新建航道基坑下穿高铁桥梁对邻近桥墩的影响分析*

李晓龙

(上海东华地方铁路开发有限公司, 200071, 上海)

随着长三角地区经济的高速发展,航道运量快速增长但航道通过能力却严重不足。为了缓解该矛盾,国家加快建设长江三角洲地区高等级航道网。在高铁分布较为密集的长三角地区,航道下穿高铁已成为网络化交通的必然结果。然而,航道基坑开挖卸载势必会引起周边土体产生位移,进而影响高铁桥梁等邻近建构筑物[1]。如何确保在航道施工期间高铁线路的运营安全是一个亟待解决的问题。

文献[2]运用有限元软件,分析邻近桥梁桩基的基坑开挖对既有结构的影响。文献[3]以深圳地铁 12 号线和平站主体基坑下穿穗莞深城际铁路高架为项目依托,通过有限元模型,分析了无加固、隔离桩加固、旋喷桩土体加固以及结合隔离桩与旋喷桩土体加固等4种保护措施对既有结构的保护效果。而针对下穿高铁桥梁的航道基坑施工,国内外学者在航道基坑开挖对既有结构的影响方面却鲜有研究。

本文以京杭大运河三级航道整治工程新建航道基坑下穿沪昆高铁工程为例,制定下穿段的抗扰动加固方案,并基于该工程建立三维有限元模型,针对不同施工阶段模拟分析土体和桥墩的变形规律,最后基于监测的实测数据分析支护结构和桥墩变形特征,验证加固方案的可行性。

1 工程概况

京杭大运河(浙江段)三级航道整治工程在杭州与嘉兴的边界附近下穿沪杭高铁桥,设计新建三级航道采用复式梯形断面,顶面宽 60 m,下底宽 45 m,下穿沪昆高速铁路桥孔段航道开挖深度约 7 m。高铁桥梁为 48 m+80 m+48 m 三跨连续梁,无砟轨道,设计速度为350 km/h。高铁线路和京杭运河航道夹角为72°,航道基坑开挖边界距高铁桥墩的最小距离不足 3 m。受影响桥墩为中墩 232#和233#两个桥墩,桥墩横截面为圆端形,桥墩高度为19.5 m,墩底尺寸为 4.5 m(顺桥向)×9.0 m(横桥向),承台尺寸为14.3 m×14.3 m×3.5 m。每个桥墩下设16根桩基,桩径为1.5 m,桩长为 67 m。根据现场地质勘查报告,场地土层主要为粉质黏土和淤泥质黏土,地下水位埋深为1.1～4.9 m。表1 为该场地土体的主要物理力学参数。

表1 土体物理力学参数

为保护既有高铁线路,该基坑拟采用多排钻孔桩+斜撑进行加固处理。其中多排钻孔桩布置在沪昆高速铁路两侧各 45 m 范围内,共设置 6 排直径1.2 m(桩间距1.4 m)钻孔桩,232#和233#桥墩之间4排钻孔桩深度为28 m,桥墩外侧2排钻孔桩深度为30 m。根据钻孔桩的位置,将该基坑分为两侧斜撑基坑(基坑A和基坑B)、中部基坑(基坑C和基坑D)和航道基坑(基坑E),如图1所示。除基坑E之外其余基坑钻孔桩采用 1.0 m×1.0 m、水平间距6.0 m 钢筋混凝土横撑连接形成整体。基坑A和基坑B所在钻孔桩采用1.0 m×1.0 m、水平间距 6.0 m、坡率 1∶4 斜撑进行加固,并且连接基坑C和基坑D外侧钻孔桩形成永久支护结构。基坑C和基坑D竖向设置2道横撑,间距3 m,同时采用长度 10 m的水泥搅拌桩进行地基加固。航道基坑(基坑E)设置1.0 m×1.0 m、水平间距不大于15.0 m钢筋混凝土纵横锚梁,并利用斜锚梁形成“米”字形格构。在基坑C、D和E底部设置1.5 m厚钢筋混凝土底板,在紧贴航道边线设置防撞墙,墙底采用长 15 m、直径1 m 桩基础。河底采用0.4 m厚混凝土铺砌,两端设置垂裙,如图2所示。

图1 工程平面图

单位:m

2 数值模拟与结果分析

2.1 有限元模型的建立

使用PLAXIS 3D 有限元软件,对该新建航道基坑施工进行有限元模拟。为减小边界效应,模型的尺寸应选取基坑围护结构尺寸的3～5倍,因此有限元模型尺寸为300 m×150 m×100 m(顺桥向×横桥向×深度)。根据施工计划,将该有限元模型分为10个工况进行计算,分别为:围护结构施工;横撑施工;承台上方土体开挖;斜撑施工;基坑C、基坑D开挖到4 m深;基坑C、基坑D架设第二道横撑并开挖至坑底;基坑C、基坑D底板施工;航道基坑E开挖;拆除横撑,截断围护桩至设计高程,铺砌河床;河道通水。

2.2 数值结果分析

2.2.1 桥墩竖向位移

上述各工况下桥墩累计竖向位移如图3所示。其中,233#和232#桥墩墩顶和承台的竖向位移几乎完全相同,同时两桥墩竖向位移趋势一致,都为先下沉后上浮。在围护结构施工(工况1)期间,由于桥墩侧向土压力的释放,导致桥墩产生一定的沉降变形。承台上方土体开挖(工况3)期间释放承台顶原有土压力,造成桥墩上浮,其后基坑开挖工况由于不在桥墩正上方,并且有钻孔桩的存在,对桥墩竖向变形影响较小。在工况 8下,桥墩竖向累计上浮位移达到最大值,232#桥墩竖向位移最大值为0.82 mm,233#桥墩竖向位移最大值为0.74 mm。

图3 各工况下桥墩累计竖向位移

2.2.2 桥墩水平位移

各工况下桥墩的累计水平变形如图4所示。由图4可知,233#和232#两个桥墩整体向基坑侧倾斜,并且随着基坑的施工,顺桥向水平位移逐渐增大,在航道通水(工况10)之后,在水侧压力作用下,桥墩水平位移有所减小。对比桥墩墩顶和承台的数据发现,墩顶水平变形大于承台,原因是桥墩较高,且桥墩本身刚度较大,对基础变形敏感。桥墩的顺桥向水平位移要远大于横桥向水平位移。

图4 各工况下桥墩累计水平位移

3 现场监测与数据分析

3.1 监测方案

为保证航道基坑施工过程中高铁线路的安全,同时验证加固方案的实际效果,对航道基坑支护结构和既有桥墩进行现场监测,其中:钻孔桩深层水平位移监测点21个(CX1—CX21),桩顶水平位移监测点36个(QD1—QD36),既有桥墩沉降监测点和水平位移监测点4个(Q233-1、Q233-2、Q232-1和Q232-2)。上述监测点布置如图5所示。高速铁路桥桥墩沉降和水平位移限值为2 mm。桩深层水平位移限值为32 mm,围护桩顶部水平位移限值为14 mm[4]。

图5 监测点位平面布置图

3.2 实测数据分析

3.2.1 有限元模型验证

为证明本文所建立有限元模型的准确性,选取CX18测点的深层水平位移最大值进行对比,结果如图6所示。由图6可知,实测值与有限元模型计算结果较为吻合,证明了数值模型的准确性。

图6 CX18测点深层水平位移

3.2.2 钻孔桩深层水平位移

钻孔桩深层土体水平位移最大值时程曲线如图7所示。由图7可见,钻孔桩深层土体水平位移随着基坑的开挖先增大后减小,最大值出现在施作基坑C和D时间段内。对比不同测斜点的数据可以看出,钻孔桩越靠近高铁桥墩水平变形越大,同时外侧钻孔桩的水平位移要大于内侧钻孔桩的,这是因为在基坑B外侧的钻孔桩始终受到墙后土压力的作用,而内侧基坑钻孔桩在基坑E开挖完成后,不再受到土压力的作用。由图7可知,钻孔桩的最大水平位移为6.88 mm,小于规范限值(32 mm)[4],证明施工期间,钻孔桩的深层水平位移在安全范围内。

图7 深层水平位移最大值时程曲线

3.2.3 钻孔桩顶部水平位移

由于左侧基坑A、C和右侧基坑B、D所在的桩顶水平位移变形规律大致相同,选取基坑B和D中的数据进行分析。桩顶水平位移的时程曲线如图8所示。由图8可见:基坑B的外侧钻孔桩在开挖期间顶部水平位移快速增长,之后趋于稳定;内侧钻孔桩桩顶水平变形随着基坑开挖不断增大,并且在基坑E开挖期间,其水平位移快速增大,明显大于外侧钻孔桩的。由图8可知,桩顶水平位移最大值为1.4 mm,小于规范限值要求(14 mm)[5],证明基坑施工期间桩顶部变形在安全范围内。

图8 桩顶水平位移时程曲线

3.2.4 高铁桥墩位移

高铁桥墩各个监测点累计变形的最大值如表2所示。由表2可见,桥墩累计沉降和累计水平位移均小于规范要求限值(2 mm)[4],证明该加固方案可有效保护既有结构,确保基坑施工期间沪昆高铁的运营安全。

表2 桥墩累计位移量最大值

4 结论

1) 航道基坑下穿高铁桥梁施工引起的桥墩变形主要是顺桥向水平位移,横桥向水平位移和竖向位移较小,因此应适当增加顺桥向整体刚度,以减小桥墩顺桥向变形。

2) 在基坑施工期间,钻孔桩变形呈现先增大后减小的趋势,最大值出现在中部基坑(基坑C和基坑D)开挖期间。钻孔桩越靠近高铁桥墩水平变形越大,同时外侧钻孔桩的水平位移要大于内侧钻孔桩。

3) 采用本文提出的多排钻孔桩+斜撑的加固方案后,基坑施工期间桥墩竖向位移和水平位移均小于2 mm限值的要求,证明该加固方案能够有效控制既有高铁桥墩的变形,满足高铁安全运营的要求。