桥墩与桥台基坑施工方案（船闸基坑施工对临近在建桥梁的影响及变形控制方法研究）

桥墩与桥台基坑施工方案（船闸基坑施工对临近在建桥梁的影响及变形控制方法研究）超大基坑施工中存在明显的空间效应，即基坑开挖时中间部分的变形明显大于边角位置的变形[6 12] 基坑开挖引起的围护桩在边角附近的变形显著小于在基坑中部的变形，相差幅度在30%～40%[12]。同时，文献[12]指出，当基坑的开挖深度H与长度L比值小于一定值时，基坑中部一定范围区域进入平面应变状态。取文献[12]中H/L的最大比值0.2。本工程中，基坑深度为16.1 m 南侧长度为197 m H/L为0.082 远小于0.2。因此取基坑中部50 m长度进行分析，所建立模型的尺寸为173 m×50 m×50 m。根据地勘报告，船闸沿线地形地貌、岩土层特征与分布规律，均属钱塘江北岸冲海积平原区，地形平坦，水网发育，浅表层为冲海积粉土。不良地质土主要为饱和砂土、粉土地震液化，特殊性岩土主要为软土。场区土体从上到下分别为粉土①、粉土②、粉土③、粉质黏土、黏土。土体参数见表1。本文依托软土地区大型

赵殿鹏 潘国华 张权 吴发友 邹坤壹 吴浩昌 姚平浙江省交通工程管理中心 杭州交投建设工程有限公司 重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心 中交第二航务工程局有限公司

摘 要：软土地区超大型基坑开挖易引起地面大变形，影响临近建筑物的安全，因此软土基坑的变形控制是施工的关键问题。依托实际工程，基于解耦双硬化模型，建立了滨海地区基坑施工对临近桥梁影响的三维仿真模型，分析了基坑开挖下临近地面变形对在建桥梁的影响，提出了放坡开挖联合“三轴搅拌桩 钻孔灌注桩 冠梁”施工方案，探究了基坑周围地面及临近建筑物的变形位移、地下水渗流及边坡稳定性系数，分析了基坑周围地面的变形规律、地下水渗流场。结合现场实测对比，验证了支护方案在软土地区的适用性。研究结果可以为滨海地区大型基坑的变形控制提供参考。

关键词：软土基坑;临近建筑物;解耦双硬化模型;变形控制;

1 研究背景

近几十年来，随着社会发展的需要，建设工程中基坑逐渐大型、超大型化。软土地区超大型基坑开挖易导致周边地面大变形，影响临近建筑物、地下管线等稳定性，尤其是在富水地区[1 2]。基坑施工方法选择不当，可能造成重大经济损失，甚至人员伤亡，因此软土基坑的变形控制是施工的关键问题。

众多学者采用有限元对深、大基坑施工展开了大量研究[3 4 5 6 7 8 9 10 11]。赵利平[4]等采用ABAQUS有限元软件，考虑水泥掺入量、桩间距以及褥垫层的影响，对水泥搅拌桩复合地基的沉降控制进行了分析；顾宽海[5]等采用Plaxis3D对软土地基坑底加固的几种方式进行了模拟分析；陈林靖[6]等采用有限元软件ABAQUS和基于ABAQUS平台二次开发的非弹性邓肯—张模型对软土中深基坑开挖对周围建筑的影响展开了数值模拟；马永峰[7]等采用Plaxis2D有限元软件，考虑降水影响，分析了基坑变形及对临近地铁的影响；边超[8]等采用Modflow对降水下设置止水帷幕的基坑内外地下水流场变化规律进行了分析；肖安斌[9]等采用FLAC3D对锚碇深基坑边坡工程进行了计算模拟，探究了深基坑边坡工程中岩体的动态变形及稳定性演化规律；李超[10]等利用FLAC3D对深厚软土层中隧道施工动态过程进行了模拟；万先逵[11]等采用有限元软件MIDAS/GTS NX建立三维计算模型，分析了排桩不入岩 裙边加固支护方式对基坑变形的影响，对比分析了排桩水平位移、坑底隆起、周边地表沉降、工程造价与施工难度。很多学者开展了基坑开挖对邻近建筑的影响，但针对富水滨海地区大型船闸基坑开挖变形的影响研究不足。采用有限元软件模拟分析施工方法与渗流的同时作用对临近建筑物的影响，从而指导施工，在未来仍将是研究的热点。

本文依托软土地区大型船闸基坑实际工程，采用有限元软件MIDAS/GTS NX开展数值模拟，同时考虑施工方法与渗流对临近在建桥梁的影响，提出放坡开挖联合“三轴搅拌桩 钻孔灌注桩 冠梁”的施工方案，并通过与现场实测数据的对比，验证了施工方法在软土地区的适用性。本研究结果可以为滨海地区大型基坑的变形控制提供参考。

2 基坑变形分析模型2.1工程概况

八堡船闸为京杭运河三级航道整治工程杭州新开挖航道的终端，主要建筑物为上下闸首、闸室、上下游引航道、引航道连接段、口门导堤等。闸首及闸室组成的船闸主体纵向长387.5 m 船闸下闸首整体开挖现浇，基坑开挖尺寸大，南侧基坑长度197 m。在基坑施工的同时，距离基坑南侧40 m的地方在进行公路桥梁施工。公路桥梁横跨船闸引航道，公路桥梁施工方法为满堂支架现浇法。基坑与临近在建桥梁的位置关系如图1所示。

图1 基坑1∶1.5放坡开挖与在建桥梁位置关系

2.2工程地质条件

根据地勘报告，船闸沿线地形地貌、岩土层特征与分布规律，均属钱塘江北岸冲海积平原区，地形平坦，水网发育，浅表层为冲海积粉土。不良地质土主要为饱和砂土、粉土地震液化，特殊性岩土主要为软土。场区土体从上到下分别为粉土①、粉土②、粉土③、粉质黏土、黏土。土体参数见表1。

2.3模型建立

超大基坑施工中存在明显的空间效应，即基坑开挖时中间部分的变形明显大于边角位置的变形[6 12] 基坑开挖引起的围护桩在边角附近的变形显著小于在基坑中部的变形，相差幅度在30%～40%[12]。同时，文献[12]指出，当基坑的开挖深度H与长度L比值小于一定值时，基坑中部一定范围区域进入平面应变状态。取文献[12]中H/L的最大比值0.2。本工程中，基坑深度为16.1 m 南侧长度为197 m H/L为0.082 远小于0.2。因此取基坑中部50 m长度进行分析，所建立模型的尺寸为173 m×50 m×50 m。

现场桥梁施工为满堂支架现浇方式。根据在建桥梁的施工方案设计，满堂支架与桥梁作用到地面的荷载分布并不均匀。从安全方面考虑，模型中取最大设计荷载70 kPa作为均布荷载作用到与实际中相应的位置，支架北侧与基坑边缘距离为42 m 如图2所示。

表1 土体物理力学参数

土层	γ/(kN/m3)	c/kPa	φ/(°)	孔隙率	横向渗透系 数kx y/(m/s)	竖向渗透系 数kz/(m/s)	泊松比	厚度/m	Es/kPa
粉土①	18.7	11	26.5	0.875	2.4×10-4	2.18×10-4	0.3	3	11 400
粉土②	19.3	10.5	26	0.755	2.4×10-4	2.18×10-4	0.3	12	11 750
粉土③	18.9	115	27	0.828	8.1×10-5	7.48×10-5	0.3	3.3	11 030
粉质黏土	18.4	16.5	12	0.959	3.1×10-5	8.7×10-6	0.32	9.7	3 710
黏土	17.8	18	15	1.163	8.6×10-5	88×10-5	0.33	22	4 100

图2 基坑计算模型

修正莫尔—库伦模型由莫尔—库伦模型扩展而来，其屈服面为解耦双硬化模型，剪切破坏和压缩破坏互不影响，能反映土体的非线性变形，并考虑了土体的应变特性。已经有许多学者使用修正莫尔—库伦模型进行了深厚软土基坑开挖模拟计算，结果与实测结果较吻合[11 13 14]。本次模拟计算中，土体的本构模型采用修正莫尔—库伦模型。根据文献[15]提供的方法，通过压缩模量换算得到标准三轴排水实验割线模量、侧限压缩实验割线刚度、卸载/重加载刚度。

2.4边界条件及施工步骤

基坑开挖过程中，数值模拟中的边界条件设置为：底面设置为固定的边界，周围4个面为固定法向约束，模型顶面设置为自由边界。

区域内地下水位高，埋深为1.5～3 m。模型中，设置地下水位埋深为2 m。

基坑施工分6层开挖，3次降水。每次降水时，将地下水位降至相应开挖层以下0.5 m。

2.5模型验证

基坑现场施工过程中，西侧边坡采取放坡开挖施工，未做支护措施。同时，在地面距离坡顶部10 m左右设置了多个位移监测点，对基坑开挖过程中产生的位移变形进行定期监测，如图3所示。为避免基坑边角对位移限制的空间效应，选取中部布置ZSW03监测点坡段展开数值模拟，通过对比数值模拟位移变形与实际监测数据位移变形，验证所建立模型的适用性。

图3 现场监测布置

现场收集的位移变形数据以及模拟得到的基坑相同点位移变形数据如图4、图5所示。结果表明，基坑实测最大沉降值为7.42 mm 而模拟最大沉降值为9.055 mm; 基坑实测累计水平位移值为8.9 mm 模拟最大水平位移值为10.11 mm 相差12.83%。数值模拟值比实际变形值大，但两者的差值较小。这表明计算模型得到的结果偏于安全，因此模型可以用于本工程的模拟计算。

3 基坑开挖下邻近环境变形规律3.1基坑开挖放坡方案

下闸首基坑南侧距在建桥梁的距离小，而基坑开挖深度大，同时桥梁处对基坑开挖后引起的位移变形控制要求高。通过有限元建模开展不同施工方式下的数值模拟，从而指导实际工作是一种行之有效的方法。本工程中通过不同坡率下的基坑开挖数值模拟，探究基坑开挖边坡坡率对在建桥梁处变形的影响，以选择适合现场实际的施工方法以及支护措施。

图4 实测与模拟累计沉降

图5 实测与模拟累计水平位移

拟开挖坡率分别为1∶1.25、1∶1.5和1∶2这3种方案。各种施工方案示意如图6所示，开挖后基坑与在建桥梁支架之间的位置关系见表2。

图6 不同施工方案模型

表2 不同施工方案相关参数

开挖方案	支架边缘与坑底距离/m	支架荷载 桥梁荷载/MPa	开挖坡率	支架边缘与坑顶边缘距离/m
方案一	42	70	1∶1.25	23.25
方案二			1∶1.50	19.50
方案三			1∶2	12.00

3.2基坑地表变形分析

通过计算得到了3个方案的开挖后基坑顶部周围土体的沉降曲线以及水平位移曲线，如图7和图8所示，图中，距离基坑边缘0 m处为基坑边坡顶部位置。由图7可知，3个方案中，从基坑边缘到距离基坑边缘100 m的范围内，沉降曲线表现为先减小、后增大、最后又减小的规律。通过对比3个方案的沉降值可得，基坑边缘处沉降值随坡率的增大而增大。方案一的基坑边缘沉降量为23.75 mm; 方案二的基坑边缘沉降量为16.5 mm 相比方案一减少了30.53%;而采用方案三进行开挖时，基坑边缘沉降量为12.84 mm 大大减小，且仅为方案一的45.94%。在支架处产生的沉降呈现为坡率越小、沉降值越大规律，与基坑边缘呈现的规律正相反。方案一、方案二和方案三中支架处产生的沉降分别为29.89 mm、31.15 mm和32.5 mm 三者产生的沉降差值较小。这表明相比支架位置处，坡率变化对基坑边缘处沉降的影响更大。支架位置处的沉降主要由降水引起，得到的规律与文献[16]相似。

图7 不同施工方案的沉降曲线

由8图可知，3个开挖方案下的水平位移变化曲线与沉降曲线具有相同的变化趋势，呈现先减后增再减小的规律。方案一中基坑开挖后，基坑边缘产生的水平位移为22.48 mm; 方案二中基坑边缘产生的水平位移为13.28 mm 为方案一的40.93%;方案三中，水平位移大幅降低，仅为5.05 mm。由此可知，坡率越大，基坑边缘处产生的水平位移越大。而在支架位置处，3个方案产生的水平位移分别为10.12 mm、12.64 mm和15.03 mm 表现为随坡率的减小而增大。

图8 不同施工方案的水平位移曲线

将3个方案中基坑顶部的沉降、水平位移以及支架处的沉降及水平位移单独获取出来并绘图，如图9所示。由图9可以清楚看出，基坑边缘的沉降和水平位移值均随坡率减小而减小，而支架处的水平位移和沉降均随坡率的减小而增大。这是由于坡率越大、边坡越陡，则基坑边缘处与支架的距离越远，同时基坑开挖未支护施工，所以基坑顶部产生沉降以及水平位移均比较大，支架处产生的沉降和水平位移相对较小。反之，边坡越缓，则基坑边缘处与支架的距离越近，产生的位移变形情况相反。

图9 不同施工方案位移对比

3.3基坑边坡稳定性规律

通过模拟计算得到了3种开挖方案下的基坑边坡稳定性系数，如图10所示。基坑在方案一下的稳定性系数最小，为1.41;在方案二下坡率减小后，稳定性系数略有增加，为1.55;在方案三下，稳定性系数大幅提升，增加到5.8。

图10 不同施工方案下的稳定性系数

综合考虑变形控制与边坡稳定性，本工程中拟定方案二为最优方案。《城市轨道交通工程监测技术规范》规定[17] 地面最大沉降量≤0.1%H(H为基坑开挖深度) 且≤30 mm; 最大水平位移≤0.1%H 且≤30 mm。本工程基坑开挖深度为15 m 按照规范，允许沉降量及水平位移均为15 mm。上述计算的数值显然不满足规范，因此，还需对基坑进行支护。

4 基坑变形控制方案及效果评估4.1基坑支护方案

基坑降水会引起地面产生变形，因此，提出“三轴搅拌桩 钻孔灌注桩 冠梁”的支护方式，以控制周围地面及邻近建筑物的变形。其中，钻孔灌注桩直径为1.2 m 间距1.5 m 分别由32 m、20 m长度的钻孔灌注桩间隔布置；三轴搅拌桩孔径为0.85 m 长度20 m 间隔0.65 m; 冠梁设置于钻孔灌注桩顶部，将桩连系成为整体。冠梁断面为1.5 m×0.8 m 采用C30混凝土浇筑。数值计算中，钻孔灌注桩采用一维桩单元，三轴搅拌桩按照刚度等效原则，简化为板单元进行计算。等效厚度计算公式[18]如式(1)所示：

h=0.838D(DD T)1/3         (1)h=0.838D(DD Τ)1/3         (1)

式中：T为桩间距(m);h为等效厚度(m);D为桩直径(m)。

由式(1)计算得到等效板单元的厚度为0.59 m。模型中支护结构布置以及基坑模型如图11所示。

图11 基坑支护措施布置

4.2基坑降水渗流场对变形的影响

数值模拟中进行了3次降水，最后一次降水降至基坑底部标高以下0.5 m。降水渗流速矢量图如图12所示。初始渗流中，地下水处于理想稳定状态，没有产生渗流。第一次降水降至地面以下7 m处；止水帷幕内侧地下水向水位面渗流，而外侧地下水以较小的流速向下渗流，渗流方向具有明显的差异。止水帷幕底部地下水从基坑外向基坑内流动，但流量流速均很小，如图12(a)所示。第二、三次降水中与第一次降水具有相似的规律如图12(b)、图12(c)所示。基坑开挖完成后，为保证基础的正常施工，会长期对地下水进行降水控制，使其始终保持在基底下部。在这种情况下，基坑的渗流情况如图12(d)所示，底部及边坡中的水向水位面渗流。基坑外部地下水绕过止水帷幕从底部向基坑内渗流，但仍然为较小范围的渗流。

4.3基坑开挖下的地表位移分析

工程现场施工中，在冠梁上设置了一排位移监测点，由支护结构的一端到另外一端编号依次为GL01～GL12。通过计算得到了模型中冠梁上部的变形位移值，如图13所示。由图13可知，基坑边坡中间位置处GL07监测点测得的实际沉降值在施工后30 d时最大，为5 mm; 基坑开挖完成后，监测点GL03、GL07、GL12处测得的沉降量相对较大，为4.5～5.1 mm; 利用数值模拟计算得到基坑开挖完成后产生的最大模拟沉降值为5.9 mm 而最大实测沉降值为5.1 mm 二者相差13.56%。

实际水平位移监测值与模拟值的对比如图14所示。最大实测水平位移值为4.9 mm 而最大模拟水平位移值为5.2 mm 二者相差5.77%。

图12 降水渗流变化

图13 数值模拟与实际监测的累计沉降曲线

通过模拟，支架处的累计沉降为2.7 mm 累计水平位移为2.3 mm。变形位移大大降低，得到了较好控制，符合了规范要求。

通过基坑开挖下的渗流场和地表位移分析可知，放坡开挖联合“三轴搅拌桩 钻孔灌注桩 冠梁”的施工方法和支护措施取得明显效果，一方面由搅拌桩形成的止水帷幕起到了较好的止水作用；另一方面基坑周围地面以及在建桥梁支架的变形位移得到了较好地控制。通过数值分析和实际监测值的对比分析，可知该种施工方式能较好地适用于本工程。

图14 数值模拟与实际监测的累计水平位移曲线

5 结语

基于解耦双硬化模型建立了滨海地区基坑施工对临近桥梁影响的三维仿真模型，采用有限元软件对基坑的施工方案和支护措施进行了计算模拟，分析了大型软土基坑开挖下临近地面变形对在建桥梁的影响，并提出了变形控制方案。

(1)通过数值模拟与现场监测情况对比，验证了所建立的模型适用于基坑开挖模拟。

(2)基坑开挖坡率影响地表变形。基坑边缘的沉降和水平位移值均随坡率减小而减小，而支架处的水平位移和沉降均随坡率的减小而增大。反之，边坡越缓，则基坑边缘处与支架的距离越近，产生的位移变形情况也就相反，基坑边坡越稳定。

(3)不同坡率下在建桥梁脚手架变形超过了允许值，因此提出采取放坡开挖联合“三轴搅拌桩 钻孔灌注桩 冠梁”的基坑支护方案，分析了基坑周围地面及临近建筑物的变形位移、地下水渗流场，结合现场实测对比，验证了支护方案在软土地区的适用性。

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