孙 阳，李怡玮，顾祯雪，余 杰，郦 纲，杨 攀

(1.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京210098；2.河海大学淮安研究院，江苏 淮安 223001；3.杭州京杭运河二通道建设投资有限公司，浙江 杭州310020；4.中铁十七局集团第六工程有限公司，福建 福州350014)

新开挖航道在已有建筑物结构中穿行时，开挖卸荷往往会诱发周边土体产生应力释放和位移，进而在邻近既有桩体内部产生附加应力和变形，削弱桩基服役能力[1]，造成工程灾害，因此构建合理的结构保护方案是不可忽视的。贺健军等[2]运用MIDAS GTS软件建立模型，分析不同基坑开挖以及注浆加固参数下既有桥梁桩基的变形特性；李士中[3]通过Plaxis 3D软件分析航道开挖过程中10种施工工况对邻近高速铁路桥墩的影响程度；盛军其等[4]利用有限元分析软件，研究航道开挖过程中采用一定措施时地铁盾构隆起位移的理论值。

本文结合杭州京杭运河二通道下穿沪昆高铁工程，基于设计的下穿段加固方案建立三维有限元模型，针对不同施工阶段模拟分析土体和结构响应规律，对下穿过程中桥墩的安全状态进行评估。

1 计算模型及参数

1.1 工程概况

工程位于京杭大运河三级航道扩建工程即京杭运河“二通道”沪昆高铁下穿段，航道顶面宽60 m、底面宽45 m。受航道开挖影响的桥墩为沪昆高铁海杭特大桥京杭运河桥段连续梁80 m桥跨处的232#和233#中墩，桩墩尺寸4.5 m×9.0 m×19.5 m(顺向×横向×高)，承台尺寸14.3 m×14.3 m×3.5 m，加台尺寸8.4 m×10.3 m×2.0 m。每个桥墩下设16根桩基，桩径1.5 m，桩长67 m。

受新建航道影响，为防止航道两侧邻近桥墩因土体开挖释放单侧约束而造成的基础与桥墩侧向偏移，对232#和233#桥墩进行保护性设计，加固设计方案如图1所示。先在受影响桥墩两侧设置3排围护桩，桩径1.2 m，桩间距1.4 m，外侧桩桩长30 m，内侧桩和中间桩桩长28 m。在内侧桩和中间桩之间设置水泥搅拌桩，桩径0.8 m，桩间距0.6 m，有效桩长10 m，在桩顶设置1.5 m厚钢筋混凝土板；在内侧桩之间设置直径0.8 m水泥搅拌桩，桩间距0.6 m，有效桩长5 m，桩顶区域设置截面尺寸为1.0 m×1.1 m(长×宽)的钢筋混凝土锚梁，锚梁上进行厚0.4 m的河底铺砌。外侧桩和中间桩采用截面边长为1.0 m钢筋混凝土斜撑连接，开挖过程中在围护桩之间设置双层内外钢筋混凝土横撑，横撑截面边长为1.0 m，斜撑、横撑间距均为6 m。紧贴航道边线设置防撞墙，墙底采用钻孔灌注桩基础，桩径1.0 m，桩长15 m。

图1 控制措施布置

1.2 模型参数

1.2.1土体参数

工程区域位于浙江海宁市，以软土为主，模型中地下水位参考工程地勘报告设置在地面以下4 m处，主要土层物理力学参数见表1。

表1 土体参数

1.2.2结构单元参数

围护钻孔桩、钢筋混凝土底板、防撞挡墙、河底铺砌层采用板单元模拟，使用C40水下混凝土，临时挡土墙采用C30混凝土。基于张建勋等[5]、陈福全等[6]对被动桩间的土拱效应研究，当桩间距小于3倍桩径时可将单排围护桩结构按刚度等效成围护桩墙。

冠梁、横撑、斜撑和锚梁用梁单元模拟，冠梁和横撑采用C30混凝土，斜撑和锚梁采用C40混凝土。

高铁桥墩桩基、防撞桩基结构采用嵌固桩单元模拟，部分参数参考《建筑桩基技术规范》[7]确定。桩基材料为C40混凝土，其中桥墩桩基桩端阻力标准值2 500 kPa，防撞桩基桩端阻力标准值500 kPa，桩基侧摩阻力沿土层深度呈多线性分布，淤泥质黏土、粉质黏土、黏土、砾土、泥质砂岩的桩基侧摩阻力标准值分别为28、53、96、150、200 kPa。

桥墩承台和搅拌桩加固区采用实体单元模拟，选用线弹性本构模型。其中，桥墩结构采用C40混凝土，搅拌桩加固区按照桩土混合情况计算，按《建筑地基处理技术规范》[8]建议的面积置换计算原则，通过计算搅拌桩在加固平面区域内面积占比作为权系数，用搅拌桩弹性参数置换土体参数，最终加固区密度ρ取2.50 t/m3，弹性模量E为2.1 GPa，泊松比ν取0.224。

1.2.3设计荷载参数

按《铁路桥涵设计规范》[9]要求，考虑结构自身重力及列车荷载作用下最不利荷载组合，计算得出桥墩顶面荷载约为880 kN/m2。水荷载考虑最高通航水位2.4 m时水体密度，以面荷载形式施加在航道坑底及两侧边坡。

1.3 三维有限元模型建立

为减小边界效应，模型尺寸应取结构尺寸的3～5倍，计算模型尺寸为300 m×150 m×100 m(航道中心线方向×断面方向×深度)。生成网格时对航道下穿段及外侧20 m范围内土体和结构物进行局部加密，结构整体共生成个15.679 4万个单元、27.335 8万个节点。所建三维模型如图2所示。

图2 三维模型

1.4 计算阶段设置

本模型共设置16个分析阶段，分别为：1)地应力平衡；2)设置既有桥墩结构；3)围护桩及防撞桩基施工；4)土体加固；5)开挖表层土至1.5 m深；6)冠梁施工及架设首层内、外横撑；7)开挖航道两侧基坑至4 m深(首次降水)；8)架设第2层内横撑；9)开挖航道两侧基坑4 m深(二次降水)；10)架设斜撑；11)钢筋混凝土底板施工；12)开挖航道内基坑；13)航道底部锚梁、铺砌施工；14)开挖斜撑基坑；15)拆除横撑、冠梁和多余的围护桩并施工防撞挡墙；16)施加水荷载。

2 数值结果与分析

2.1 基坑维护方案评价方法

根据《建筑地基基础工程施工质量验收标准》[10]规定，本工程航道基坑作为重要工程或支护结构作主体结构的一部分，为一级基坑。加固方案评价标准参考《建筑基坑工程监测技术规范》[11]一级基坑变形控制标准和《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》[12]中桥墩结构变形控制标准。

2.2 土体响应规律

2.2.1航道坑底隆起

部分施工过程土体的竖向位移见图3，其中Uzm表示最大土体隆起，Usm表示最大土体沉降，正值表示隆起，负值表示沉降。可以看出，航道中心坑底绝对沉降值比绝对隆起值小很多，坑底总体呈隆起趋势。随航道开挖，部分土体向上隆起，隆起最大位置集中在航道内部，航道两侧斜坡处土体隆起值较小。航道土方开挖完成后，铁路桥下穿处隆起范围较小，向两端隆起范围逐渐变宽，呈中间窄、两端宽的双曲线型，底部隆起值为32.64 mm。拆除围护和支撑后，坑底隆起略有增大，达到整个施工过程的峰值，为34.63 mm，满足基坑变形控制标准中坑底隆起35 mm的限值。

图3 各阶段土体竖向位移分布

为进一步观察控制措施对坑底土体变形的影响，选取航道坑底中心一点L1，计算各加荷和卸荷阶段土体绝对隆起与绝对沉降值分别在总隆起和总沉降中的占比，见图4。可以看出，开挖航道内基坑(阶段12)时，土体大量开挖卸荷引起的坑底隆起最为明显，约占土体总隆起的48.8%；开挖表层土(阶段5)时坑底绝对隆起仅次于阶段12，此时虽然基坑开挖深度较小，但土体表层土开挖范围大，两侧外围护桩之间的土方均需开挖且未设置支撑系统，因而造成较大的坑底隆起；与此相对，开挖斜撑基坑时(阶段14)虽然土方开挖量较大，但土体隆起绝对值仅为5.40 mm，可见支护系统有效地限制了土体向上移动。

图4 航道中心坑底绝对隆起值和绝对沉降值

值得注意的是，开挖航道两侧基坑(阶段7与9)时，支护系统尚未完善，土方开挖量大，但引发的土体坑底位移较小，分别为4.24和6.02 mm。结合施工工序，阶段7与9时分别进行了两次基坑降水，降水会引起明显的土体沉降，一定程度上抵消了土体隆起。因此，在基坑开挖过程中，应分层进行多次降水，既可避免一次降水造成过大土体沉陷，也能有效控制土体开挖引发的隆起。

2.2.2地表沉降

土体地表沉降的发展规律见图5。开挖表层土时，土体隆起一定程度上抵消了沉降，沉降区域集中在桥墩结构的南北两侧。随着航道基坑不断开挖，地表沉降最大处逐渐向加固范围外侧移动，至外围护桩外侧时，地表沉降出现明显的沉降槽。最大地表沉降发生在施加水荷载阶段后，为17.22 mm。

图5 S1处地表沉降

选取外围护桩外侧5处不同地表的沉降路径分析，其区域位置如图5所示，不难发现5处地表沉降发展规律非常类似，以S1处地表为例，加固范围内及邻近区域的地表沉降均维持在较低水平，表明微扰动控制方案效果良好。

2.3 结构响应规律

2.3.1围护墙位移

本工程设置3排围护桩，复杂的开挖顺序使桩在航道开挖过程中呈现不同的变形状态。选取围护桩上的典型位置进行航道开挖过程中桩的变形分析，并选取一组绘制在图6中，其中横轴δh为围护桩垂直于航道方向水平位移。可以看出，开挖深度、开挖位置、支护系统等因素对桩的变形都会产生影响。

图6 典型围护桩分布位置及阶段桩身侧移发展

施工过程中不同位置围护桩顶竖向和水平位移变化见图7。可以看出，同一类型围护桩顶竖向位移在同一时期差异不大，其中内围护桩顶竖向位移接近变形限值20 mm，须重点关注。桩顶水平位移以航道轴线为中心表现出明显的对称性，对比图7a)、b)发现桩顶水平位移远小于竖向位移。

图7 围护桩顶位移

2.3.2桩基变化

航道基坑开挖不可避免地会引发高铁桥墩桩基变位，以航道东侧232#桥墩桩为研究对象，对桥墩承台下的16根桩基进行标号，其中以1#桩基为例，其桩身位移分析结果见图8，横向即x方向，顺向即y方向。可以看出，斜撑基坑开挖完成后1#桩基桩身顺向位移达到最大值1.93 mm，施加水荷载后桩基顺向位移反而减小。对比图8b)、c)可知，桩基横向位移对航道基坑施工的影响非常小。

图8 桥墩桩基编号及1#桩基位移

2.3.3桥墩结构位移

桥墩顶的竖向位移发展情况见图9。最终232#和233#桥墩分别向下沉降了0.57和0.72 mm，远小于规范要求的2 mm限值。

图9 桥墩顶竖向位移

航道中心坑底土体、232#桥墩1#桩顶以及232#桥墩顶的竖向位移发展情况对比见图10。可以看出，三者竖向位移变化趋势非常相似，就对航道施工的变形响应来看，土体>桩基>桥墩。

图10 土体、桩顶和桥墩顶的竖向位移对比

3 结语

1)航道土方完全开挖后，航道坑底隆起呈中间窄、两端宽的双曲线型。土方开挖、拆除围护和支撑等卸荷步骤时坑底土体回弹，施工支撑、混凝土板和施加水荷载等加荷阶段时坑底土体沉降，此外基坑降水也是影响土体沉降的重要因素。数值计算结果表明，坚实的支护系统、分层开挖结合多次降水，可以避免较大土体沉陷，有效控制土体开挖引发的坑底隆起。

2)围护桩桩身随开挖深度、开挖位置、支护系统等情况呈现出不同的变形特性。维护桩顶竖向位移远大于水平位移，从最终竖向位移绝对值来看，施工过程中应重点关注内围护桩的位移情况。

3)高铁桥墩顶、桩基及航道坑底土体的竖向位移变化趋势非常相似，对航道施工的变形响应大小为：土体>桩基>桥墩。

4)本设计加固方案下的土体位移和结构位移均符合规范限值要求，有效控制了高铁桥桩基和桥墩变形和位移，满足列车安全运行要求。