鄰近市政橋梁深基坑隔離樁支護尺寸優化研究

趙雨軍

(中鐵十五局集團城市建設工程有限公司 河南洛陽 471000)

1 引言

伴隨地下軌道交通的迅速發展，城市地鐵車站施工往往需要解決深大基坑引發周圍敏感構筑物不均勻沉降的問題[1-3]。地鐵深基坑施工，由于施工環境復雜，在支護結構尺寸設計不合理情況下，極有可能造成周圍構筑物開裂損壞甚至倒塌。因此，深基坑施工時，優化支護結構尺寸具有重要理論和工程價值。

基坑開挖對鄰近構筑物影響研究已有較多案例，大量學者針對基坑支護變形特征及相應控制措施進行了研究。韓愛民等[4]研究軟土地區基坑開挖對群樁的影響，結果表明，樁基內力分布形式受土體及周圍樁基的影響。劉燕等[5]研究基坑周邊土體位移與開挖深度、排樁間距之間的關系，推導了支護結構變形解析解。楊敏[6]通過建立數值模型，研究基坑開挖引發的樁基響應，結果表明，隔離樁可有效減小墻后土體位移，從而減小附加彎矩。杜金龍等[7-9]以軟土地區基坑施工為研究對象，分析了其對鄰近構筑物的影響，并提出相應本構計算模型。章榮軍[10]以武漢地鐵項目為依托，分析了降水對鄰近樁基的影響。

本文依托南京地鐵7號線鄰近深基坑開挖工程，提出深基坑隔離樁支護形式。采用數值模擬研究橋樁的力學響應以對支護結構進行優化分析，獲取最優隔離樁樁徑尺寸及其力學特性，并采用數值模擬、理論分析和現場監測方法驗證隔離樁支護效果。

2 工程概況

2.1 地質概況

南京地鐵7號線深基坑處于長江階地地區，主要地層分布為素填土、粉質黏土、風化巖，地層分布及特征如表1所示。車站結構底板處于強風化砂巖，場區穩定水位為2.3～4.2 m。

2.2 橋梁和深基坑概況

深基坑位于市政高架橋梁下方，基坑長210 m，寬度為20 m，設計深度22 m。市政橋梁為鋼箱梁橋，橋墩高9.5 m，承臺尺寸為5.5 m×5.5 m，橋梁基礎為4根直徑1.0 m、長34 m的樁基，混凝土設計等級為C30?；舆吘壘鄻蛄合虏拷Y構最近處為8.60 m，如圖1所示。

2.3 基坑支護形式

工程場地局部土體物理力學性質較差，且場地范圍內多有分布承壓水且水頭較高，基坑邊緣距離樁基最近處為8.60 m。由于高架橋處于要道，無法中斷交通，且對沉降控制要求較高。

為減小基坑開挖對鄰近橋梁的不利影響，采用在基坑與橋樁間施作隔離樁方案。隔離樁采用?1 000鉆孔樁，搭接長度300 mm，排樁穿過黏土層打入強風化巖，發揮止水作用。深基坑支護結構選用連續墻＋內支撐體系，地連墻厚度為1.0 m，基坑采用明挖法施工，分6次開挖，支護結構材料及尺寸如表2所示。

表2 支護結構類型及尺寸

3 有限元模型

3.1 物理力學參數

為確定最優隔離樁樁徑，采用數值分析方法研究隔離樁對橋樁力學特性的影響。根據地勘報告，土體物理力學參數如表3所示，支護結構物理力學參數如表4所示。

表3 土體物理力學參數

表4 支護結構計算參數

3.2 模型建立

圖2為基坑開挖三維數值模型，為考慮邊界效應，場地長350 m、寬170 m，土層深度為70 m?；娱L210 m、寬度20 m，設計深度為22 m。隔離樁、地連墻等效厚度為1.0 m。模型底部設置豎向約束，側面設置水平約束，水壓力以節點水頭荷載施加?；又苓叞礋o超載考慮。為了較好模擬基坑土體開挖過程，考慮土體的雙硬化，采用修正摩爾-庫倫模型。土體采用混合單元網格，地連墻與隔離樁根據抗彎剛度等效原則，簡化為板單元，圍檁、混凝土支撐、鋼支撐采用梁單元模擬。

根據現場施工順序，擬定模型各施工階段對應工況。開挖及支護施工采用生死單元模擬，具體施工工序見表5。

表5 開挖工況模擬

4 結果與討論

4.1 隔離樁樁徑對橋樁力學特性影響

圖3為不同隔離樁樁徑下橋樁水平位移和彎矩與深度關系?？紤]隔離樁樁徑分別為0.0 m、0.5 m和1.0 m工況，其中0.0 m表示不設置隔離樁。由圖3a可知，隨深度增加，橋樁水平位移先增加后減小，呈曲線分布；隨著隔離樁樁徑增加，橋樁樁身水平位移減??；隔離樁樁徑為0.0 m時，橋樁水平位移顯著增大，說明不設置隔離樁時橋樁水平位移會顯著增加，影響橋墩安全性；當隔離樁樁徑大于0.5 m時，水平位移增加不顯著；橋樁最大水平位移位于-14.0 m標高處。隔離樁樁徑分別為0.0 m、0.5 m和1.0 m時，橋樁最大水平位移分別為13.1 mm、8.6 mm和8.3 mm，施作隔離樁后，最大水平位移值減小約37%，說明施作隔離樁可有效降低鄰近橋樁水平位移。

由圖3b可知，隨著深度增加，橋樁彎矩呈S型分布；隨隔離樁樁徑增加，橋樁樁身彎矩減??；隔離樁樁徑為0.0 m時，橋樁彎矩顯著增大，說明不設置隔離樁橋樁彎矩會顯著增加，影響橋墩安全性；當隔離樁樁徑大于0.5 m時，橋樁彎矩未有顯著改變；橋樁正負彎矩反彎點一致，位于-22.0 m標高處。隔離樁樁徑分別為0.0 m、0.5 m和1.0 m時，橋樁最大正彎矩分別為211.3 kN·m、147.9 kN·m和140.9 kN·m，最大負彎矩分別為 389.5 kN·m、272.6 kN·m 和259.7 kN·m。施作隔離樁后，最大正、負彎矩值分別減小約33%，這是因為隔離樁可有效減少土體開挖引起的橫向水平推力，說明施作隔離樁可有效降低橋樁彎矩。

4.2 不同工況對橋樁力學特性影響

圖4為不同工況下橋樁水平位移和彎矩與深度關系。由于基坑開挖，支護結構在土壓力作用下發生形變，導致鄰近樁基受力狀態改變。由圖4a可知，隨著深度增加，橋樁水平位移先增加后減小，呈曲線分布；隨基坑開挖，樁身水平位移先迅速后緩慢增加，這是因為軟土層開挖與降水共同作用，樁基對土體開挖更為敏感，導致工況3和4下橋樁的水平位移出現顯著增長。在工況8結束后，基坑開挖完成，鄰近橋樁水平位移相較于工況3顯著增長，橋樁最終水平位移為8.2 mm。

由圖4b可知，隨深度增加，橋樁彎矩呈S型分布；隨基坑開挖，橋樁樁身彎矩先迅速后緩慢增加，這是因為軟土層開挖與降水共同作用，樁基對土體開挖更為敏感，導致工況3和4下橋樁彎矩出現顯著增長；橋樁最大彎矩值接近樁身下部位置，說明基坑開挖對橋樁彎矩影響顯著，這是因為基坑開挖引發土體水平位移使橋樁受彎效應明顯；工況3～5，橋樁彎矩增長較快，為偏壓構件；進入工況6后，橋樁彎矩增長速率降低，這是因為基坑開挖進入風化巖層后土體應力釋放較小。

4.3 理論值和模擬結果對比

由于樁端入巖，橋樁可簡化為下端固定、上端鉸支、長度為l的受壓細長桿，且在鉸接端承受軸向壓力[11-12]，如圖5所示。

當橋樁軸向壓力達到臨界力Fcr時，壓桿處于臨界失穩狀態?？紤]上端支撐處的水平反力Fy，壓桿上任意截面上彎矩為:

將橋樁彎矩代入撓曲方程，并令k2＝Fcr/EI，可得:

根據微分方程及邊界條件可得:

因橋樁在臨界狀態時，Fy≠0，可得kl≈4.49。

進而可得橋樁撓曲線方程:

將橋梁荷載代入式(4)得到橋樁最大水平位移為10.2 mm。數值模擬中，橋樁最終水平位移為8.2 mm。理論計算值大于數值模擬值，這是因為數值模擬中地連墻對橋樁水平位移具有阻礙作用。

4.4 墩頂實測水平位移

在鄰近基坑的4個墩柱頂部布設測點，從開挖到基坑開挖后半年內進行持續監測，測點布置如圖6所示。

由圖7可知，隨基坑開挖深度增加，墩頂水平位移迅速增加，這是因為基坑內側土體對隔離樁支撐作用逐漸減弱，橋墩水平位移增加明顯；開挖完成后，隨著監測天數增加，墩頂水平位移緩慢增加，當監測天數達到100 d后，墩頂水平位移迅速增加，然后緩慢增加趨于平穩，這是因為基坑開挖完成后，基坑周圍土體進行內力重分布，墩頂水平位移迅速增加，當內力重分布趨于穩定后，墩頂水平位移逐漸收斂；測點3水平位移大于測點2，這是因為內支撐間距較大，支護剛度較弱，部分施工開挖引起橋墩側向位移；墩頂4個測點中最大水平位移為4.1 mm，說明隔離樁支護有效阻止了橋樁水平位移。

5 結論

鄰近橋梁地鐵深基坑施工，會對橋梁結構產生不利影響。本文提出采用深基坑隔離樁支護，采用數值模擬研究橋樁的力學響應并對支護結構進行優化分析，獲取最優隔離樁樁徑尺寸及其力學特性，并以南京地鐵項目為依托，采用數值模擬、理論分析和現場監測進行驗證。

(1)隨隔離樁樁徑增加，橋樁水平位移和彎矩均減小，施作隔離樁后，水平位移和彎矩分別減小37%和33%。

(2)隔離樁樁徑大于0.5 m時，可有效阻止橋樁變形，滿足施工要求。

(3)現場監測表明，隔離樁可有效阻止橋樁水平位移，是一種有效的鄰近橋梁深基坑支護方式。