海上堰筑隧道施工对临近桥梁影响研究

饶立恒，崔佳杰，周世轩，莫山峰，杜 贺

(1.深圳市交通公用设施建设中心建设管理部,广东 深圳 518000; 2.深圳市市政设计研究院,广东 深圳 518000; 3.大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司,辽宁 大连 116024; 4.大连理工大学建设工程学部,辽宁 大连 116024)

0 引言

随着经济发展和城市化水平提高,我国的土木工程又有了新一轮的发展,伴随着人口的不断增长,我们可利用的地面空间越来越少,无法满足人们对建筑及交通设施的需求,各类基础设施建设逐渐向地域延伸,地上建筑物更高大,地下结构更深远,从而达到节省空间的目的。地下道路与地上道路交叉并行,基坑与高层建筑和桥梁的桩基础相邻的现象随之出现。例如北京财源国际中心,基坑北侧距居民楼仅3.36 m,西侧距24层的丽晶苑6.9 m,基坑开挖深度为24.86 m～26.56 m。北京银泰中心距离北侧地铁基坑围护墙仅1.95 m～2.13 m,开挖最深部位22.95 m。青岛市地铁8号线市民健身站,车站标准段基坑南邻高新一号桥,桥台距离基坑约5.73 m[1]。桩基础受到基坑开挖时土体位移不同程度的扰动产生纵向不均匀沉降,对桥梁上部结构安全造成威胁,引发路面结构下沉、地下管线破坏等不利现象,基坑工程为邻近建筑物带来的破坏及损失受到人们广泛关注。

国外学者在20世纪中叶已对深基坑变形问题进行了大量的研究,并取得了一定成果,当土地利用率逐渐增大,越来越多的下穿工程出现和建筑密度增大的情况普遍存在,基坑变形对邻近既有桥桩的影响研究也随之逐渐增多。C.J.Lee与S.W.Jacobsz[2]通过数值模拟研究了在风化残积土中施工隧道对既有桩基的影响,考虑了桩与隧道的位置对桩基性状的影响。H.G.Poulos等[3]人采用两阶段分析法研究了黏性土中各参数对桩身响应的影响及开挖引起桩侧移过程的支护开挖方法。J.L.Pan等[4]研究单桩在侧向土运动下的性能,确定沿桩身作用的极限土压力及内力位移变化特征,证明了桩基在桩土相互作用的影响下,桩基的响应与桩本身结构材料性质有很大关系。陈福全等[5]运用有限元软件模拟了在不同开挖深度、不同桩基和支护桩刚度、桩基与开挖面距离、桩长等因素对单、双排桩水平位移和附加弯矩的影响规律。毕继红等[6]对某群桩高速铁路附近基坑建立了三维和二维有限元模型,比较了各自的优、劣势,表明基坑开挖竖向位移与规范要求相差甚远,可用二维模型简化计算,简化了某些问题的分析过程。杨敏等[7]研究刚性桩在土体卸载后回弹产生侧摩阻力的分布,分析了桩的位移、桩径、桩长、开挖深度等因素间的相互影响关系,对匀质土中开挖引起的立柱回弹位移提出一种新的估算方法。

在以往的研究中,专门针对海上钢板桩围堰法隧道施工对连续小箱梁安全性影响方面缺少相应的研究,因此本文结合工程实际开展海上钢板桩围堰明挖隧道施工对临近连续小箱梁桥影响的研究,给出此类工程的研究思路以供参考。

1 项目背景

本文以某地区沿江高速为工程背景,规划中的海滨大道毗邻现状沿江高速,海滨大道全线分为海域隧道段、路域隧道段、地面道路以及远期高架桥。

根据海域段隧道的平面与纵断面设计方案,第一典型断面T-1位于K2+100里程处,该断面临近沿江高速第Ⅳ标段第14联桥64号桥墩。该断面地处海岸线,需考虑渗流。该处为海域段隧道距离沿江高速距离最近的位置,隧道边缘距离沿江高速内侧桥桩约为32 m,开挖深度15 m,该位置开挖段存在淤泥等软弱地层,且淤泥层厚达5 m,地质条件不佳。

综合比较土石围堰明挖法和双排钢板桩围堰明挖法在对沿江高速的影响、清淤与土石方堆填量、围堰堆载清淤影响、施工难度与风险、工程造价等方面的优劣,双排钢板桩具备较明显的优势,因此本项目基坑开挖采用双排钢板桩围堰明挖法施工。

本文将以该工程典型断面T-1为例,如图1所示,对该断面对应的隧道基坑开挖过程展开分析研究,并对既有的广深沿江高速第Ⅳ标段第14联桥(5×30 m简支变连续预制小箱梁)变位安全性进行评价分析。

广深沿江高速第Ⅳ标段第14联桥为5 m×30 m简支变连续预制小箱梁,桥宽19.85 m,下部结构是由盖梁、桥墩、承台、桩基组成的框架体系,桥墩采用变截面形式,墩顶截面横桥向宽2.3 m,顺桥向宽1.5 m,自墩顶向下4 m范围内,通过半径10.4 m的圆曲线均匀过渡为横桥向宽1.5 m,顺桥向宽1.5 m的矩形截面。横断面布置图如图2所示。

2 原桥安全验算

根据已知设计资料,采用Midas civil有限元软件,利用梁格法建立沿江高速第14联桥梁上、下部结构三维整体模型,承台用有厚度的板单元,其余结构均用梁单元模拟,5×30 m小箱梁连续梁桥有限元模型如图3所示,有限元模型共2 689个单元,2 558个节点。对沿江高速第Ⅳ标段第14联的原桥受力性能分析结果,如图3所示。

由表1可知,经验算桥梁上部结构应力及承载能力均满足规范对A类预应力混凝土的规定限值,但主拉应力即将达到规范限值,确定主梁受力控制指标为主拉应力。

表1 原桥受力性能评价表

3 海上钢板桩围堰明挖隧道施工对临近连续小箱梁桥的影响

3.1 地层信息

在邻近沿江高速第Ⅳ标段第14联K2+100里程处,地处海岸线需考虑海水渗流过程的影响。该处基坑边缘与沿江高速第14联的6排桥桩间距离逐渐变化,最近处约为32 m,最远处约为83 m,基坑开挖深度15 m,该位置开挖段存在淤泥等软弱地层,且淤泥层厚达5 m。本工程沿线分布着第四系覆盖层,土层分布主要有以下几种:淤泥层,黏土层,砾砂层,砂质黏性土层,全风化混合花岗岩层以及中风化混合花岗岩层,土层参数如表2所示。

表2 土层参数信息表

3.2 隧道施工方法及支护形式

海域段隧道采用双排钢板桩围堰明挖法进行施工。采取分段分仓围堰开挖施工方式,总计分为5仓进行施工,围堰填筑采取两岸双端头相向填筑施工。施工过程为首先施工钢板桩围堰形成封闭结构,围堰内抽水形成干作业面,施工地连墙后再分区段进行基坑开挖支护浇筑隧道结构。

双排钢板桩之间采用吹填砂进行填筑。堰顶高程3.82 m,中间填砂顶高程3.62 m,外侧钢板桩高程4.32 m,内侧钢板桩高程3.82 m。围堰外海侧钢板桩桩长18.0 m,内侧钢板桩桩长按照穿透砂层2 m设计,两排钢桩间距8 m,1.4 m高程处设置拉杆连接两排钢板桩,双排钢板桩间采用吹填砂工艺填筑至3.82 m高程。为防止越浪对内侧填土产生破坏,在堰顶设置20 cm厚碎石层。基坑所在地层赋存薄厚不均的淤泥层、砂层,且长区段临近沿江高速桩基础,基坑安全等级需求高,因此采用整体刚度较大,止水效果好的地下连续墙。地下连续墙厚度为1.0 m。基坑支护结构采用地下连续墙+内支撑型式,基坑断面中间设置立柱。第一道混凝土支撑位于标高-6.9 m处,第二道混凝土支撑位于标高-11.9 m处,支撑尺寸均为1.0 m×1.0 m(高×宽),间距为9.0 m。

3.3 有限元模拟

采用Midas/GTS NX建立三维数值模型,假设所有材料均为各向同性,土体材料服从Mohr-Coulonb破坏准则,混凝土和钢支撑等均为线弹性材料,不考虑开挖中时间空间效应。根据圣维南原理选取模型尺寸长260 m,宽190 m,深80 m,基坑宽90 m,开挖深度15 m,邻近沿江高速的桥梁桩基距基坑长度各不相同,桩基长度23 m～36 m不等,桩基直径1.6 m,承台长9.2 m,宽6.3 m,高2.5 m。土体和承台用3D实体单元模拟,桥梁桩基均为嵌岩桩,相对于土的位移非常小,滑移效果不明显,采用梁单元模拟,混凝土支撑、钢支撑、立柱用梁单元模拟,地连墙采用板单元更能接近实际情况。立柱采用双拼I45,钢围檩φ609 mm壁厚16 mm钢管,钢板桩是采用拉森式SP-Ⅳ型钢板桩,相关参数如表3所示。

表3 拉森式SP-IV型钢板桩材料指标

模型通过激活和钝化网格模拟土体开挖过程,结合实际开挖过程,如表4所示,模型共分12个工况进行分析。

表4 模型施工工况

有限元整体模型及支护结构如图4,图5所示,桥梁承台埋于地下,图示结构隐去第一层土显示。

3.4 基坑开挖引起桥桩变位分析结果

支护结构位移见图6,由图6可知,随着开挖深度增加,土体变形也逐渐增大,对临近的桥桩及支护结构的影响增大,围护结构受基坑外侧土压力影响产生水平变形,向基坑内部移动,且靠近桥桩一侧的围护结构水平位移较大,最大位移位于地连墙顶部侧移值7.12 mm,与基坑变形理论相符。

如图6—图8所示,桩基随土体的松动发生水平及竖向位移,在三次开挖降水工况过程中,桩基沉降值随之增大。整联桥范围内承台最大差异沉降值为0.8 mm,满足设计规范对承台间最大差异沉降不超过5 mm的限值。桥梁桩基整体上与基坑方向斜交,承台和桩基距离基坑边缘的远近不同,因此基坑工程对其影响程度也不同。经计算分析,距离基坑边缘近的桥桩位移变化特征明显,图9,图10为距离基坑最近的桥桩经三次开挖步后的位移变化。

桩基最大沉降值为桩顶处-3.30 mm,最小沉降值位于桩底-1.35 mm,三次开挖后,桩基的沉降值变化幅度较小且趋势相同,嵌岩桩桩底全部嵌入了坚硬的花岗岩内,土体弹性模量明显大于其他土层,对桩基竖向沉降起到很好的约束作用,桩基嵌入花岗岩深度较大的位置对桩基沉降的控制效果相对更加明显,在桩埋深20 m至桩底的位置,几乎不再受开挖影响。根据沉降结果计算得到,桥下桩基由于不均匀沉降造成最大倾斜度为0.000 039 9,可以预测桩基不均匀沉降较大时将引起桥墩倾斜,对上部结构产生不利影响。

3.5 地基变位后小箱梁安全评价

考虑基坑开挖降水过程对临近桥桩的影响,将其过程产生的不均匀沉降与侧移,通过施加强制位移方式,加于桥梁桩基每一个对应位置,对地基变位后的桥梁情况进行安全评价,以针对提出桥梁加固方式或应急预案。在桥梁模型中,桩周土的约束情况采用我国JTG D63—2007公路桥涵地基与基础设计规范中“m法”计算[8-9]。地基土水平抗力系数的比例系数m,在不满足实验条件下可参照规范经验值确定,地基系数C=mz,与土体深度成正比,再由其计算得到土弹簧水平刚度,以此种方式确定土弹簧刚度方法简单,结果偏安全,在国内外工程界均得到广泛应用,将计算得到的土弹簧刚度通过节点弹性支撑,施加在对应深度的桥桩上。

开挖过程导致桩基产生变位后,按其变位影响对主梁模型安全验算结果如表5所示。

表5 桥梁评价指标验算表

受开挖影响后的桩基承载力按照以下公式验算:

(1)

选取最“危险”的桥桩进行验算,结果如图11所示。

参数计算D=1.80m,桩直径Ap=2.54m2,桩底横截面面积U=5.65m,桩周长L=24.00m,桩长桩端端阻力部分计算c1=0.50端阻发挥系数frk=28 500kPa,桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值折减系数0.75中风化层作为持力层,c1,c2折减系数桩端端阻力合计=27 196.44kN入岩部分的侧阻力计算入岩岩层参数岩层数岩层厚度hi/m各岩层桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值frki/kPa侧阻发挥系数C2i岩层一2.0028 5000.04入岩部分桩侧阻力合计=9 669.84 kN土层部分的侧阻力计算地基土参数土层数土层厚度Li/m桩侧第i层侧阻力标准值qik/kPa土层一8.0510.00土层二4.3040.00土层三1.5060.00土层四2.6055.00土层五3.4070.00土层六2.15150.00ξs=0.50土的侧阻力发挥系数桩侧摩阻力合计=356.96kN合计[Ra]=37 223.25kN,承载力容许值单桩桩底竖向力计算值6 512.25kN结果合格

由表5可知,原桥验算考虑5 mm地基不均匀沉降,受开挖影响后模型考虑自重、车辆效应的同时考虑温度、基础变位,裂缝对结构抗力的折减影响,得到主梁截面的安全储备系数值,经验算安全储备系数最小值为1.27,表明在基坑开挖完成后,主梁结构仍具有足够的安全储备。但正常使用极限状态下主拉应力值将达到A类部分预应力混凝土结构限值,主梁斜截面抗裂性能较差,需加强对裂缝宽度扩展情况的关注。表6的验算结果表明,桥梁桩基承载力容许值远远大于桩底竖向力计算值,安全储备较大。

4 控制基坑临近桥桩变形的加固应急预案

既有沿江高速桥梁已投入使用多年,自身已产生一定沉降,开挖模拟结果存在不确定性,现实中水的渗流情况与模拟过程会存在差异,因此仍需加强现场位移监测,以实际变位影响为基础,对突发及危险情况及时采取加固措施修复。施工过程中,当基坑及桥桩的监测位移沉降值达到预警值,且经现场评定位移变形处于不利状态,应及时采取应急预案,调整施工方式或对其采取合理加固措施。结合本工程实际,提出加固应急预案如下:

1)当支护结构变形过大不足以充分发挥作用时:

a.可在原基础上增设斜撑提高稳定性,防止基坑变形坍塌。b.在围护挡墙内侧,设置膜袋砂,加强挡墙支护作用。

2)若基坑变形过大,产生向基坑内滑动趋势,应及时用砂回填坑脚,防止基坑滑动坍塌,待趋势稳定后再对基坑妥善处理。

3)随着基坑内开挖降水,基坑内外形成水头差,基坑外的水不断向基坑内渗流,当坑底发生涌水,将提前备好的填满砂袋的钢丝网兜投入涌水处,防止淹没基坑无法控制,待回压稳定后再对基坑处理。

4)在开挖底层下方土体土质较差的工程中,可通过对底层土体灌注混凝土浆液形成底板,既可限制坑底土体隆起,又可有效防止坑下水渗流造成的涌水现象。

5)加强监测,当发现基坑出现超过预警值的变形后,依开挖断面具体情况,启动被动支撑、主动支撑预案,坚决杜绝临近桥墩发生超规范的倾斜和开裂。

6)实时关注小箱梁的主拉应力,一旦发现有超限趋势,启动上部结构加固预案,及时增设体外预应力,保证小箱梁的受力及耐久性。

5 结论及建议

本文提出了类似工程项目的前期分析模式,即首先对原桥进行分析,掌握原桥上部及下部结构的安全状况及安全储备情况,其次,采用合适的方法模拟基坑开挖过程,分析基坑开挖对土体及桩基引起的变位,在此基础上分析原桥叠加基坑开挖变位的安全储备情况,最后结合实际工程情况给出预警及加固建议。

在本项目中,采用了合理布设围护结构,基坑开挖过程虽然使临近桥梁的桩基产生附加力和位移,但影响可控且不会造成桥梁上部结构的严重损坏或安全威胁;桩基发生倾斜和沉降,承载能力结果仍满足要求。通过分析小箱梁的斜截面抗裂性能较差,基坑开挖后将达到A类预应力混凝土构件限值,因需加强关注,必要时采取有效加固措施修复。结合本项目实际情况,本文提出了地基及桥梁的加固应急预案,以期为同类工程提供借鉴经验。