侯澤輝

（廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510080）

0 引言

隨著城市交通基礎(chǔ)設(shè)施的日益完善，出現(xiàn)了許多位置距離近、設(shè)計(jì)施工難、施工影響大的工程，其中臨近既有橋梁進(jìn)行基坑開(kāi)挖施工便是其中一種［1］。

目前，許多學(xué)者針對(duì)基坑開(kāi)挖對(duì)橋梁的影響展開(kāi)了較多的研究。余世為［2］對(duì)明挖法施工隧道對(duì)橋梁基礎(chǔ)的變形控制措施進(jìn)行了數(shù)值分析，結(jié)果表明以袖閥管加固方式對(duì)橋梁周邊土體加固可以有效保護(hù)橋樁，水平位移可以減小24%；朱利明［3］分析了在建道路下穿高鐵橋梁施工過(guò)程中橋墩的沉降、橫向及縱向水平變形數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的情況，發(fā)現(xiàn)橋墩主要以沉降變形為主，與監(jiān)測(cè)結(jié)果較為一致；金宏剛［4］則對(duì)明挖狹長(zhǎng)基坑開(kāi)挖對(duì)橋梁的影響展開(kāi)對(duì)比分析，監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)都表明隨著基坑開(kāi)挖橋墩的沉降變大，施工結(jié)束后進(jìn)行回填又會(huì)變小恢復(fù)到開(kāi)挖前的水平；上官士青等人［1，5］系統(tǒng)性總結(jié)了基坑開(kāi)挖對(duì)臨近橋梁樁基的保護(hù)措施，表明基坑開(kāi)挖距離與既有結(jié)構(gòu)較近時(shí)，橋樁變形基本與基坑變形一致。距離難以避開(kāi)時(shí)應(yīng)采取增加支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、采用坑內(nèi)加固、坑外加固等措施；葉蓉［6］補(bǔ)充了基于應(yīng)力釋放法對(duì)該類(lèi)問(wèn)題數(shù)值模擬的研究應(yīng)用案例；賈小波［7］研究了明挖隧道下穿病害橋梁的技術(shù)難題。

本文以某隧道側(cè)穿高速公路橋梁深基坑開(kāi)挖施工為例，系統(tǒng)性分析了基坑開(kāi)挖過(guò)程中橋梁樁基、橋臺(tái)受力及變形的影響，并采取針對(duì)性措施進(jìn)行效果評(píng)價(jià)。

1 項(xiàng)目概況

隧道下穿既有高速公路（16+20+16）m 的三跨簡(jiǎn)支空心板橋的樁基間。橋梁平面布置如圖1 所示，基礎(chǔ)、0號(hào)臺(tái)、3號(hào)臺(tái)的墩臺(tái)類(lèi)型為座板臺(tái)，座板臺(tái)基礎(chǔ)類(lèi)型為鉆孔樁，樁基樁徑1.2 m，樁長(zhǎng)30 m（嵌巖樁）；1號(hào)墩、2 號(hào)墩墩臺(tái)類(lèi)型為柱式墩，墩直徑1.2 m，墩下基礎(chǔ)為直徑1.3 m 鉆孔樁，樁長(zhǎng)36 m（嵌巖樁），其中2-15、2-14號(hào)樁基為摩擦樁。

通道過(guò)高速段機(jī)動(dòng)道斷面布置形式如圖2 所示，為0.7 m（側(cè)墻）+8.0 m（機(jī)動(dòng)車(chē)道）+0.4 m（中隔墻）+8.0 m（機(jī)動(dòng)車(chē)道）+0.7 m（側(cè)墻）=17.8 m。采用單孔避讓?zhuān)卓趦魧捈s為2.5 m，兩側(cè)非機(jī)動(dòng)車(chē)道斷面布置形式為0.5 m（側(cè)墻）+2.5 m（非機(jī)動(dòng)車(chē)道）+0.5 m（側(cè)墻），地面人行道寬度預(yù)留寬度布置，凈寬大于2 m。

圖2 隧道橫斷面布置Fig.2 The Cross Section Layout of Tunnel

下穿隧道采用明挖法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用?800@850 mm 鉆孔灌注樁+雙排雙重管高壓旋噴樁+內(nèi)支撐方式，樁頂設(shè)置冠梁，冠梁處設(shè)置一道混凝土支撐，橫向與格構(gòu)柱連成一體?；油鈧?cè)采用兩排?60 cm 高壓旋噴樁加固止水，咬合長(zhǎng)度20 cm，其中外側(cè)兩排為止水帷幕，長(zhǎng)20 m，原則上進(jìn)入不透水層1 m，因敞開(kāi)段砂層較厚，為確保鉆孔樁施工質(zhì)量，內(nèi)側(cè)設(shè)置三排13 m長(zhǎng)旋噴樁對(duì)土體進(jìn)行加固。

隧道主要開(kāi)挖地層有填土、粉細(xì)砂、中粗砂、礫砂、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土（流塑）、殘積土（可塑）、殘積土（硬塑）、微風(fēng)化灰?guī)r?；拥字饕挥谥写稚暗貙由?，地層參數(shù)如表1所示。

表1 地層參數(shù)Tab.1 Stratigraphic Parameters

2 基坑開(kāi)挖橋梁樁基受力分析

2.1 樁基受豎向荷載受力分析

隧道基坑的開(kāi)挖，可能會(huì)對(duì)橋梁安全產(chǎn)生影響，以下就隧道設(shè)計(jì)方案對(duì)橋梁的影響進(jìn)行分析。本次計(jì)算分析選取最不利截面來(lái)考慮計(jì)算，選取基坑開(kāi)挖最深處即開(kāi)挖深度8.2 m 處進(jìn)行計(jì)算分析。橋梁設(shè)計(jì)為三跨（16+20+16）m 簡(jiǎn)支梁橋，墩為柱式墩，墩下基礎(chǔ)為嵌巖樁基礎(chǔ)（其中2-14摩擦樁基）。

2.1.1 嵌巖樁受豎向荷載影響受力分析

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，樁基豎向力按單樁最大設(shè)計(jì)承載力4 500 kN考慮。本次開(kāi)挖最大影響深度8.2 m，原橋墩高5.3 m，開(kāi)挖后樁基的臨空高度變?yōu)?3.5 m，根據(jù)開(kāi)挖后樁基長(zhǎng)細(xì)比計(jì)算樁基承載力N=0.90×0.75×1.130 4×13.8=10 529.67 kN＞1.0×Nd=1.0×1.2×4 500=400 kN，樁基穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。

根據(jù)文獻(xiàn)［8］公式6.3.4及文獻(xiàn)［9］公式10.2.4計(jì)算樁基摩阻力，基坑開(kāi)挖8.2 m 后對(duì)樁基摩阻力損失為65.7 kN，樁端承載力能夠滿(mǎn)足4 500 kN承載力要求。

2.1.2 摩擦樁受豎向荷載影響受力分析

摩擦樁樁基2-14 開(kāi)挖深度最深，開(kāi)挖影響最大，取最不利樁基進(jìn)行計(jì)算分析。2-14 摩擦樁樁基豎向力最大設(shè)計(jì)承載力2 500 kN，基坑開(kāi)挖深度約7.5 m，承臺(tái)底樁基影響長(zhǎng)度4.4 m，根據(jù)文獻(xiàn)［10］公式5.3.3樁基參數(shù)取值計(jì)算的單樁軸向受壓承載力容許值為2 933.3 kN，小于荷載3 017.5 kN，2-14 號(hào)摩擦樁豎向承載力不能滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)的2 500 kN承載力要求。

考慮到高速橋梁運(yùn)行安全的重要性，及摩擦樁對(duì)周邊土體擾動(dòng)的敏感性，擬通過(guò)注漿來(lái)增加摩阻力的方式，增加2-14 號(hào)摩擦樁的承載力，使其滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)的承載力要求。摩擦樁加固范圍為樁基外側(cè)3 m，加固深度為8 m。加固后的單樁軸向受壓承載力容許值為3 341.7 kN，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

加固擾動(dòng)土體，在對(duì)基坑開(kāi)挖之前，應(yīng)對(duì)加固后的土體進(jìn)行土工實(shí)驗(yàn)，待檢測(cè)加固后土體的側(cè)摩阻力大于80 kPa 后才能進(jìn)行基坑的開(kāi)挖施工。同時(shí)在加固前先對(duì)梁體架設(shè)貝雷梁形成支撐，貝雷梁支撐加固示意圖如圖3 所示，對(duì)摩擦樁的支撐分兩部分進(jìn)行支撐加固，加固2-14 號(hào)樁基時(shí)主要對(duì)該部分進(jìn)行貝雷梁支撐加固，增強(qiáng)摩擦樁的安全儲(chǔ)備。

圖3 摩擦樁基貝雷梁支撐加固Fig.3 The Reinforcement of Bailey Beam Support for Friction Pile Foundation （mm）

加固寬度，以加固體整體不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)為原則進(jìn)行確定，采取貝雷梁支撐橋面空心板梁加固措施時(shí)要注意梁底支撐線(xiàn)位置，應(yīng)盡量靠近橋墩、不應(yīng)超過(guò)1/4梁長(zhǎng)處，不改變空心板結(jié)構(gòu)受力應(yīng)力方式。

2.2 樁基受水平荷載受力分析

基坑在樁基兩側(cè)對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖，不會(huì)產(chǎn)生較大不均勻堆載，樁基截面驗(yàn)算最不利階段為基坑開(kāi)挖完成階段，按照最不利情況在基坑開(kāi)挖深度為8.2 m 階段進(jìn)行計(jì)算分析。

計(jì)算采用MIDAS 建模，上部結(jié)構(gòu)恒荷載根據(jù)支座位置加載于蓋梁上，汽車(chē)荷載根據(jù)縱向影響線(xiàn)取最不利結(jié)果換算為車(chē)輪荷載后，按照橫向移動(dòng)荷載進(jìn)行分析，在荷載工況組合后分別對(duì)樁基進(jìn)行軸心受壓、大偏心受壓和小偏心受壓驗(yàn)算。分別驗(yàn)算不考慮橋面交通疏解，保持車(chē)輛通行及考慮橋面交通疏解，限制車(chē)輛通行兩種工況進(jìn)行驗(yàn)算。

不考慮橋面交通疏解，保持車(chē)輛通行方案。一個(gè)車(chē)道產(chǎn)生的制動(dòng)力為0.1×［（16+20+16）×10.5+240］=78.6 kN＜165 kN，取165 kN。隧道下穿部分為廣清高速收費(fèi)廣場(chǎng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，嵌巖樁蓋梁上方共布置3 個(gè)車(chē)道，因此橋梁制動(dòng)力T=165×2.34=386.1 kN；2-14 及2-15 摩擦樁取單向2 個(gè)車(chē)道計(jì)算，T=165×2=330 kN。

嵌巖樁計(jì)算結(jié)果如圖4 所示，橋梁不進(jìn)行交通疏解情況下，基坑開(kāi)挖至8.2 m 后，墩柱樁基承載能力極限狀態(tài)下內(nèi)力滿(mǎn)足文獻(xiàn)［10］要求，在正常使用狀態(tài)下裂縫寬度滿(mǎn)足文獻(xiàn)［10］要求。

圖4 嵌巖樁樁基截面驗(yàn)算結(jié)果Fig.4 The Cross Section Verification of Pile Foundation for Rock Socketed

限于論文篇幅，針對(duì)考慮橋面交通疏解，限制車(chē)輛通行方案的驗(yàn)算過(guò)程不再細(xì)述，通過(guò)對(duì)嵌巖樁和摩擦樁在兩種不同工況條件下樁基受水平荷載影響受力分析進(jìn)行對(duì)比，其內(nèi)力值對(duì)比如表2所示。

表2 橋梁樁基水平荷載計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation Results of Horizontal Load on Bridge Pile Foundations

橋面交通疏解措施不影響樁基軸力，主要影響樁基彎矩和剪力，考慮橋面交通疏解的工況較不考慮橋面交通疏解的工況，嵌巖樁的彎矩減小了1 068.95 kN·m，剪力減小了202.22 kN；2-14 摩擦樁的彎矩減少了1 119.67 kN·m，剪力減小了217.69 kN；2-15摩擦樁的彎矩減少了1 600.26 kN·m，剪力減小了354.26 kN。雖然在兩種工況條件下橋梁樁基受力都滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和文獻(xiàn)［10］要求，但考慮橋面的交通疏解能明顯減小樁基的彎矩和剪力，能有效減小施工和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

3 基坑開(kāi)挖對(duì)橋臺(tái)變形數(shù)值分析

為模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)擋土墻及橋臺(tái)的影響，利用Midas GTS NX 有限元軟件按照施工步驟過(guò)程進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，采用土體彈塑性mohr-coulomb 本構(gòu)模型，對(duì)土體進(jìn)行激活和空化來(lái)模擬土體的開(kāi)挖和填筑，采用增量法來(lái)計(jì)算基坑的分步開(kāi)挖。

基坑開(kāi)挖后橋臺(tái)變形云圖如圖5 所示，不考慮上部交通疏解，保持列車(chē)通行，橋臺(tái)最大水平位移為6.65 mm。考慮上部交通疏解，對(duì)應(yīng)橋梁上部沒(méi)有車(chē)輛通行基坑開(kāi)挖，橋臺(tái)最大水平位移為3.33 mm?？紤]橋面交通疏解的工況較不考慮橋面交通疏解的工況，橋臺(tái)變形值減小了3.32 mm，大大增加了基坑開(kāi)挖后橋臺(tái)的安全系數(shù)。

4 風(fēng)險(xiǎn)控制措施及保護(hù)方案

4.1 水平荷載影響的控制措施

由于基坑開(kāi)挖對(duì)樁基的不利荷載來(lái)自于制動(dòng)力的水平荷載，故本著上部力上部解決的思路，在蓋梁頂臨時(shí)架設(shè)沿線(xiàn)路方向的三跨（16 m+20 m+16 m）縱向鋼管支撐，每根柱式墩墩頂架設(shè)一根?609 mm，t=16@3 m 的鋼管支撐，邊跨支撐在橋臺(tái)，利用橋后土壓力抵抗水平力，使蓋梁處的車(chē)輛制動(dòng)力荷載傳遞至橋臺(tái)處，從而增加1、2 號(hào)橋梁樁基的穩(wěn)定性。方案示意如圖6所示。

圖6 水平支撐加固圖Fig.6 The Horizontal Support Reinforcement （mm）

4.2 樁基承載力影響的控制和保護(hù)措施

4.2.1 不考慮交通疏解方案

考慮到上部的行車(chē)荷載的影響，施工風(fēng)險(xiǎn)性較大，在對(duì)橋梁下部進(jìn)行保護(hù)的同時(shí)，要進(jìn)行相應(yīng)的交通管制等措施，采取限速40 km/h，增設(shè)交通警示等措施。

對(duì)橋墩蓋梁頂部臨時(shí)架設(shè)鋼管支撐，在對(duì)柱頂蓋梁處加固的同時(shí)進(jìn)行樁間加密，同時(shí)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)底部范圍內(nèi)的橋梁樁基進(jìn)行加固，增強(qiáng)土體抗力和摩擦系數(shù)，減小水平力和彌補(bǔ)損失的摩阻力。對(duì)于嵌巖樁，加固范圍為橋梁樁基外側(cè)3 m，深度為隧道底板以下5 m；對(duì)于摩擦樁（2 根），加固范圍要求為橋梁樁基外側(cè)5 m，深度為隧道底板以下8 m，采用MJS注漿加固。

4.2.2 考慮交通疏解方案

針對(duì)埋深最大處的東側(cè)兩幅橋梁進(jìn)行分節(jié)段交通疏解，采用分幅施工的方案，施工平面如圖7 所示。先施工第一階段的基坑開(kāi)挖及主體結(jié)構(gòu)的施做，對(duì)應(yīng)的第一幅橋梁上部采用限制通行等措施，封閉兩車(chē)道；待第一階段施工完成后，恢復(fù)車(chē)道進(jìn)行通行，進(jìn)行第二階段的施工，對(duì)應(yīng)的上部車(chē)輛采用限制通行的交通管制措施，封閉3 個(gè)收費(fèi)口；待第二階段施工完成后，恢復(fù)對(duì)應(yīng)的上部交通車(chē)輛，對(duì)第三階段的施工范圍對(duì)應(yīng)東側(cè)的第二幅橋進(jìn)行限制通行的措施，封閉兩車(chē)道，再第三階段的施工。對(duì)于第二階段的施工，考慮開(kāi)挖的工作面大，需對(duì)該范圍的橋梁樁基進(jìn)行進(jìn)一步的加固，加固范圍為橋梁樁基外側(cè)3 m，深度為隧道底板以下5 m，采用袖閥管進(jìn)行注漿加固。

方案一和方案二兩種方案的對(duì)比如表3 所示，并結(jié)合措施引起的風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)殘余風(fēng)險(xiǎn)，考慮交通疏解隧道影響大一點(diǎn)，但是可以有效降低風(fēng)險(xiǎn)，保證在施工過(guò)程中橋梁及基坑的安全，選擇方案二。

建設(shè)過(guò)程中橋梁樁基實(shí)景如圖8所示，目前隧道已經(jīng)建設(shè)完成，橋梁運(yùn)營(yíng)正常，采取的措施合理有效。

圖8 隧道建設(shè)過(guò)程Fig.8 The Construction Process of Tunnel

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)隧道下穿高速公路橋梁施工引起的影響，進(jìn)行了數(shù)值分析與精細(xì)化設(shè)計(jì)比選，得到如下結(jié)論：

⑴基坑開(kāi)挖會(huì)引起摩擦樁承載力降低，沉降增加，應(yīng)采取土體加固及貝雷梁加固等措施。

⑵考慮橋面的交通疏解能明顯減小樁基的彎矩和剪力，橋臺(tái)變形值減小了3.32 mm，增加了基坑開(kāi)挖后橋梁的安全。

⑶采取交通疏解、環(huán)框梁加固、臨時(shí)貝雷梁支撐等措施，可以有效降低關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的殘余風(fēng)險(xiǎn)，保證在施工過(guò)程中橋梁及基坑的安全。