◎劉進(jìn) 中交二航局第一工程有限公司 王凱 武漢市江岸區(qū)建筑管理站 熊偉 中交二航局第一工程有限公司

1.概述

隨著地下暗挖工程技術(shù)的進(jìn)步，頂管在市政工程中得到極大的推廣。但由于受城市復(fù)雜的空間和地下條件限制，頂管接收與始發(fā)的工作井往往鄰近既有構(gòu)筑物。針對(duì)基坑對(duì)周圍土體的擾動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，并制定控制措施，可為減小基坑施工對(duì)構(gòu)筑物的不利影響提供重要依據(jù)。

本文依托趙家條220千伏電力通道土建工程（以下簡(jiǎn)稱本工程）頂管井基坑工程，研究頂管井深基坑各施工階段對(duì)武漢長江二橋黃浦立交橋（Z1匝道橋）的變形情況，并針對(duì)性制定限制變形的保護(hù)措施，達(dá)到保護(hù)橋梁安全運(yùn)營的目的。

2.工程概況

2.1 新建D1接收井

本工程頂管軸線沿黃浦大街從解放大道至建設(shè)大道，分別設(shè)置D1、D2及D4三座頂管井。D1井基坑鄰近黃浦立交橋（Z1匝道橋），故本文針對(duì)D1井對(duì)黃浦立交橋（Z1匝道橋）產(chǎn)生的不利影響進(jìn)行深入研究。

D1井基坑位于武漢長江二橋黃浦立交橋Z1匝道東側(cè)的公園內(nèi)，為圓形現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑9.0m，基坑開挖深度 17.35m，采用“鉆孔灌注樁支護(hù)+樁間止水+外側(cè)高壓旋噴樁止水帷幕+基底高壓旋噴樁加固”的基坑支護(hù)形式，地下水控制采用“坑內(nèi)明排+止水帷幕+深井降水”相結(jié)合的方式。

D1井中心距離 Z1 匝道橋橋墩（Z1-5#）最近水平凈距為 23.15m；頂管井支護(hù)結(jié)構(gòu)邊線距離 Z1 匝道橋橋墩（Z 1-5#）最近水平凈距為 15.33m，距離 Z1-4#橋墩最近水平距離 18.17m。

D1井依次穿越土層為雜填土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土、粉砂、粉細(xì)砂，坑底坐落土層為粉細(xì)砂。

2.2 黃浦立交橋（Z1 匝道橋）概況

武漢長江二橋黃浦立交橋（Z1 匝道橋）為現(xiàn)澆混凝土曲線箱梁，其中與本項(xiàng)目相關(guān)的聯(lián)跨為Z1-2～Z1-8跨，跨徑組合為16.7m+4×18.2+16.7m=106.2m。

2.3 深基坑開挖施工步驟

施工準(zhǔn)備→鉆孔灌注樁施工→高壓旋噴樁施工（同步施工降水井）→檢測(cè)合格→土方分層開挖至冠梁底→環(huán)形冠梁施工→土方分層開挖至第一道腰梁底→第一道腰梁施工→土方分層開挖至第二道腰梁底→第二道腰梁施工→土方開挖至基坑底→底板施工→側(cè)墻施工至第二道腰梁→第二道腰梁拆除→側(cè)墻施工至第一道腰梁→第一道腰梁拆除→側(cè)墻施工至冠梁→膨脹混凝土和土方回填。

表2 工況八各橋墩墩頂位置位移值

3.有限元模型建立及數(shù)值模擬計(jì)算分析

采用 Midas GTS NX 建立“場(chǎng)地土-頂管井土建結(jié)構(gòu)-橋梁”有限元模型。

3.1 基本假設(shè)

由于土體為三相性，自身性質(zhì)復(fù)雜，很難準(zhǔn)確的模擬其剛度特性。依據(jù)本工程地質(zhì)勘探資料，在分析時(shí)對(duì)土體特性進(jìn)行了一定模型化的假定：

1）依據(jù)修正摩爾庫倫本構(gòu)模型，將其簡(jiǎn)化為均質(zhì)的、各向同性材料。

2）施工過程為基坑支護(hù)及基坑開挖、換撐，均視為一次成型；

3）因基坑設(shè)置了高壓旋噴樁阻水層并采用降水井降水，故模型中未考慮地下水的影響，初始地應(yīng)力在模型計(jì)算中只考慮土體的自重應(yīng)力；

4）荷載由既有橋的最不利條件考慮，簡(jiǎn)化為均布力施作于墩頂，橋墩自重由軟件自動(dòng)計(jì)算；假定橋梁一次成型，并且工后沉降達(dá)到穩(wěn)定。

3.2 模型建立

為消除模型邊界效應(yīng)，地基土模型在 X 軸方向尺寸取 140m，在 Y 軸方向尺寸取 120m，在豎向深度（Z 軸方向）取 60m。整體模型包含“橋梁-土體”完整結(jié)構(gòu)，橋梁樁基通過植入式梁?jiǎn)卧獙?shí)現(xiàn)將橋梁的受力傳遞到土層結(jié)構(gòu)中。該模型共有 80610 個(gè)單元和 44650 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.3 分析步設(shè)置及工況劃分

武漢長江二橋黃浦路立交橋?yàn)榧扔袠蛄?，根?jù)施工步驟，確定的模型分析步與工況見表1。

表1 工況劃分

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

深基坑開挖至基坑底時(shí)，對(duì)鄰近構(gòu)筑物的擾動(dòng)效應(yīng)達(dá)到最大，故計(jì)算結(jié)果及分析過程以工況八開挖至基坑底為例。工況八（D1 接收井開挖至基坑底）模型總體變形和x向變形如圖1、圖2所示，Z1匝道橋墩變形如圖3、圖4所示。

圖1 工況八整體豎向變形圖

圖2 工況八x向變形圖

圖3 Z1-2#～Z1-8#橋墩 x 方向變形圖

圖4 Z1-2#～Z1-8#橋墩 y 方向變形圖

通過計(jì)算分析可以發(fā)現(xiàn)，工況八Z1 匝道橋墩頂位置：

①最大變形量發(fā)生在 5#墩，其變形值為 0.37mm；

②最大 x 向位移發(fā)生在 4#墩，為 0.10mm；

③最大 y 向位移發(fā)生在 5#墩，為-0.09mm；

④最大豎向位移發(fā)生在 5#墩，為0.36mm。

其余工況均由軟件計(jì)算得出，分析過程與工況八類似，在此不一一贅述。

分析過程中計(jì)算坐標(biāo)系均以垂直頂管開挖方向?yàn)?x 軸，以平行頂管開挖方向?yàn)?y軸，為方便分析橋梁變形，要將所有工況橋墩墩頂變形轉(zhuǎn)化為順橋向和橫橋向位移。

通過具體計(jì)算分析可以得出：

結(jié)論一：在D1井基坑開挖過程中，開挖基坑底面土體隆起、基坑邊緣土體有向基坑方向側(cè)向位移。

結(jié)論二：在D1 井施工過程中，Z1 匝道橋墩頂變形情況為：2#墩最大位移 0.26mm、3#墩最大位移 0.59 mm、4#墩最大位移 1.16mm、5#墩最大位移 1.59mm、6#墩最大位移 1.51mm、7#墩最大位移 0.23mm、8#墩最大位移 0.10mm。

結(jié)論三：由于頂管井開挖施工的綜合作用，施工過程中 5#、6#墩受影響最明顯，其中 5#墩最大位移 1.59 mm、6#墩最大位移 1.51mm。

結(jié)論四：冠梁、腰梁、內(nèi)壁等會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)變形有抑制作用，且這種抑制作用具有滯后性。

4.已建橋梁防護(hù)措施建議

（1）由結(jié)論一：基坑開挖過程中結(jié)構(gòu)變形破壞引起橋梁變位，而基坑結(jié)構(gòu)變形破壞的主要形式有兩個(gè)，即存在開挖基坑底面土體隆起和基坑邊緣土體向基坑方向側(cè)向位移。故采取措施抑制這兩種變形破壞形式即能起到一定的橋梁防護(hù)作用。

1）防止基坑底土體隆起措施：①控制基底高壓旋噴樁咬合質(zhì)量，長度。高壓旋噴樁正式施工前通過試樁確定水泥摻量、提升速度、壓力等施工參數(shù)。②施工前對(duì)設(shè)備性能進(jìn)行檢查，包括流量表、壓力表、高噴臺(tái)車、泥漿泵等。③過程中對(duì)技術(shù)參數(shù)做好記錄；④地下水處理。施工時(shí)地下水要及時(shí)處理，防止發(fā)生坑壁土體失穩(wěn)，承壓水突涌及流土、涌砂、坑底隆起等滲透變形等情況，同時(shí)對(duì)孔隙承壓水進(jìn)行控制，確保安全；⑤封底要快。土體開挖完成，及時(shí)施工墊層和底板，將基地封閉。

2）防止基坑邊緣土體向基坑方向側(cè)向位移：①降低動(dòng)荷載不利影響。土方開挖過程中，基坑周邊嚴(yán)禁堆放土方、材料，機(jī)械和車輛遠(yuǎn)離基坑邊緣；②保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量。支護(hù)結(jié)構(gòu)采用“支護(hù)樁+冠梁+兩道腰梁”形式，在保證施工質(zhì)量前提下，防護(hù)效果基本能滿足需求；③改變開挖方式，分段、分塊、分層進(jìn)行土方開挖。滿足基坑開挖“時(shí)空效應(yīng)”原理，快速完成開挖，及時(shí)進(jìn)行混凝土支撐施工以及鋼支撐的安裝并施加軸力，使基坑無支撐暴露的時(shí)間最短。

（2）由結(jié)論二：Z1 匝道橋墩頂變形情況為離基坑施工距離越近，所受影響越大，5#、6#墩變形最大。故對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行全過程監(jiān)測(cè)中，加強(qiáng)對(duì)5#、6#墩的監(jiān)測(cè)，能更快發(fā)現(xiàn)基坑開挖對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)情況，及時(shí)采取相應(yīng)措施避免既有構(gòu)筑物變形位移繼續(xù)擴(kuò)大?；娱_挖過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)以下位置的監(jiān)控測(cè)量：

1）支撐軸力的監(jiān)測(cè)。在支撐上設(shè)置支撐軸力計(jì)，來監(jiān)控支撐軸力情況。當(dāng)支撐軸力減少較多時(shí)，及時(shí)進(jìn)行軸力復(fù)加，滿足支撐軸力的要求。當(dāng)支撐軸力較大，支撐有失穩(wěn)的危險(xiǎn)時(shí)，采取增加鋼支撐的措施來處理。

2）基坑變形的監(jiān)測(cè)。設(shè)置測(cè)斜管等手段進(jìn)行基坑變形監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況，當(dāng)變形或應(yīng)力值達(dá)到預(yù)警值時(shí)，需采取加固措施。

3）地下水監(jiān)測(cè)。在基坑周邊設(shè)置觀測(cè)井，進(jìn)行地下水位觀測(cè)。當(dāng)水位發(fā)生異常，并找到滲漏點(diǎn)，并啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，采用注漿加固或回灌等方式進(jìn)行補(bǔ)救。

（3）由結(jié)論三：施工過程中 5#、6#墩受影響最明顯，故對(duì)橋梁采取防護(hù)措施應(yīng)尤其關(guān)注對(duì)5#、6#的保護(hù)。施工過程中注意D1井到 5#、6#范圍內(nèi)盡量不停放挖機(jī)、吊機(jī)等設(shè)備，防止大型設(shè)備碰撞橋梁。棄土、材料應(yīng)堆放在橋梁影響區(qū)外，并避免其他施工荷載影響橋梁安全性。

（4）由結(jié)論四：冠梁、腰梁、內(nèi)壁等會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)變形有抑制作用，且這種抑制作用具有滯后性。故冠梁、腰梁、內(nèi)壁等圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求后在開挖，開挖過程中加強(qiáng)對(duì)冠梁、腰梁、內(nèi)壁進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并做好應(yīng)急預(yù)案。

5.總結(jié)

通過Midas GTS NX建立基坑開挖三維模型有限元分析，得出深基坑開挖時(shí)各施工階段臨近橋梁橋墩墩頂?shù)目傮w位移、X方向位移、Y方向位移和豎向位移，為分析評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的安全防護(hù)提供可靠依據(jù)。針對(duì)既有橋梁距離基坑較近的情況，為避免基坑開挖對(duì)運(yùn)行橋梁造成不良影響，一方面必須對(duì)橋梁進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)加強(qiáng)測(cè)量監(jiān)控，另一方面深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量必須達(dá)標(biāo)。本文通過工程實(shí)際案例分析，解決了新建城市頂管與城市已建高架橋相交節(jié)點(diǎn)處的頂管井深基坑開挖對(duì)已建橋梁的影響問題，可為今后類似工程問題的處理提供相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。