王振楠，楊冬英，李學(xué)東，方涵青

（1.蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州215011；2.江蘇蘇州地質(zhì)工程勘察院，江蘇 蘇州215129）

隨著城市立體交通的發(fā)展，軌道交通日益興起，輕軌高架因其既能夠降低城市軌道交通的單位造價(jià)又能夠有效利用城市空間而被廣泛采用。由于地鐵線路規(guī)劃建設(shè)越來越多，地鐵線路建設(shè)中常出現(xiàn)地鐵施工下穿既有輕軌高架線路的情況，考慮到既有線路在基坑施工中仍然高頻次地運(yùn)營，保證基坑開挖過程中的既有線路的安全穩(wěn)定格外重要。近幾十年來，許多專家學(xué)者進(jìn)行了大量基坑開挖對(duì)建（構(gòu)）筑物的影響研究，取得了一系列的研究成果。丁勇春總結(jié)了在軟土底層深基坑施工過程中，基坑開挖對(duì)地表沉降的影響范圍[1]。徐中華等通過大量的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)了上海地區(qū)基坑開挖過程中墻后地表沉降規(guī)律并提出了凹槽型墻后地表沉降形態(tài)的預(yù)測(cè)曲線[2]。結(jié)合基坑周邊地表沉降規(guī)律許多中外專家學(xué)者對(duì)鄰近基坑的建（構(gòu)）筑變形特性也做了大量研究，總結(jié)了其豎向、水平位移等變形規(guī)律[3-6]。龔曉南、陳卓等則通過理論求解，總結(jié)了鄰近基坑的樁基承載力的變化規(guī)律[7-8]。隨著計(jì)算機(jī)模擬軟件快速發(fā)展，越來越多的專家學(xué)者在鄰近地鐵車站問題的研究上，采用數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行分析討論，研究了新建地鐵車站近接施工對(duì)其周邊既有地鐵車站結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響[9-13]。陳鋒、劉書斌等對(duì)多種土體本構(gòu)模型進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為硬化土模型（HS模型）在蘇南地區(qū)偏硬土體的模擬計(jì)算中優(yōu)于其他本構(gòu)模型，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值較為吻合，可以預(yù)測(cè)復(fù)雜施工環(huán)境下基坑開挖對(duì)周邊建（構(gòu)）筑的影響[14-15]。

當(dāng)下基坑工程周邊施工環(huán)境日趨復(fù)雜，線路交叉穿越，需要特別關(guān)注既有線路在新建地鐵基坑施工期間的使用（運(yùn)營）安全問題，故本文將以蘇南地區(qū)某換乘車站基坑施工為背景，結(jié)合數(shù)值模擬分析軟件建模，綜合分析基坑開挖過程中的橋墩基礎(chǔ)豎向變形、橋墩水平位移及樁基礎(chǔ)變化情況，以期對(duì)類似工程設(shè)計(jì)、施工提供指導(dǎo)借鑒。

1 項(xiàng)目背景及模型建立

1.1 項(xiàng)目概況

新建地鐵車站為地下二層島式車站，如圖1所示。基坑外包總長357.5 m，外包總寬19.7 m。標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度約16.1 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻+三道內(nèi)支撐形式，地下連續(xù)墻固嵌深度約為27 m；鄰近高架處基坑采用人工鉆孔灌注樁+五道內(nèi)支撐形式，人工鉆孔灌注樁埋深約為27.5 m，鄰近橋墩基坑開挖斷面如圖2所示?；铀趫?chǎng)地地下水類型主要為松散巖類孔隙水，年平均水位埋深約2.0 m，年變幅2.0 m—————————左右?；又車匾ǎ?gòu)）筑物較多，尤其是下穿既有高架段，既有高架橋墩承臺(tái)埋深3 m，基礎(chǔ)形式為直徑1.2 m人工鉆孔灌注樁，埋深55 m，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)距離橋墩承臺(tái)僅有3 m，對(duì)變形控制要求極高。

圖1 新建地鐵車站基坑平面布置圖

圖2 鄰近橋墩基坑開挖斷面圖

1.2 模型規(guī)劃及工況劃分

本文將采用數(shù)值模擬分析軟件Midas GTS/NX建立三維模型對(duì)基坑開挖全過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析?？紤]到在軟土底層深基坑施工過程中，基坑開挖對(duì)地表的影響一般不超過圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊緣外5H（H為開挖深度），主要影響在2H范圍以內(nèi)且受基坑長寬比的影響[1]。數(shù)值模型新建車站基坑主體平面尺寸取358 m×20 m，地下連續(xù)墻固嵌深度取27.5 m，模型水平邊界取距圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊緣5H，豎向邊界取1.5倍高架樁基長度。

數(shù)值計(jì)算中，土體、高架橋墩、承臺(tái)、橋面板、既有車站地下室均采用實(shí)體單元模擬；內(nèi)支撐、格構(gòu)柱、鉆孔灌注樁、高架橋樁采用梁單元模擬；地下連續(xù)墻、基坑底板采用板單元模擬，其中地下連續(xù)墻單元滲透系數(shù)取0 cm/s用于模擬止水帷幕；既有建筑物、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及新建車站主體結(jié)構(gòu)均假定為彈性材料，參數(shù)取值如表1所列；樁-土界面、地下連續(xù)墻-土界面均采用庫倫摩擦接觸，摩擦系數(shù)已列入表1中?；酉麓└呒芏文Ｐ腿鐖D3所示，在圖3中，①為既有輕軌高架，②為基坑主體，③為既有輕軌車站。

表1 樁、地下連續(xù)墻、支撐、既有車站及高架等材料參數(shù)

基坑采用分段分層放坡開挖，且嚴(yán)格按照先支后挖的施工步驟。按照施工設(shè)計(jì)方案，基坑共分為三個(gè)開挖段：主基坑開挖段，高架處基坑開挖段，逆作區(qū)開挖段，如圖4所示。其中①為主基坑開挖段，②為高架處基坑開挖段，③逆作區(qū)開挖段，④為既有輕軌車站，⑤為既有輕軌高架，箭頭表示開挖方向。

圖4 基坑開挖段

實(shí)際施工中按照先主基坑及逆作區(qū)基坑開挖后下穿高架段基坑開挖的順序逐層放坡開挖，施工中充分考慮時(shí)空效應(yīng)。數(shù)值模擬中開挖順序完全遵循現(xiàn)場(chǎng)施工工序，僅將實(shí)際工程中的放坡開挖簡化成分層開挖，主基坑開挖前基坑采用坑內(nèi)集水井進(jìn)行排水，保證基坑開挖前坑內(nèi)整體水位降至開挖面下1 m，整體降水時(shí)長為20 d。模型計(jì)算中，按照先滲流場(chǎng)分析后應(yīng)力場(chǎng)分析的步驟進(jìn)行應(yīng)力-滲流耦合分析的計(jì)算。按照下穿高架段基坑的施工步驟，模型中基坑施工共分為十個(gè)階段，基坑施工工序如表2所列。

表2 施工工序

1.3 本構(gòu)模型及計(jì)算參數(shù)

工程所在地區(qū)土體偏硬呈現(xiàn)典型土層的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變成雙曲線關(guān)系，適合采用硬化土模型（HS模型）進(jìn)行模擬分析[14]。HS模型中共有11個(gè)參數(shù)，結(jié)合如表3所列的參數(shù)取值方法，本文所需HS模型主要參數(shù)如表4所列。

表3 HS模型部分參數(shù)取值

表4 土層HS模型參數(shù)

2 基坑降水開挖下橋墩豎向位移

2.1 基坑降水開挖前現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

如圖5所示，下穿高架段基坑共設(shè)置了10個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及8個(gè)橋墩沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中橋墩沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于橋墩承臺(tái)四周，在下穿高架段基坑開挖過程中，保持每天一測(cè)的監(jiān)測(cè)頻率。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

基坑降水開挖前現(xiàn)場(chǎng)橋墩豎向位移如圖6所示，這一階段各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移變化在1～2 mm左右，主要可分為兩個(gè)部分：第一部分為地連墻施工前，此時(shí)的豎向位移量在-1～1 mm之間波動(dòng)，可以認(rèn)為此時(shí)的豎向位移量主要是由于既有高架線路地鐵列車正常運(yùn)營所引起的；第二部分為地連墻施工階段，造成此部分豎向位移的因素除運(yùn)營列車影響外還有因圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工造成的土體擾動(dòng)。此時(shí)橋墩承臺(tái)有最大2.1 mm的隆起值，且最后在1 mm左右波動(dòng)，波動(dòng)范圍為±1 mm，與第一部分既有線路正常運(yùn)營引起的波動(dòng)范圍吻合。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)橋墩豎向位移

2.2 基坑降水開挖后橋墩基礎(chǔ)豎向位移對(duì)比

圖7 、圖8所示為A、B橋墩（見圖5）各開挖階段豎向位移模擬計(jì)算值及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值對(duì)比。從整體上看，A、B橋墩在基坑開挖過程中均表現(xiàn)出先隆起后沉降趨勢(shì)，在車站主體結(jié)構(gòu)施工過程中則以上抬趨勢(shì)為主。

圖8 B橋墩沉降計(jì)算對(duì)比

Ⅲ階段前，此時(shí)基坑開挖較淺，承臺(tái)有明顯的上抬趨勢(shì)，其主要原因是蘇南軟土地區(qū)基坑大面積開挖會(huì)造成坑底土體回彈，繼而帶動(dòng)鄰近的樁基礎(chǔ)上拔。其中在Ⅱ階段，由于開挖前基坑降水，模擬值與實(shí)測(cè)值均表現(xiàn)出較小的沉降值（約1 mm），隨后下穿高架處基坑繼續(xù)開挖卸荷，橋墩又表現(xiàn)出上抬趨勢(shì)。在Ⅴ階段由于降水以及主體基坑開挖深度的增加，橋墩由上抬轉(zhuǎn)為沉降。

Ⅵ階段，此時(shí)水位穩(wěn)定，且基坑開挖以下穿高架段為主，此時(shí)開挖深度較淺，橋墩承臺(tái)豎向位移變化相對(duì)穩(wěn)定（約0.5 mm）。Ⅶ階段，基坑開挖至坑底，坑內(nèi)水位降至坑底以下，橋墩承臺(tái)最大沉降幅度達(dá)4.8 mm，且此時(shí)出現(xiàn)最大累計(jì)沉降值6.4 mm（實(shí)測(cè)值6 mm），超過預(yù)警值（5 mm），是整個(gè)施工過程中最為危險(xiǎn)的階段。

Ⅷ、Ⅸ階段，隨基坑開挖完成，車站主體結(jié)構(gòu)施工，受車站側(cè)壁混凝土澆筑的影響，橋墩基礎(chǔ)由沉降轉(zhuǎn)為抬升，在基坑封頂覆土后沉降穩(wěn)定在+1 mm（實(shí)測(cè)+2 mm）左右，最終橋墩基礎(chǔ)表現(xiàn)為上抬。與模擬值平滑的沉降曲線不同，實(shí)測(cè)值沉降曲線有較多的波動(dòng)且波動(dòng)范圍在±1 mm左右。波動(dòng)范圍與施工前期既有高架線路地鐵列車正常運(yùn)營所造成的位移量相符合。

單獨(dú)對(duì)比A橋墩承臺(tái)的四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（JDT1-5～JDT1-8），靠近基坑一側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)（JDT1-6）無論是累計(jì)變形量還是變形幅度都是最大值，這使得橋墩承臺(tái)在整個(gè)基坑開挖過程中呈現(xiàn)出靠近基坑一側(cè)高，遠(yuǎn)離基坑一側(cè)低的狀態(tài)，且隨著基坑開挖深度加深，橋墩基礎(chǔ)傾斜越大。

Ⅶ階段A橋墩及橋墩周邊地表沉降如圖9（a）所示，此時(shí)橋墩承臺(tái)沉降值以及傾斜度均達(dá)到最大值，是整個(gè)基坑開挖施工過程中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。這一階段A橋墩周邊最大地表沉降點(diǎn)距圍護(hù)墻約0.59H，最大沉降約為H×0.69%，橋墩基礎(chǔ)沉降趨勢(shì)與周邊地表沉降趨勢(shì)較為吻合，沉降值約為周邊地表沉降值的57%（實(shí)測(cè)值約54%）。測(cè)點(diǎn)JDT1-6、JDT1-8最大沉降差達(dá)3.6 mm（實(shí)測(cè)3.1 mm），橋墩基礎(chǔ)達(dá)到最大傾斜度會(huì)對(duì)既有輕軌線路造成一定的變形影響但此變形始終在設(shè)計(jì)允許值要求內(nèi)。隨著基坑主體結(jié)構(gòu)施工，橋墩承臺(tái)沉降逐漸穩(wěn)定，橋墩基礎(chǔ)傾斜度減小，最終JDT1-6、JDT1-8兩點(diǎn)沉降差為0.3 mm（實(shí)測(cè)0.4 mm）。相較于JDT1-6、JDT1-8，東西兩側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)JDT1-5、JDT1-7，豎向位移差則始終相對(duì)較小，但其豎向位移大小在整基坑降水開挖過程中仍是最大值，施工過程中需要重視。

圖9 （b）所示為B橋墩承臺(tái)及周邊地表沉降曲線，Ⅶ階段B橋墩承臺(tái)傾斜度達(dá)到最大，橋墩承臺(tái)亦表現(xiàn)為靠近基坑一側(cè)高于遠(yuǎn)離基坑一側(cè)，最大沉降差為2 mm（實(shí)測(cè)1.8 mm）。受既有車站基礎(chǔ)影響，B橋墩承臺(tái)及周邊地表沉降均略小于A橋墩承臺(tái)，地表最大沉降點(diǎn)距圍護(hù)墻約0.56H最大沉降約為H×0.67%。按照一級(jí)基坑設(shè)計(jì)要求，基坑施工期間地表及橋墩基礎(chǔ)豎向位移量僅在Ⅶ階段接近或少許超出預(yù)警值，基坑開挖施工過程中橋墩豎向變形不會(huì)對(duì)既有輕軌高架造成嚴(yán)重影響。

圖9 Ⅶ階段橋墩周邊地表沉降

3 基坑開挖對(duì)橋墩水平位移影響

本工程對(duì)A、B橋墩兩個(gè)方向的水平位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，其中沿基坑方向?yàn)閤方向，沿高架方向?yàn)閥方向。圖10所示為A橋墩在基坑施工過程中的水平位移變化，橋墩基礎(chǔ)在基坑開挖過程中其水平位移在多個(gè)方向均有發(fā)展。

圖10 A橋墩水平位移值

階段Ⅰ此時(shí)基坑開挖較淺，橋墩承臺(tái)僅有0.45 mm左右的水平位移。階段Ⅱ逆作區(qū)基坑開挖深度大于主體基坑及下穿高架段基坑，橋墩承臺(tái)水平位移朝逆作區(qū)基坑發(fā)展，此時(shí)最大位移模擬值為1.5 mm（實(shí)測(cè)0.98 mm）。階段Ⅱ～Ⅴ，項(xiàng)目保持先主基坑及逆作區(qū)基坑開挖后下穿高架段基坑開挖的工序，此時(shí)受到兩側(cè)基坑不對(duì)稱開挖的影響，橋墩基礎(chǔ)在x方向上的位移由偏向逆作區(qū)基坑轉(zhuǎn)向主基坑方向，在y方向上隨基坑開挖加深橋墩基礎(chǔ)進(jìn)一步朝向基坑方向。階段Ⅴ～Ⅷ，下穿高架段基坑持續(xù)施工，橋墩基礎(chǔ)水平位移發(fā)展趨于平穩(wěn)，最大水平位移模擬值為2.5 mm（實(shí)測(cè)1.7 mm）。階段Ⅷ、Ⅸ，隨著主體結(jié)構(gòu)施工、土體回填，橋墩基礎(chǔ)上抬的同時(shí)y方向上也逐漸由朝向基坑轉(zhuǎn)為遠(yuǎn)離基坑，x方向上水平位移值稍有減小，最終橋墩基礎(chǔ)朝西南方向有1.7 mm左右的水平位移（實(shí)測(cè)1 mm）。

圖11 所示為B橋墩水平位移變化，其變化規(guī)律與A橋墩相似，階段Ⅰ、Ⅱ橋墩基礎(chǔ)在x方向朝向逆作區(qū)基坑發(fā)展，y方向遠(yuǎn)離基坑；階段Ⅲ～Ⅷ，x方向朝向主基坑，y方向則進(jìn)一步遠(yuǎn)離基坑，基坑開挖期間最大水平位移為1.92 mm（實(shí)測(cè)1.6 mm）。不同于A橋墩，B橋墩靠近既有地鐵車站，在階段Ⅷ、Ⅸ，由于既有車站地下室對(duì)B橋墩承臺(tái)有一定約束，而模擬計(jì)算中既有車站僅設(shè)置了淺基礎(chǔ)，所以導(dǎo)致實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中橋墩在y方向的位移值小于模擬值（模擬值1.49 mm，實(shí)測(cè)0.55 mm）。

圖11 B橋墩水平位移值

A、B橋墩基礎(chǔ)水平位移發(fā)展在基坑降水開挖過程中總體上處于x方向朝向主基坑開挖段，y方向遠(yuǎn)離基坑的狀態(tài)；在后續(xù)主體結(jié)構(gòu)施工過程中y方向轉(zhuǎn)為朝向基坑，B橋墩基礎(chǔ)受既有車站地下室及基礎(chǔ)影響其水平位移值小于A橋墩基礎(chǔ)；與水平位移控制值（6 mm）相比，A、B橋墩基礎(chǔ)水平位移模擬值與實(shí)測(cè)值均小于控制要求。

4 基坑開挖對(duì)橋墩樁基礎(chǔ)的影響

4.1 樁基變形

圖12 所示為A、B橋墩樁基礎(chǔ)在Ⅶ階段變形值。在基坑開挖至坑底標(biāo)高時(shí)，鄰近的樁基礎(chǔ)變形主要集中在圍護(hù)結(jié)構(gòu)固嵌深度內(nèi)，距離基坑較近的樁基礎(chǔ)變形略小于距離較遠(yuǎn)的樁基礎(chǔ)。

圖12 橋墩樁基礎(chǔ)變形

A橋墩位于基坑南側(cè)，受到橋墩承臺(tái)水平位移的影響樁頂產(chǎn)生2.55 mm的變形，樁身最大變形發(fā)生在第五道支撐處，最大變形值約為4.8 mm；-40 m以下的樁身變形接近零。B橋墩位于基坑北側(cè)，樁基礎(chǔ)變形規(guī)律與A橋墩相似，但B橋墩樁基受既有車站基礎(chǔ)影響，樁基礎(chǔ)變形小于A橋墩，其最大變形值約為4.1 mm。A、B橋墩樁基礎(chǔ)在Ⅶ階段的變形均小于控制值，本工程的支護(hù)形式能有效地控制鄰近的樁基礎(chǔ)的側(cè)向變形。

4.2 樁基承載力損失

基坑施工前，既有橋墩基礎(chǔ)上部最大恒載為11 654.1 kN，最大活載為2 272 kN，按照《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[21]計(jì)算可得最大設(shè)計(jì)荷載值為17 960 kN。樁周土極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值如表5所列，經(jīng)計(jì)算橋墩樁基礎(chǔ)極限摩阻力為10 780 kN，極限端阻力為1 043 kN，單樁豎向承載力極限值11 823 kN。

表5 樁周土極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值

通過在樁基礎(chǔ)單元頂部施加大小為單樁豎向承載力極限值的豎向荷載，并提取各施工階段單樁側(cè)摩阻力值，以A橋墩單樁承載力為例對(duì)本工程基坑開挖階段橋墩承載力變化作出分析（見圖13）。橋墩單樁承載力隨基坑開挖深度加深而逐漸減小，其減小速率與開挖深度呈線性關(guān)系。單樁承載力在基坑開挖到坑底設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)達(dá)到最小值，此時(shí)樁基承載力為9 850 kN，損失比達(dá)16.7%，考慮到樁基設(shè)計(jì)過程中參數(shù)取值均比較保守，實(shí)際設(shè)計(jì)中安全系數(shù)[21]一般取值為2，故此幅度的承載力損失基本不會(huì)對(duì)高架橋安全造成威脅。

圖13 承載力損失

5 結(jié)論

（1）基坑降水開挖施工過程中，土體開挖較淺時(shí)，受卸荷效應(yīng)影響橋墩基礎(chǔ)會(huì)有所上抬，隨基坑降水以及開挖深度加深，橋墩基礎(chǔ)發(fā)生沉降?；又苓叺乇砑皹蚨栈A(chǔ)在基坑開挖至坑底標(biāo)高時(shí)產(chǎn)生最大沉降，最大地表沉降距圍護(hù)墻0.59H，最大沉降值為H×0.69%，鄰近基坑的橋墩基礎(chǔ)沉降趨勢(shì)與周邊地表沉降趨勢(shì)相吻合，沉降值約為周邊地表沉降值的57%，此時(shí)橋墩基礎(chǔ)略有傾斜，靠近基坑一側(cè)承臺(tái)高于遠(yuǎn)離基坑一側(cè)承臺(tái)3.6 mm。隨后續(xù)施工完成，橋墩基礎(chǔ)沉降逐漸恢復(fù)，橋墩基礎(chǔ)傾斜度減小兩側(cè)沉降差減小至0.3 mm，橋墩基礎(chǔ)最終表現(xiàn)為上抬。

（2）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，基坑降水開挖施工過程中橋墩基礎(chǔ)朝基坑方向產(chǎn)生水平位移，位移值隨基坑開挖深度加深而逐漸增大，最大水平位移值為2.5 mm；橋墩基礎(chǔ)水平位移易受不對(duì)稱開挖影響且朝向基坑土方開挖量大的一側(cè)發(fā)展；主體結(jié)構(gòu)施工后橋墩基礎(chǔ)上抬的同時(shí)逐漸朝遠(yuǎn)離基坑方向位移，最大水平位移值為2 mm。

（3）基坑降水開挖施工過程中，鄰近基坑的樁基礎(chǔ)會(huì)產(chǎn)生深層水平位移變形，其變形主要在圍護(hù)結(jié)構(gòu)固嵌深度范圍以內(nèi)，最大變形發(fā)生在第五道支撐處，最大變形值約為4.8 mm；靠近基坑一側(cè)的樁基礎(chǔ)變形略小于遠(yuǎn)離基坑一側(cè)樁基礎(chǔ)；既有車站基礎(chǔ)對(duì)樁基礎(chǔ)變形有一定約束作用。

（4）模擬計(jì)算表明項(xiàng)目施工過程中橋墩單樁承載力隨基坑開挖深度加深而逐漸減小，單樁承載力在基坑開挖到坑底時(shí)達(dá)到最小值，損失比達(dá)16.3%。但考慮到實(shí)際設(shè)計(jì)中安全系數(shù)取值較高，此幅度的承載力損失基本不會(huì)對(duì)高架橋安全造成威脅。