高 丽

(中铁十八局集团市政工程有限公司，天津 300222)

在大量的城市基础设施建设中，涌现了很多环境复杂的基坑工程项目，特别是在市区修建地铁时，不可避免对临近构筑物造成影响[1-3]，甚至有可能造成开裂及倒塌现象。位于市区深基坑施工时，需要考虑多方面因素影响，如地质条件、与构筑物距离、施工保护措施等。

对于基坑变形机理的研究，主要集中在变形特征和控制措施上。刘燕等[4]研究了基坑变形与桩长、基坑深度、支护桩间距的关系，从支护体系协同变形角度出发，推导了排桩变形的表达式。受软弱土体横向流动作用，韩爱民等[5]研究了软土地区基坑开挖后群桩的相互作用，结果表明，受前后排桩基的影响，桩基内力会发生重分布。

基坑对临近高架桥梁的影响已有学者做了大量研究：杨敏[6]通过数值软件对基坑开挖与桩基相互作用进行了分析，结果表明，设置隔离桩可有效减小墙后土体侧向位移，临近桩基附加弯矩与开挖深度呈正相关，并作了参数化分析。杜金龙[7, 8]考虑了软土的特性，研究了软土地区基坑开挖对邻近构筑物的影响，并推导了软土的本构模型。章荣军[9]以武汉地铁2号线为依托，通过流固耦合模型研究了降水作用下桩基的变形，并比较了降水方案对桩基变形的影响。

有限单元法作为一种成熟的数值计算方法，可以用于大体量基坑开挖分析。本文以南京某地铁基坑工程为依托，开展深基坑开挖对邻近高架桥的影响研究。

1 工程概况

1.1 基坑支护方案

某车站基坑工程，基坑长195 m、标准段宽24 m、开挖深度22 m，采用明挖法施工。基坑支护结构采用地下连续墙+内支撑体系，地连墙厚度0.8 m，基坑共分6次开挖，开挖深度分别为3.0、3.9、5.0、3.6、3.5、3.0 m，最后一次开挖至坑底后浇筑底板。支护结构材料及尺寸见表1。

表1 支护结构类型及尺寸

1.2 桥梁概况

地铁基坑下穿城市公路桥梁，下穿处为60 m跨度简支钢箱梁，桥墩基础为桩基础，桩长32 m，桩径1.0 m，强度等级为C30。承台面积为5.5 m×5.5 m，为四桩基础。下穿处桥梁桩基距离基坑最近仅9.8 m，基坑施工对邻近桥梁桩基影响较大。

1.3 工程地质条件

拟建车站场地处于长江阶地地貌单元，场区土层分布为素填土、粉质粘土、强风化岩、中风化岩，土层物理性质描述见表2。车站底板坐落于风化岩上，场区稳定水位埋深1.50～3.80 m。

表2 土层物理性质描述

2 工程难点及解决方案

在深基坑工程方面，虽然国内外已积累了丰富的理论经验，但其施工风险较大，工程难点较为突出。对于本项工程，地铁基坑下穿城市公路桥梁，基坑深度较大，工程地质条件较差，局部存在深厚软黏土，场地富含地下水及承压水头，地铁深基坑距离高架桥桩基较近，仅9.8 m。高架桥现状交通流量大，无法中断交通。

为降低深基坑施工对邻近高架桥的影响，在前期专家论证基础上，拟在地铁深基坑与桩基之间设置一排隔离桩。隔离桩采用∅1 000 mm钻孔咬合桩或水泥土搅拌桩，深度穿过黏性土层进入强风化岩，至坑底位置，兼起止水作用，以降低基坑降水对邻近桥桩的影响。下穿处结构、位置情况见图1。

3 计算模型

3.1 模型建立

为简化分析，建立桥桩—深基坑耦合模型。针对该工程设计方案，所建立三维实体计算模型的总长330 m，宽度为165 m，土层厚度取为65 m；土体采用四节点/八节点实体混合单元网格，模型底面设

图1 下穿桥梁基坑结构(单位：mm)

置竖向约束，侧面设置水平约束；水位埋深按-3.0 m考虑，水压力以节点水头荷载施加，由于基坑周边荷载较小，按无超载考虑。三维有限元模型见图2。

图2 三维数值模型

3.2 参数选取

根据地勘报告相关资料，采用修正M—C模型，该模型考虑了土体的双硬化准则，对大体量的基坑开挖较为适用。

表3 土体计算参数

地连墙嵌固深度为10 m，用板单元模拟；隔离桩等效厚度为0.8 m，按板单元考虑；支撑及围檩用梁单元模拟，支护结构参数见表4。

3.3 计算工况

实际工程中，先施工地连墙，达到设计强度后进行基坑开挖，模拟具体施工工序见表5。

表4 支护结构计算参数

表5 开挖工况模拟

4 计算结果与分析

4.1 桥桩水平位移

考虑到对桩基的影响及抗裂性，结合相关文献及专家论证，取水平位移控制值为15 mm。为研究基坑开挖对邻近桩基水平变位的影响，图3给出了基坑开挖过程中桥桩的水平位移沿深度变化曲线。

图3 邻近桥桩变形曲线

由图3计算结果可知：

(1)基坑开挖过程中，由于侧向土体的应力释放效应，导致邻近桩基受土压力水平推力作用而发生变位，其变形特征为“桩顶大，桩底小”，随深度增加而减小，呈抛物线形变化特征。

(2)随着开挖深度增加，邻近桥桩水平位移不断增大，其最大值出现在开挖完成后，数值为10.6 mm；工况7、工况8施工时，开挖已进入强风化泥岩，桩基变形增幅不大。

4.2 桥桩弯矩计算

基坑开挖过程中，支护结构变形进而导致邻近桩基受力状态会发生改变。图4给出工况3和工况8桥桩的弯矩云图，图5给出了基坑开挖过程中桥桩弯矩随深度的变化曲线。

图4 邻近桥桩弯矩云图

图5 邻近桥桩弯矩随深度变化曲线

从图4(a)计算结果可以看出，第一次开挖完成后，由于开挖深度浅，土压力侧向推力作用小，桩基弯矩较小，且存在多个反弯点。图4(b)为开挖完成后的桩基弯矩云图，其弯矩值较大，且仅有一个反弯点，反弯点位置靠近桩基下部位置，其反映的是土压力强度的变化。

从图5可以看出，随着开挖深度增加，桥桩弯矩增大，桩基弯矩最大值为260 kN·m，靠近桩底附近。受中风化及强风化泥岩影响，在最后两个工况下，桥桩弯矩增幅不大，相较于工况7，桩基弯矩最大值仅增加了3.2%。

4.3 隔离桩效果验证

由于桥梁桩端已进入风化岩层，基坑开挖过程对其竖向承载力影响不大。以实测深层土体水平位移反映桩基变形。为验证隔离桩效果，建立了两个有无隔离桩工况，并与实测值比较。图6给出了两不同工况下桥桩变形及弯矩变化曲线。

从图6中可以看出，对于无硬隔离工况，桥桩水平位移最大值为16.2 mm，有隔离桩情况下桥桩水平位移最大为10.6 mm，减小了34%，且模拟值与实测结果较为接近。

两种工况下桥桩最大弯矩分别为335 kN·m、260 kN·m，相对于无隔离情况，其弯矩值减小了22.4%。可以看出，隔离桩可有效减少土体横向水平推力，从而减小桥桩的水平位移及附加弯矩。

4.4 降水对桥桩影响分析

基坑降水时，由于坑内水位降低过快，在止水帷幕周围会形成“降水漏斗”[10]。基坑降水对邻近构筑物影响主要体现在两个方面：①随着坑内水位的降低，基坑内外形成压力差，导致侧向作用力增大；②降水井周围发生渗流作用，在渗流力影响下，土体将沿着渗流的方向(即指向基坑的位置)发生运动。图7给出了第1～4次降水前后桥桩水平位移变化曲线。

图6 不同工况下桥桩变形及弯矩 图7 降水影响下桩基变形曲线

由图7可知，降水对邻近桥桩的水平位移影响较大。第2次降水高差为5 m，降水前水平位移最大值为4.0 mm，降水后水平位移最大值为6.3 mm，增幅较大。由此可见，在渗流力和压力差作用下，基坑降水会显著增大桩基水平位移。

降水引起的渗流力，可以由下式计算：

J=γwi

(1)

式中：γw为水的重度；i为水力梯度。可见渗流力的大小与水头差和渗透路径有很大关系。

4.5 桩基水平承载力验算

基坑开挖过程中，由于应力释放，桥桩受横向水平推力作用，需要对其水平承载力进行验算，可按式(2)计算：

(2)

(3)

式中：Rha为桩水平承载力特征值；α为水平变形系数；m为土水平抗力系数的比例系数；EI为桩的抗弯刚度；b0为桩计算宽度；vx为桩顶水平位移系数；xa为桩顶水平位移。

m按经验取15 MN/m4，桩顶按铰接考虑，xa可按实测值计算。代入数据计算得：α=0.45，Rha=493.9 kN。

依据有限元计算结果，桥桩在基坑开挖过程中受到的最大横向水平力为124.6 kN，水平承载力允许值大于桥桩实际受到的横向水平力，桥桩水平承载力满足要求。

5 结论

(1)深基坑开挖对邻近构筑物影响较大，由于应力释放，会增大桥桩的水平位移，导致附加弯矩产生，开挖后最大水平位移为10.6 mm。

(2)隔离桩对降低桩基水平位移和附加弯矩有显著效果，相对于无硬隔离工况，隔离桩可使弯矩减小22.4%。实际施工过程中，可进行隔离桩厚度、隔离桩长度、空间位置等方面参数优化。

(3)基坑降水对邻近构筑物有显著影响，会显著增大桩基水平位移。

(4)依据计算和实测结果，设计方案可行，桥桩最大水平承载力为493.9 kN，满足水平承载力要求。