罗永磊

（上海市政工程设计研究总院集团佛山斯美设计院有限公司，广东 佛山 528200）

0 引言

随着城市交通压力的日益加重，为了改善城市拥堵的交通状况，下穿隧道或跨线桥成为在交叉口处维持道路快速化的常用方案。当一条现状快速路主路是高架桥，辅路与改造路垂直平交时，改造的路若选用跨线桥方案势必导致桥梁引桥长度过长，道路改造长度增加，增加工程造价，且高架桥对道路两侧地块分割程度较大，显然不是最优方案。此时往往选择隧道依次下穿既有快速路辅路及主路方案，该方案虽然克服了高架桥的缺点，但受既有桥跨度、隧道结构宽度等影响，使得基坑距离既有桥墩较近，开挖卸荷过程中难免会对基坑周边土体产生扰动，进而使桥桩产生附加变形，设计时需评估出影响程度并采取针对性措施，保障桥梁的正常运营安全[1]。通过研究基坑开挖对周边的变形影响规律，做到在设计方案阶段充分论证，做好附加措施，将基坑开挖对桥墩的影响降至最低。

国内外很多学者研究了基坑开挖对周边既有桥墩或者建（构）筑物的影响规律，高东、汪东林[2]研究了既有高架桥桩距离基坑开挖边线的平面距离在基坑开挖时对桥墩变形的影响，提出了在10m以内影响较大，20m以上时影响较小。木林隆等[3]基于小应变特性的基坑开挖对邻近桩基影响分析中提出基坑开挖深度应越小越好，桩基距离围护结构越远越好，桩在距离围护结构0.5倍的开挖深度时最危险，变形最大。冯虎[4]总结了上海地区58个开挖深度19m的基坑工程地下连续墙变形特性的规律，指出围护结构水平向最大变形出现在0.89倍开挖深度处，且最大位移出现在开挖面以上的比例占到79%，仅在墙趾以下有软土时基坑最大变形位于开挖面以下。

本文以某新建隧道工程下穿佛山一环快速路工程为例，通过研究基坑开挖对既有桥桩的变形影响规律，提出了减小桥墩及围护桩变形的处理方案，以期为类似工程提供经验借鉴。

1 工程概况

某现状路与佛山一环快速路两侧辅路平交，一环主线采用高架桥结构，桥梁结构为三跨一联的简支T梁，分幅式断面，双向八车道。现状交叉口处桥梁底距离现状路面净空约6.5m，相邻桥墩承台间净跨35.5m。为适应交通快速化的需要，需在该交叉口处实施快速化改造，经过比选确定采用新建隧道下穿佛山一环两侧辅道及主线，路线走向按现状线位拟合并结合隧道与桥墩的关系合理优化调整。下穿隧道采用双向六车道，全长635m，辅道采用双向四车道，现状道路为双向八车道，改造后规模基本匹配。距离右侧桥墩边约85m处现状为一河涌，因其距离一环辅路较近，隧道尚未接顺路面，需将河涌改为箱涵，使隧道下穿箱涵。隧道相对位置如图1所示。

图1 新建隧道及周边环境平面图（单位：m）

拟建场地地下水主要为潜水，勘察施工期间实测钻孔地下水稳定水位埋深为1.30～2.70m，地下水位受季节性影响，地下水主要靠地下水循环补给，其次靠大气降水渗入补给及附近地表水体向下渗入补给。根据钻孔揭露场地岩土层参数见表1。

表1 地质参数

道路总体平纵确定好后的隧道结构净宽26.7m，结构壁厚1.1m，结构总宽28.9 m，桥墩处基坑开挖深度13.5m，隧道在桥墩间基本居中布置，结构边线距离现状桥墩承台仅3.3m，是桥墩处基坑开挖深度的0.24倍。可见基坑开挖过程中对桥墩的影响很大，因此合理控制基坑开挖过程中的变形，保证桥墩结构安全是该项目的重中之重。受一环桥下净空的影响，围护结构不能选用刚度大、止水效果好的地下连续墙，只能选用钻孔灌注桩支护辅以高压旋喷桩止水方案。根据拟建场地的水文地质条件，围护结构选用 ø1200@1400钻孔桩，双排ø800@600高压旋喷桩止水帷幕，四道内支撑，第一道为混凝土支撑，第二至第四道为钢管支撑。支护断面如图2所示。根据场地相对位置关系，建立整体有限元模型进行计算分析，如图3所示。

图2 既有桥墩处基坑围护断面图（单位：mm）

图3 基坑整体有限元分析模型图

2 基坑开挖周边变形规律

2.1 围护桩变形

经计算，围护桩变形如图4所示，随工况变形曲线如图5所示。最大变形8.93mm，最大位置位于桩顶以下9.2～10.7m，在坑底以上约1/5开挖深度位置。开挖至坑底时，受基坑底土层土拱效应[5-6]及空间效应的影响，较大的变形已经在靠前的开挖步中完成了，挖坑底附近时对应位置围护桩的变形较前阶段小，因此控制围护桩变形时应注意对于软弱土层卸荷时围护桩变形的控制，以及坑底以上3～6m的土层开挖围护桩变形的控制。

图4 围护桩变形云图

2.2 桥桩竖向变形

根据计算，桥桩最大竖向变形为1.35mm，发生在基坑开挖至坑底标高时。在接下来的拆撑工况时，桥桩的竖向变形变化不大，基坑开挖卸荷引起周边邻近土体的扰动，产生地表沉降，从而使邻近桥桩侧摩阻力减小，进而引起桥桩沉降。

图5 围护桩随工况变形曲线图

2.3 桥桩向基坑方向变形

桥桩在基坑开挖过程中受周边土体扰动的影响，产生一定的弯曲变形，最大变形位置随开挖深度的加深逐步往下移动。根据图6桥桩弯曲变形的规律，桥桩为类悬臂桩变形模式，水平位移最大值出现在桩端。由于承台与承载单桩桩顶刚接，承台约束了桩顶的弯曲变形，因此桥桩的水平变形位于桩顶以下某一深度。受基坑开挖深度、地质、桩身刚度、桩长等因素综合影响，若为群桩基础，受近基坑桩的遮挡作用，后桩的变形较前桩小。根据计算，桥桩随基坑开挖工况的变形规律如图6所示，桩顶最大水平位移4.2mm，桩身最大水平位移6.0mm，出现在基坑深度7.5～10.7m。因该基坑自地面以下2.5～8.5m为淤泥质土，桥桩的最大变形位置与围护桩基本协调一致，最大位移出现在基坑开挖至底部及拆撑工况。

图6 既有桥墩桩基向基坑方向变形曲线图

3 减小基坑对既有桥墩影响方案

3.1 从总体方案入手，尽量减小桥墩处基坑开挖深度

基坑开挖深度越浅，周边变形越小。距离一环桥墩右侧约85m处为一现状河涌，隧道沿道路纵向相继穿越一环左幅辅道、左右幅高架桥墩、右幅辅道、箱涵（河涌改造为箱涵布置于隧道结构顶）后出地面。从总体布置方案出发，为减小在现状桥墩处的基坑开挖深度，需减小隧道位于桥墩处暗埋段的覆土厚度，因此将隧道最低点设置在河涌中线处。为减小隧道总体长度及深度，将箱涵断面加宽，净高压缩，采用四孔断面满足水利过水断面要求。隧道段路线纵坡自左至右先以3.6%的坡度下穿一环辅道进入暗埋段，坡长201m；后以2.0%的坡度到最低点（期间经过桥墩），坡长201m；最后以4.5%的坡度出地面与路基段接顺，坡长250m。此时隧道在现状桥墩处最大开挖深度13.5m，总体最大开挖深度16m，位于改造河涌中线处。

3.2 合理增加基坑围护结构刚度

该项目中因既有高架桥下净空仅有6.5m，不满足地下连续墙的施工空间要求，因此选用钻孔灌注桩+高压旋喷桩的围护止水方案，围护桩径ø1200@1400mm。比选了桩径 0.8m、1.0m、1.2m时的变形情况，结论为基坑变形降幅较为明显，围护桩径每增加0.2m，桩身最大水平位移平均降幅为2.0mm，坑外地表土体最大沉降平均降幅为1.0mm；在桩径从1.2m增加至1.5m时，围护桩变形降幅较小，围护桩最大水平位移降幅为0.8mm，坑外地表土体最大沉降降幅为0.4mm。因此一味增加基坑支护结构刚度来控制围护结构变形并非最经济合理方案，甚至造成支护浪费，加大桩径引起围护桩及止水帷幕距离既有桥墩更近，围护桩及止水帷幕施工时对桥墩产生的扰动更大，对桥墩甚至产生更加不利的影响。

3.3 做好止水设计，严格控制基坑内外地下水土流失

基坑开挖属于打破地层既有平衡的过程，基坑开挖不可避免伴随着坑外水土流失。坑外土流失导致桩周土体变得松散，特别是近基坑侧土体流失较远离基坑侧多，土对桩的围压作用减小，桩身两侧受力不平衡导致桩身产生水平位移；坑外水位降低导致土层产生压缩固结，对桩身产生负摩阻力，引起桩身轴力的增加，因此应做好坑内外地下水的止水设计。该工程坑底位于透水性土层中，设计采用注浆处理，改良土体减小其渗透性，防止坑底突涌；因围护桩距离既有桥桩较近，坑外土层应在施工围护桩之前进行加固，采用袖阀管注浆，桩周对称注浆，并严格控制注浆配合比和注浆压力，避免对地面及地层扰动过大。

3.4 合理设计基坑开挖方案

根据时空效应的原理，合理开挖空间尺寸，做到分块分层开挖，随挖随撑，并做好坑底排水，减小基坑暴露时间。该工程基坑开挖至第四道支撑底并施加支撑后，剩余的约3.0m开挖深度范围内按分块开挖考虑，按图7中W1～W4的四块开挖考虑，基坑纵向上按图8先施工左侧桥墩处基坑Q1，再施工右侧桥墩处Q2，后施工Q3、Q4。在施工过程中加强对桥墩处围护桩变形、周边地表沉降、桥墩承台沉降及水平位移的监测，实时反馈监测结果，并做好应急预案。

图7 既有桥墩处基坑分块开挖断面图（单位：mm）

4 结语

基坑施工安全及施工时保证邻近既有桥墩安全是一项系统工程，设计和施工均至关重要。设计应更具有前瞻性，能够预见基坑施工过程中对既有桥桩变形影响的关键点，并采取行之有效的措施，将对周边环境的影响降至最低。施工应按设计要求施工，并做好应急预案。本文通过研究基坑开挖过程中围护结构、邻近桥墩的变形规律，进而针对性地提出减小既有桥桩变形的方案，希望对离既有桥桩较近范围内的基坑设计及施工带来一些启发。

图8 既有桥墩处基坑分块开挖平面图（单位：m）