陳 靜，羅良瑞，姚愛(ài)軍，翟玉新，李曉閣 ，曹秀玲

(1.中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100040；2.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124；3.河北地質(zhì)大學(xué)，河北 石家莊 050031)

地下綜合管廊逐漸成為城市建設(shè)不可或缺的一部分，其建設(shè)時(shí)通常會(huì)鄰近既有結(jié)構(gòu)，由于基坑開(kāi)挖和管廊箱涵的施作會(huì)改變周?chē)馏w原有應(yīng)力，導(dǎo)致周?chē)扔薪Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度位移從而引起災(zāi)變，研究穿越時(shí)既有結(jié)構(gòu)位移變形規(guī)律及不同防控措施對(duì)其保護(hù)程度十分關(guān)鍵。

木林隆等[1]建立了基坑圍護(hù)墻變形與樁基變形的關(guān)系，進(jìn)一步通過(guò)對(duì)基坑與樁基的主要相關(guān)參數(shù)分析提出了變形影響因子。胡斌等[2]提出在基坑施工過(guò)程中可通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，掌握基坑施工在下一個(gè)階段的變形趨勢(shì)。李龍劍等[3]采用彈塑性有限元方法模擬無(wú)支撐基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近高架基礎(chǔ)的影響，分析了不同加固方案對(duì)控制橋梁樁基變形的作用。李智彥等[4]分析了在鉆孔灌注樁施工時(shí)各步序施工條件下對(duì)周?chē)馏w應(yīng)力和變形的影響，從而討論其對(duì)鄰近樁基應(yīng)力、變形的影響。一些學(xué)者利用有限元軟件對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行建模，模擬施工過(guò)程，研究不同施工參數(shù)對(duì)既有結(jié)構(gòu)位移影響規(guī)律，在復(fù)雜地質(zhì)條件及特殊結(jié)構(gòu)、特殊工況下將各因素進(jìn)行綜合考慮，通過(guò)對(duì)比不同工況下樁基位移，總結(jié)出控制既有結(jié)構(gòu)變形的有效措施[5-9]。

本文依托益州大道南二段綜合管廊杭州路支線管廊穿越杭州路跨線橋?qū)嶋H工程，采用有限元方法分析綜合管廊穿越工程對(duì)既有橋體結(jié)構(gòu)造成的影響。通過(guò)對(duì)施工全階段進(jìn)行模擬，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)及橋體結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，并討論支護(hù)樁、地下連續(xù)墻、土體注漿加固等不同措施的控制水平[10-15]，為類似工程提供參考。

1 工程概況

益州大道南二段綜合管廊項(xiàng)目起于武漢路南側(cè)，止于南寧路南側(cè)，其中杭州路支線管廊從杭州路跨線橋5，6號(hào)橋樁既有結(jié)構(gòu)中間穿過(guò)，如圖1所示，管廊施工采用明挖法，基坑深度為9～14m，基坑邊緣距離兩側(cè)橋樁約10m，在開(kāi)挖時(shí)為減小對(duì)既有橋樁的影響，基坑與橋樁中間布置鉆孔灌注樁，基坑開(kāi)挖時(shí)采用分層放坡開(kāi)挖，隨著基坑開(kāi)挖進(jìn)行噴射混凝土及土釘施作。

圖1 管廊與橋樁位置平面

該綜合管廊為兩艙結(jié)構(gòu)，寬9.4m、高4m，頂板、側(cè)壁、底板均厚0.5m，箱涵內(nèi)凈高3m。其中，1艙架上方設(shè)有10kV電纜及通信線纜，下方設(shè)有DN400配水管和DN300再生水管；2艙設(shè)有預(yù)留再生水管DN300和預(yù)留能源管，管廊橫斷面如圖2所示。

圖2 綜合管廊結(jié)構(gòu)斷面(單位：cm)

經(jīng)勘察報(bào)告說(shuō)明，該工程所在地層為第四系全新統(tǒng)人工填土層、第四系全新統(tǒng)湖積層、第四系上更新統(tǒng)沖洪積地層、第四系中下更新統(tǒng)冰水堆積層、白堊系上統(tǒng)灌口組泥巖層及泥質(zhì)砂巖層，地表水主要為魚(yú)塘積水，水深1.8m，場(chǎng)地地下水主要為上層滯水和基巖裂隙水及第四系孔隙型潛水，施工前采用基坑降水方法以防止其危害。

2 模型建立

根據(jù)實(shí)際工程,利用MIDAS GTS NX進(jìn)行原尺寸建模，模型將土層分為6層，整體模型如圖3所示，模型長(zhǎng)170m、寬170m、高52m，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。分4種工況，即基坑兩側(cè)鄰近既有橋樁部位分別設(shè)有支護(hù)樁、地下連續(xù)墻、土體注漿加固及未采取任何措施。施工工序?yàn)橄仁┳骷扔袠驑?，然后進(jìn)行基坑支護(hù)，再以1m為單位進(jìn)行基坑開(kāi)挖，開(kāi)挖的同時(shí)進(jìn)行混凝土噴射，每開(kāi)挖2m施作1層土釘，共開(kāi)挖9次，施作管廊后進(jìn)行回填。模型共38 884個(gè)單元，20 438 個(gè)結(jié)點(diǎn)，土體及結(jié)構(gòu)參數(shù)分別如表1，2所示。

圖3 整體模型

圖4 模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)

表1 土體參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 變形規(guī)律與控制措施

3.1 變形規(guī)律

先對(duì)未采用任何隔離防護(hù)措施的工況進(jìn)行計(jì)算，主要對(duì)既有橋樁承臺(tái)中心點(diǎn)進(jìn)行水平位移監(jiān)測(cè)，所取位移為xOy平面內(nèi)x，y軸水平位移矢量和。該模擬前3道工序?yàn)榧扔薪Y(jié)構(gòu)施作及位移清零，從工序4開(kāi)始進(jìn)行基坑開(kāi)挖，當(dāng)開(kāi)挖完成后于工序12進(jìn)行管廊施作，工序12后為回填土體。5，6號(hào)橋樁承臺(tái)中心點(diǎn)水平位移如圖5所示。由于5號(hào)橋樁處于管廊開(kāi)挖基坑拐角處，兩側(cè)受基坑開(kāi)挖作用影響，而6號(hào)橋樁僅一側(cè)受基坑開(kāi)挖影響，經(jīng)數(shù)值模擬，5號(hào)橋樁承臺(tái)中心點(diǎn)水平位移大于6號(hào)橋樁承臺(tái)。

圖5 橋樁承臺(tái)中心點(diǎn)水平位移(無(wú)措施)

由圖5可知，開(kāi)挖開(kāi)始時(shí)，土體由于基坑處應(yīng)力缺失，開(kāi)始產(chǎn)生內(nèi)力從而導(dǎo)致位移，位移隨土體傳遞至橋樁處，使兩橋樁承臺(tái)中心點(diǎn)水平位移均有所增加，直至開(kāi)挖完成位移達(dá)到最大，此時(shí)5號(hào)橋樁承臺(tái)中心點(diǎn)位移為9.79mm，6號(hào)橋樁承臺(tái)中心點(diǎn)位移為7.95mm。開(kāi)挖完成后開(kāi)始施作管廊箱涵，由于管廊的壓重作用，使基坑開(kāi)挖產(chǎn)生的應(yīng)力缺失得到補(bǔ)充。當(dāng)進(jìn)行到工序13時(shí)位移發(fā)生突變，然后在土體逐層回填過(guò)程中橋樁承臺(tái)中心點(diǎn)位移逐漸恢復(fù)，恢復(fù)過(guò)程由慢到快，這是由于前段回填過(guò)程為回填管廊兩側(cè)土體，影響較小，當(dāng)回填土層超過(guò)管廊頂部后單次回填土量較大，故造成的位移恢復(fù)速度更快，回填完成時(shí)承臺(tái)中心點(diǎn)位移趨于0。

由模擬結(jié)果可知，施工過(guò)程中開(kāi)挖完成時(shí)承臺(tái)位移量最大，此時(shí)最危險(xiǎn)，基坑開(kāi)挖過(guò)程中逐層開(kāi)挖支護(hù)對(duì)土體本身應(yīng)力場(chǎng)的維持起到了重要作用，但未采取措施的情況下，承臺(tái)中心點(diǎn)位移較大，對(duì)橋體上公路鐵路造成較大危害。

3.2 控制措施

3.2.1支護(hù)樁支護(hù)

本工程原方案采用支護(hù)樁，即在基坑兩側(cè)鄰近5，6號(hào)橋樁的位置施作樁體，樁身截面為圓形，直徑為800mm，樁間距為2m。支護(hù)樁及承臺(tái)位移如圖6所示，施作支護(hù)樁對(duì)橋樁位移有明顯控制效果，承臺(tái)中心點(diǎn)位移較無(wú)措施而言，5號(hào)橋樁由9.79mm變?yōu)?.26mm，位移減小46%，6號(hào)橋樁由7.95mm變?yōu)?.01mm，位移減小50%。5號(hào)橋樁一側(cè)支護(hù)樁位移更大，最大值為8.41mm，另一側(cè)最大值為7.87mm。

圖6 結(jié)構(gòu)水平位移云圖(支護(hù)樁)

承臺(tái)中心點(diǎn)水平位移曲線如圖7所示。由圖7可知，在相同施工工序下，承臺(tái)中心點(diǎn)位移趨勢(shì)與無(wú)措施時(shí)幾乎相同，但在支護(hù)樁隔離的條件下，開(kāi)挖完成時(shí)的最大位移明顯減小，在回填完成時(shí)其位移也更接近原始值，施工過(guò)程中對(duì)橋樁位移的控制起到了顯著效果。

圖7 橋樁承臺(tái)中心點(diǎn)水平位移(支護(hù)樁)

3.2.2地下連續(xù)墻支護(hù)

工況3采用地下連續(xù)墻代替支護(hù)樁，地下連續(xù)墻厚度為1m，與支護(hù)樁設(shè)置為同一位置，施工階段保持不變。經(jīng)求解計(jì)算，基坑開(kāi)挖完成時(shí)，橋樁承臺(tái)水平位移達(dá)到最大，其中5號(hào)承臺(tái)中心點(diǎn)位移為5.40mm，比無(wú)措施相比減小45%；6號(hào)承臺(tái)為3.88mm，比無(wú)措施相比減小51%。地下連續(xù)墻最大位移為6.59mm。結(jié)構(gòu)水平位移如圖8所示。

圖8 結(jié)構(gòu)水平位移云圖(地下連續(xù)墻)

承臺(tái)中心點(diǎn)水平位移如圖9所示。由圖9可知，相比無(wú)措施而言，地下連續(xù)墻在施工過(guò)程中對(duì)土體位移控制也起到了顯著作用，因此，采用支護(hù)樁和地下連續(xù)墻在減小土體位移方面作用突出，而對(duì)于結(jié)構(gòu)隨施工產(chǎn)生的位移規(guī)律影響很小。模擬中，地下連續(xù)墻和支護(hù)樁所起到的作用相似，在相同工況下均可將既有橋樁承臺(tái)位移減小約50%，但地下連續(xù)墻相比支護(hù)樁而言，耗費(fèi)材料更多，在實(shí)際工程中需全面考慮以制定方案。

圖9 橋樁承臺(tái)中心點(diǎn)水平位移(地下連續(xù)墻)

3.2.3土體注漿加固

土體注漿加固采用高壓旋噴注漿形成水泥土，開(kāi)挖前進(jìn)行旋噴注漿可有效填充土體空隙，達(dá)到加固效果。設(shè)置加固厚度為1m，位置緊鄰基坑兩側(cè)，結(jié)構(gòu)水平位移如圖10所示。當(dāng)開(kāi)挖達(dá)到最大時(shí)，注漿區(qū)最大位移達(dá)9.91mm，注漿土體水平位移相比支護(hù)樁及地下連續(xù)墻略大，而5，6號(hào)橋樁承臺(tái)中心點(diǎn)位移分別達(dá)6.42，4.34mm，兩承臺(tái)相比無(wú)措施位移減小分別為34%，45%。兩承臺(tái)中心點(diǎn)水平位移曲線如圖11所示，位移趨勢(shì)在土體注漿加固方案下相比無(wú)措施變化不大。因此，采用高壓旋噴注漿雖然比前2種方案施工更快，也更節(jié)約成本，但其對(duì)于既有結(jié)構(gòu)位移的控制效果較差，更易造成危害，在實(shí)際工程中應(yīng)在施工前評(píng)估方案是否可行。

圖10 結(jié)構(gòu)水平位移云圖(土體注漿加固)

圖11 橋樁承臺(tái)中心點(diǎn)水平位移(土體注漿加固)

4 結(jié)語(yǔ)

1)地下綜合管廊施工過(guò)程通常涉及基坑開(kāi)挖，基坑開(kāi)挖中土體側(cè)面卸荷會(huì)造成土層應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，使土體發(fā)生較大位移，從而導(dǎo)致周?chē)扔薪Y(jié)構(gòu)變形。本工程既有5，6號(hào)橋樁鄰近管廊基坑，水平位移隨基坑開(kāi)挖發(fā)生相應(yīng)變化，位移最大值發(fā)生在基坑開(kāi)挖完成時(shí)。不采取控制措施時(shí)，5號(hào)橋樁承臺(tái)中心點(diǎn)位移為9.79mm，6號(hào)橋樁承臺(tái)中心點(diǎn)位移為7.95mm，而后隨著基坑回填位移逐漸減小，回填完成時(shí)幾乎達(dá)到原有水平，該過(guò)程會(huì)導(dǎo)致橋體發(fā)生較大偏移，造成危害。

2)基坑開(kāi)挖過(guò)程中，通過(guò)對(duì)基坑和既有結(jié)構(gòu)施加防控措施可有效減小既有結(jié)構(gòu)位移。分別對(duì)施加支護(hù)樁、地下連續(xù)墻及土體注漿加固3種方案展開(kāi)研究，得出支護(hù)樁可使5號(hào)承臺(tái)中心點(diǎn)原有位移減小46%，6號(hào)承臺(tái)減小50%；地下連續(xù)墻可使5號(hào)承臺(tái)中心點(diǎn)原有位移減小45%，6號(hào)承臺(tái)減小51%；而注漿加固可使5號(hào)承臺(tái)中心點(diǎn)原有位移減小34%，6號(hào)承臺(tái)減小45%。通過(guò)對(duì)比3種方案，采取支護(hù)樁和地下連續(xù)墻方案更有效，在基坑開(kāi)挖支護(hù)、管廊施作、基坑回填過(guò)程中，支護(hù)樁和地下連續(xù)墻對(duì)于既有橋樁水平位移均起到了有效控制效果，而土體注漿加固也在一定程度上減小了橋樁位移，有效降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際工程中應(yīng)合理運(yùn)用此類防控措施，以減小施工可能產(chǎn)生的危害。