河道邻近开挖对互通区桥梁及路基的影响分析

河道邻近开挖对互通区桥梁及路基的影响分析

王博

中国铁建港航局集团有限公司总承包分公司 广东珠海  519000

摘要：在城市交通网络快速发展的过程中，既有桥梁桩基、地铁车站及市政隧道等地下构筑物之间相互影响越来越明显。进行基坑等地下工程开挖时，必然会导致周边土体应力场及位移场发生变化，由此会引起邻近公路桥梁桩基产生较大水平位移，从而对桩基本身及上部结构的安全产生严重威胁因此，开展基坑开挖卸荷引起的桩基受力变形响应研究具有很重要的工程实际意义。

关键词：开挖;邻近施工;桥梁;路基;数值分析

1工程地质条件

拟建场地现为荒地，地形较平坦，局部有起伏。根据勘察报告可知，在勘察深度范围内(最深102.00m)的地层可划分为人工堆积层和第四纪沉积层两大类。基坑开挖深度范围内的土层主要以黏性土、粉土和砂土的交互沉积土层为主，地表以下有2～3m的房渣土和碎石填土。

2计算方法和建模

采用有限元方法对基坑开挖和Brt20号被动群桩进行平面应变分析。分析软件采用Plaxis。基坑开挖部分按基坑开挖的施工顺序进行模拟计算。基坑施工过程共有12个工况。该基坑采用3道内支撑，分别位于-2.3m、-6.3m、-11.9m处，拆撑时在-7.61m处换撑，支撑水平间距为4m，均为钢筋混凝土支撑。（以上均为相对高程）。其中支撑刚度等计算参数按基坑设计计算书取值。支护桩为1.2m直径钻孔灌注桩，桩底嵌岩，桩长28m。被动群桩Brt20位于基坑外3.58m（净距）处，承台埋入土中。由于承台角度并未与地下通道走向平行，四根桩基在基坑剖面方向上呈3排排列。被动群桩采用等效板墙法对其刚度进行折减，进行模拟。对于被动单桩，常对其刚度折减1.5~3倍进行计算。根据对称性对基坑进行简化，取基坑模型的一半进行模拟。模型的边界条件主要考虑嵌岩桩桩长和基坑开挖的影响范围，其模型高度为70m，宽度为70m。其中边界距离基坑支护结构的距离达到了35m以上。

3初步拟定的施工工序

为尽量缩短施工时间，项目初步拟定的施工工序如下。1)现状河道围堰断流清淤换填，开挖临时沟渠;同步施工不受现状原河影响的B2、C2匝道水泥搅拌桩。2)临时沟渠引流后，施工A2、D2匝道水泥搅拌桩;匝道路基搅拌桩施工完成后进行初步路基填筑、预压(填筑高度0.5～0.8m);同步施工主线桥梁桩基、下部结构。3)开挖新建河道、铺筑河底。4)施工主线桥上部结构;同步分层填筑匝道路基至设计标高。

4参数取值

计算参数依据勘察报告提供的该场地地勘实验数据取值。土层埋深依据地层剖面图取值。其中岩体缺乏弹性模量数据，岩石模量取经验值。场地中土层主要由填土、粉质粘土、砂质粘性土三种构成，对于填土采用摩尔库伦本构计算，对于其他两种土采用硬化土（HS）本构计算。基坑开挖为临时性工程，通常按不排水分析计算。

5理论分析

沿河公路路基稳定性受河道开挖深度、水位升降、河流冲刷等多种因素影响。河道开挖本质上是沿河道位置的土体荷载大量卸载，必然使得周边影响区域内的土体产生应力释放，导致周围土体产生水平和竖向位移。在软土地区，由于地基土物理力学性质差，近邻开挖河道对路基稳定性将产生较大影响，处理不当时可能导致周边构筑物发生变形，甚至破坏。本项目河道开挖位置为主线桥正下方，河道开挖引起的地表沉降及横向水平位移会导致桥梁下部结构不同位置产生不同的位移，此时将在桥梁结构内部产生附加弯矩、剪力和轴力，当附加应力超过一定限值，桥梁各构件将发生开裂，最终导致结构破坏。因此，河道开挖对邻近桥梁不利影响的控制性因素为结构裂缝。而河道开挖对邻近路基的影响依据《公路路基设计规范》(JTGD30－2015)进行控制，规范中对软土地区路堤提出了两项要求:路堤稳定性、路基工后沉降。根据土力学基本原理，黏性土质边坡的稳定性主要取决于黏性土的含水状态、抗剪强度等，其破坏面基本为圆弧面，因此，有关学者分析粘性土边坡稳定时近似假定土坡失稳的破坏面为圆弧滑动面，规范中亦建议软土路堤稳定性验算采用圆弧滑动法。

6计算结果

本工程基坑采用理正软件按基坑规范弹性支点法进行验算，计算结果表明基坑支护桩最大水平位移为10.4mm，与本文计算结果13.42mm接近，表明本文有限元模型计算结果可靠。对比基坑开挖完毕拆撑后的支护桩和Brt20群桩前桩（靠近基坑一侧的桩）的变形，可见两者变形趋势接近，支护桩变形达到了13.4mm，桥梁桩基变形达到了11.8mm。Brt20承台水平变形为8.0mm，承台倾斜0.029%。由此可见，Brt20桥墩下的被动桩变形与基坑支护桩的变形趋势基本一致。被动桩在坑底位置达到水平变形最大值，但在地表处变形大于基坑支护桩，这主要是由于本案例被动桩桩顶嵌入承台，该承台具有较大的桩顶转角刚度，而支护桩为桩顶自由状态，且受到第一道支撑的有效支撑，支护桩在埋深较浅的深度下变形更小。

8建议施工加固措施及工序优化

1)计算分析结果显示，河道开挖将使邻近桥梁下部结构产生附加内力及位移，施工顺序对其值有较大影响:先施工盖梁，再开挖河道时桥梁墩柱产生的附加内力及位移小于施工完成墩柱后即开挖河道时的内力及变形;同时，左右幅桩基之间设置加固辅助支撑情况下进行河道开挖，桥梁桩基、立柱的变形将显著减小。故推荐采用左右幅桩基之间增设横向混凝土辅助支撑的加固方案;并建议施工工序优化为先施工完成桥梁盖梁及左右幅桩基间横向混凝土辅助支撑，后开挖新建河道。2)河道两侧匝道路基稳定系数较低，不能满足规范中的稳定性安全系数要求，建议水泥搅拌桩处理范围扩大至改河断面;建议施工工序优化为:施工完成桥梁盖梁及左右幅桩基间横向混凝土辅助支撑后，开挖新建河道，待河底水泥搅拌桩加固完成再进行河底铺筑。此外，必要时可采用泡沫砼换填路基，以进一步提高匝道路基稳定性。3)河道开挖、匝道路基填筑过程中建议保持桥梁立柱两侧对称施工，以免对桥梁基础产生单侧挤出影响。

结束语

（１）随着桩顶轴向荷载的加大，桩基水平位移及桩体最大弯矩有所增加，但幅度很小，相较其他影响因素，桩顶轴向荷载的影响最小。（２）随着桩基与基坑距离的减小，桩基水平位移及最大弯矩逐渐加大。同时，随着桩基与基坑距离的加大，基坑开挖引起的桩基水平位移及弯矩变化愈发平缓。（３）基坑三维尺寸中，开挖深度对桩基水平位移及弯矩的影响最大，基坑开挖长度的影响次之，基坑开挖宽度影响最小。（4）河道开挖对邻近匝道路基的控制性影响为路基稳定性。可通过扩大水泥搅拌桩处理范围至河道底部，或泡沫砼换填路基的方式，有效提高路基稳定性。

参考文献

[1]杨晶.某软土地区基坑开挖对临近路基工程影响与处置分析[J].福建交通科技,2019(04):49-50+72.