道。上塘高架桥于2002 年6 月建成，建成后与中河高架桥相接，南起中河立交，北至石祥路，全长7 km。香积寺路隧道东起香积寺路224 号，下穿香积寺路延伸段，西至余杭塘路，长2 650 m，宽25 m。项目基坑围护结构与上塘高架桥、香积寺路隧道最小平面距离分别约20.3、6.9 m，邻近范围长度分别约180、220 m，距离香积寺路隧道管理用房最近处约4.2 m。基坑开挖影响范围按3倍开挖深度计算，上塘高架桥影响范围约157 m，香积寺路隧道影响范围约197 m。基坑平面示意图见图1。

图1 基坑平面示意

1.2 工程地质条件

根据地质勘察报告，基坑影响深度范围内的地基土分布较均匀，主要为填土、粉质黏土、淤泥质黏土、粉质黏土夹粉土以及其以下的强风化凝灰岩等。见表1。地基土工程地质层自上到下分述如下：

表1 土层物理力学指标

①-0 层为杂填土：灰色、杂色，松散—稍密，稍湿—湿。主要由碎块石、混凝土块、砖块混黏性土组成，硬质成分含量30%～70%，多呈棱角状，直径一般100～400 mm，间隙由黏性土、砾、砂组成，含少量生活垃圾；分布有原建筑物条带状旧基础，个别混凝土块径大于1.5 m；表部夹植物根茎。全场分布，层顶标高3.86～5.19 m，层厚1.70～4.70 m。

①-1 层为粉质黏土：灰黄色、灰色，软可塑—软塑。切面较光滑，干强度、韧性中等，无摇震反应，局部具层理，偶夹黏质粉土薄层，含云母碎片，氧化铁斑纹。局部缺失，层 顶 标 高0.27～2.85 m，层 厚0～2.70 m。

②层为淤泥质黏土：灰色，流塑。局部为淤泥，切面光滑、含较多有机质，干强度、韧性较高，无臭味，局部含少量泥炭。全场分布，层顶标高-1.13～1.96 m，层厚5.30～8.70 m。

③-1层为淤泥质粉质黏土：灰色，流塑。具鳞片状构造，切面较光滑、含较多有机质，干强度、韧性高，夹少量腐烂植体和贝壳碎片。全场分布，层顶标高-7.92～-5.67 m，层厚4.70～10.30 m。

③-2层为淤泥质黏土：灰色，流塑。切面光滑、含较多有机质，干强度、韧性较高，夹腐烂植体，无臭味，局部含少量泥炭。全场分布，层顶标高-17.00～-12.32 m，层厚1.30～9.70 m。

④-1层为粉质黏土：灰黄色、灰绿色，硬可塑—软可塑。切面较光滑，厚层状构造，稍有光泽，韧性、干强度较高，含少量铁锰质斑纹。局部缺失，层顶标高-23.09～-13.62 m，层厚0～6.50 m。

④-2层为粉质黏土夹粉土：灰色，软可塑—软塑。切面粗糙，具层理，局部夹粉土薄层，粉土单层厚度5～50 mm，干强度、韧性中等，局部含氧化铁斑点。局部缺失，层顶标高-26.44～-19.22 m，层厚0～7.80 m。

基坑开挖影响深度范围内分布有深厚的淤泥土，基坑坑底基本落于淤泥质黏土层中，该层土呈流塑状，局部为淤泥，切面光滑、含较多有机质，干强度、韧性较高，土力学性质较差。

孔隙潜水主要赋存于场区浅部中等—强透水性人工填土、粉质黏土层内，其余土层为不透水层。地下水分布连续，其富水性和透水性具有各向异性，均一性差，水量小，渗透性低，动态变幅一般在1.0～1.5 m。勘察期间实测潜水位埋深0.60～1.80 m，相当于标高2.94～3.54 m。

孔隙承压水分布于场地中下部⑥-1 粉砂、⑥-2 和⑦含粉质黏土砾砂层中，其上覆黏性土层构成了其承压含水层顶板。⑥-1粉砂、⑥-2 和⑦含粉质黏土砾砂层的承压水对桩基施工影响小，对地基评价影响较小，对基础抗浮，工程降水影响较小。

2 高架桥及市政隧道结构情况

上塘高架桥与本项目正对区间桩基础采用直径1 200 mm钻孔灌注桩，梁高1.5 m，桥面宽约19 m，高架桥具体构造见图2。

图2 高架桥结构断面

本工程正对区间香积寺路隧道围护结构采用800 mm厚地连墙+四道支撑支护形式，其中第一道为钢筋混凝土支撑，其余三道为钢支撑。地连墙长度约41 m，两侧采用直径850 mm、间距600 mm的三轴水泥搅拌桩槽壁加固，三轴水泥搅拌桩桩长约20 m，香积寺路隧道明挖段具体构造见图3。

图3 隧道围护剖面

3 邻近高架桥及市政隧道侧围护方案

基坑邻近上塘高架桥侧采用直径900 mm、间距1 100 mm钻孔灌注桩作为围护桩，基坑邻近香积寺路隧道侧采用直径1 100 mm、间距1 200 mm，直径1 200 mm、间距1 400 mm钻孔灌注桩作为围护桩，其余范围采用直径900 mm、间距1 100～1 200 mm钻孔灌注桩作为支护桩。在排桩墙后采用一排三轴水泥搅拌桩套打形成封闭的止水帷幕。水平受力构件为二道钢筋混凝土水平内支撑；基坑邻近市政设施，以及电梯井邻边部位增设三轴水泥搅拌桩被动区加固；在第一、二道支撑阳角部位增设混凝土加强板以增强支撑整体刚度，典型剖面见图4、图5。

图4 邻近高架桥侧围护剖面

图5 邻近隧道侧围护剖面

4 有限元数值模拟

采用Plaxis 2D有限元数值模拟软件，建立二维有限元模型进行基坑各施工工况对市政设施变形影响的分析。基坑开挖宽度按180 m考虑，此处选取基坑邻近市政设施侧的一半宽度模拟。坑外土体计算范围取不小于3倍的基坑挖深，并考虑到市政设施与基坑的相对位置关系，据此取计算模型尺寸为100～140 m （宽）、50～60 m（深）。在几何模型底部施加完全约束，两侧竖向边界施加滑动约束。基坑施工阶段超载取20 kPa，坑外水头取地表下1.5 m，坑内取开挖面以下0.5 m。土体采用Plaxis 自带的小应变土体硬化（HSS）模型，围护桩、内支撑选用弹性模型，围护桩按照抗弯刚度相等的原则等价为一定厚度的地连墙进行内力分析。围护桩采用板单元模拟；水平支撑采用锚定杆单元模拟。土体物理力学性质参数见表2。

表2 土体HSS模型参数

4.1 高架桥结构变形

根据Plaxis 2D数值模拟分析结果，基坑拆换撑时高架桥结构位移最大，其中最大水平位移约7.34 mm，最大竖向位移约5.55 mm，见表3。邻近高架桥侧土体总位移计算结果见图6。

表3 主要工况下上塘高架桥最大位移

图6 邻近高架桥侧土体总位移云图

4.2 市政隧道结构变形

根据Plaxis 2D数值模拟分析结果，基坑拆换撑时市政隧道结构水平位移最大，约5.65 mm；基坑开挖到底时竖向位移最大，约4.00 mm，见表4。邻近隧道侧土体总位移计算结果见图7。

表4 主要工况下香积寺路隧道最大位移

图7 邻近隧道侧土体总位移云图

基坑施工对西侧高架桥的影响较小，但对北侧香积寺路隧道影响较大，隧道最大变形位于明挖段及4#工作井处，因此围护设计针对基坑北侧邻近香积寺路隧道（尤其是4#工作井）区域增加了被动区加固。经计算，基坑北侧在开挖到底工况下，是否采用被动区加强措施的两种情况下，香积寺路隧道最大位移见表5。

表5 有无被动区加强对香积寺路隧道变形影响对比

由表5计算结果可知，设置被动区后，隧道最大位移计算结果小于无被动区时的结果。

5 基坑及市政隧道变形监测数据

5.1 基坑变形监测数据

通过统计邻近市政隧道一侧的测斜数据，得知北侧基坑开挖到底时深层土体测斜变形最大值约34.44 mm，与有限元模拟结果基本一致。

5.2 高架桥及市政隧道变形监测数据

本项目基坑开挖到底时高架桥变形累计值见表6。本项目基坑开挖到底时市政隧道变形累计值见表7。

表6 高架桥变形实测数据

表7 市政隧道变形实测数据

对比表3和表5的结果，高架桥实测变形值略小于有限元模拟值，对比表4和表6的结果，市政隧道实测变形值略大于有限元模拟值。

6 结 论

本文以杭州市某安置房项目地下室基坑工程为背景，通过Plaxis 2D 有限元计算软件建立了二维模型，模拟了基坑施工对既有高架桥及市政隧道的影响，并结合施工过程中的监测数据进行分析，得出以下结论：

1）本文案例中基坑面积约2.3 万m2，开挖面积大，基坑空间效应差。因此在开挖过程中基坑变形较大，引起既有高架桥及市政隧道的变形量与二维数值模拟结果基本吻合。

2）本工程运用有限元数值模拟软件，模拟了基坑施工对邻近市政设施的影响，对后续施工具有指导作用。根据计算结果，基坑施工对西侧高架桥的影响较小，但对北侧香积寺路隧道影响较大，因此建议围护设计针对基坑北侧邻近香积寺路隧道区域增加被动区加固，以有效控制基坑开挖后的围护墙侧向位移。

3）除了对基坑自身围护结构进行加强，考虑到基坑北侧边长较长，开挖面积较大，为充分利用时空效应，提出了北侧邻边区块应分区跳挖的施工要求，严格规定每层土方的开挖深度及每次的开挖宽度，以减小基坑一次性开挖卸荷的范围。并对挖土至标高后垫层和基础底板施工完成时间进行了严格规定，以缩短坑底暴露时间。现场采纳了上述指导意见后，有效地减小了基坑开挖对北侧市政隧道的影响。