杭州某国道明挖下穿对既有市政高架桥桥墩影响分析

陈建军，刘延昭，吴高创，李 俊，徐 超，王金昌

（1.浙江交工地下工程有限公司，浙江 杭州 310005；2.浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310058；3.浙江大学 平衡建筑研究中心，浙江 杭州 310058）

0 引 言

为缓解城市与城市之间日益增长的交通压力，国道线路网、高架桥梁系统等发展迅速。两者之间的交叉节点工程案例也不断涌现，交叉节点段多采用隔离桩等措施以减小下穿施工对邻近高架桥墩的影响[1-2]。由于桥梁的位移控制标准较其他类型建筑更加严格，近接基坑施工造成的卸载效应势必会对邻近桥墩和桩基的结构安全产生不利影响，桥梁结构的附加位移过大，一旦出现工程事故，后果将不堪设想[3]。因此，为确保邻近高架桥的结构安全，研究明挖下穿对高架桥桥墩和桩基的不利影响就显得尤为重要。

针对这一问题，相关学者开展了大量研究[4-9]：张爱军等[5]、江杰等[6]提出了两阶段分析方法，通过解析解得到了基坑施工下桩基的变形响应结果。陈福全等[7]通过Plaxis 软件对排桩加内撑支护体系的基坑开挖全过程进行了有限元分析，讨论了基坑开挖深度、支护刚度、基坑净距、桩身刚度、桩身长度等对桩身水平位移和弯矩的影响。木林隆等[8]基于土体小应变特性，提出了基坑开挖卸载引起周围土体位移变化的经验计算公式，得到了邻近桩基的变形结果，并通过有限元验证了该经验公式的有效性。唐德琪等[9]通过模型试验分析了明挖施工对邻近桩基的侧向变形、弯矩与剪力的不利影响。

但由于岩土具有典型的区域特点和加载应力依赖性，因此需要对具体岩土工程相关问题开展针对性研究。本文首先基于现场实测和有限元模拟得到了隧道段明挖施工过程中围护结构的变形，并进行对比分析，验证了计算模型的有效性。进而展开235 国道下穿留祥路西延互通主线桥的隧道段建造全过程模拟分析，研究隧道明挖下穿施工对邻近桥墩及桩基变形的影响。

1 依托工程

235 国道杭州老余杭至五常段改建工程，起于科技大道与235 国道交叉口，路线由西向东经过东西大道（320 国道）、良睦路（规划）、良祥路（规划）、振华西路，高架桥终点与杭州绕城高速公路三墩互通改建工程高架桥相接，地面道路接至余杭塘路与良祥路（规划）交叉口。路线全长约11.26 km，其中地面道路长度为7.9 km，高架和隧道（快速通道部分）总长度为 9.9 km，其中高架桥梁长度共4.9 km，隧道（不含U 型槽）长度为2.976 km，依托工程位于杭州城西以软土为主的区域。

隧道于K4+195～K4+235 下穿在建留祥路西延互通主线桥高架桥，两侧既有W27、W28 桥墩现场照片如图1 所示。隧道与高架桥的平、立面位置如图2～3 所示。

图1 W27 和W28 桥墩现场照片Fig.1 Photos of W27 and W28 piers

图2 下穿段节点平面示意图Fig.2 Undercrossing section node plane diagram

图3 下穿段节点立面示意图Fig.3 Undercrossing section node facade diagram

高架桥为双向六车道，桥梁标准宽26.5 m。W26～W29 桥墩跨径布置“45 m+60 m+35.5 m”组合钢梁，下部结构采用柱式墩、承台+钻孔灌注桩基础。W27 与W28 桥墩下部结构为2.3 m×2.3 m 柱式墩，高21.0 m，承台尺寸为8.1 m×12.6 m，高3.5 m，各承台累计6 根钻孔灌注桩基础，桩径为1.8 m，顺桥向与横桥向桩间距为4.5 m，桩长为55 m。

235 国道下穿留祥路西延互通主线桥段为二期基坑，基坑总长129.9 m，宽35.5 m，基坑两端通过排桩+搅拌桩止水帷幕作封堵墙与一期基坑隔开。基坑支护结构采用排桩+水泥搅拌桩止水帷幕，内支撑为一道混凝土支撑+二道钢支撑，立柱为桩径0.9 m钻孔灌注桩。其中排桩为C30混凝土，桩径0.9 m，间距1.05 m，桩长26.4 m；水泥搅拌桩桩径0.85 m，间距0.6 m；第一道支撑为C30 混凝土支撑，支撑截面为0.8 m×0.9 m，水平间距为9 m，第二、三道为Ф609 钢支撑，水平间距3 m，支撑竖向间距由上至下依次为4.12 m、3.5 m。主线桥桥墩附近基坑坑底加固采用旋喷桩进行满堂加固，加固深度4 m；主线桥桥墩较远处基坑坑底加固采用水泥搅拌桩进行抽条加固，加固深度3 m。高压旋喷桩与搅拌桩桩径均为0.85 m，间距0.6 m，水泥掺量20%。由于二期基坑北侧距离桥墩较近，且现场原地面与整平后高差较大，冠梁处开挖采用拉森钢板桩作临时支护，同时减小冠梁开挖及施工对主线桥桥墩的不利影响。采用6 m 长拉森IV 钢板桩进行隔离，待冠梁施工结束土体回填后拔除拉森钢板桩。二期基坑围护结构的立面和平面示意如图4～5 所示。

图4 明挖段围护结构立面示意图Fig.4 Open-cut section bracing structure facade diagram

图5 明挖段围护结构平面示意图Fig.5 Open-cut section bracing structure plan diagram

2 有限元数值模拟分析模型

根据235 国道下穿留祥路西延互通主线桥工程设计图纸与地勘资料，235 国道以明挖隧道方式下穿高架桥。本文采用地层结构法建立三维数值分析模型，基坑的平面尺寸宽度35.5 m，挖深最大11.7 m，模型尺寸的选取为基坑两侧各外扩5 倍基坑挖深，土层深度约为7 倍基坑挖深，以消除边界的影响，模型尺寸取 160 m×150 m×84.35 m（X×Y×Z），其中，X 方向为横桥向，Y 方向为顺桥向，Y 正向为桥梁大桩号方向，Z 方向为竖向，如图6 所示。模型网格采用空间四面体10 节点单元进行划分，累计179 408 个单元，258 803 个单元节点。

图6 有限元模型网格Fig.6 Mesh of finite element model

土体均采用小应变土体硬化模型（HSS）进行模拟；拉森钢板桩以及钻孔灌注桩等采用板单元进行模拟；桥梁桩和立柱桩采用嵌入梁单元进行模拟；支撑采用梁单元进行模拟。模型中高压旋喷桩、水泥搅拌桩的坑底加固根据图5 所示的加固范围通过实体单元进行模拟，水泥掺量为20%，采用Mohr-Coulomb 本构模型，弹性模量取为120 MPa，黏聚力c'=300 kPa，φ′=30o[10]。参考HSS 本构模型参数确定的相关研究[11-15]，确定土体及结构模型参数如表1～3 所示。表2 中围护结构桩的板单元厚度根据围护结构每延米的刚度等效进行确定。

表1 HSS 土体本构模型参数表Table 1 Parameter table of HSS soil constitutive model

表2 板单元模型参数表Table 2 Parameter table of plate element model

表3 嵌入梁单元模型参数表Table 3 Parameter table of embedded beam element

有限元计算工况为：现状模拟（主线桥按运营状态考虑）→围护结构施工→清表至第一道支撑底→施工冠梁与第一道混凝土支撑及挡墙→回填土并回收拉森钢板桩→开挖至第二道支撑底→施工第二道支撑→开挖至第三道支撑底→施工第三道支撑→开挖至坑底→施工底板及腋角上方0.3 m 挡墙→拆除第三道支撑→施工侧墙至第二道支撑底→拆除第二道支撑→施工剩余侧墙及顶板→拆除第一道支撑→回填土。

根据235 国道下穿明挖段的建造时序，留祥路西延互通主线桥为运营状态，在下穿段施工期间，主线桥交通绕行至西段隧道顶板。因此在下穿段施工期间，主线桥桥墩W27、W28 墩顶荷载主要为上跨梁体自重。W26～W29 上跨为“45 m+60 m+35.5 m”组合钢梁，梁体自重依次为29 550 kN、39 400 kN、23 300 kN，传递到W27 墩顶集中荷载为34 475 kN，传递到W28 墩顶集中荷载为31 350 kN。

3 有限元结果与现场实测对比

3.1 有限元与现场实测对比分析

235 国道下穿留祥路西延互通主线桥节点工程在下穿明挖段基坑开挖施工过程中，对围护结构的深层水平位移展开了监测。基于现场监测数据以及有限元结果，整理了围护结构施工、第一道支撑施工、开挖至第二道支撑底、开挖至第三道支撑底、开挖至坑底的关键施工节点的基坑围护结构最大水平位移结果，以及基坑开挖至坑底工况时围护结构沿深度分布的水平位移，如图7 所示。从图7 中可以看出，下穿段明挖隧道基坑开挖的不同工况下，围护结构最大水平位移的有限元计算结果与现场实测吻合较好，反映出由于基坑开挖卸载引起围护结构侧向位移内凹形变形规律；根据基坑开挖至坑底工况下围护结构水平位移沿深度分布情况，现场实测值与计算值吻合较好。因此说明了HSS 本构模型能较为准确地模拟基坑开挖。但由于现场施工较为复杂，还存在现场施工车辆等外部偶然荷载，现场实测数据较有限元结果稍大。

图7 围护结构水平位移实测值与计算值Fig.7 Measured value and calculated value of horizontal displacement of bracing structure

3.2 有限元计算结果

235 国道以明挖隧道方式下穿留祥路西延互通主线桥，从主线桥W27、W28 桥墩之间下穿。由于前述计算工况较多，此处选取最不利工况即隧道基坑开挖至坑底工况进行分析。提取该典型工况下围护结构水平位移云图，桥墩水平和竖向位移云图，桥墩桩基水平和竖向位移以及弯矩云图，如图8～9所示。在隧道基坑从两侧高架桥桥墩中间明挖下穿施工的影响下，两侧高架桥桥墩往基坑侧偏移，竖向位移主要表现为隆起。近高架桥桥墩基坑坑底加固采用满堂加固，而远离高架桥桥墩基坑坑底采用抽条加固。根据围护结构位移云图，最大水平位移发生在远离桥墩处，说明了该加固方案能较好地控制高架桥桥墩水平位移。基坑开挖至坑底时，围护结构水平位移最大为15.500 mm；桥墩最大水平位移为 1.056 mm，最大竖向位移为0.118 mm，表现为隆起；桥墩桩基最大水平位移为-1.856 mm，最大竖向位移为0.247 mm，表现为隆起。桥梁桩基混凝土强度等级为C30，桩径1.8 m，桩身弯矩设计值为2 214.35 kN·m。受隧道基坑开挖的影响，两侧桥梁桩基最大弯矩由841.28 kN·m 增长至1 152.00 kN·m，低于弯矩设计值。

图8 开挖至坑底工况位移云图Fig.8 Displacement nephogram of excavation to the bottom of the pit

图9 桥墩桩基弯矩云图Fig.9 Bending moment nephogram of bridge pier pile foundation

3.3 主要施工工况下桥墩位移汇总

根据235 国道下穿留祥路西延互通主线桥工程设计图纸与地勘资料，采用地层结构法建立三维数值分析模型，得到了各个施工工况下W27、W28 桥墩和桥墩桩基在各个方向上的最大位移响应结果，汇总主要施工工况的计算结果如表4 所示。在国道下穿段整个施工过程中，W27、W28桥墩的横桥向最大水平位移为0.883 mm，顺桥向最大水平位移为 3.061 mm，最大竖向位移为-0.330 mm。

表4 主要工况下桥墩与桩基位移汇总表Table 4 Summary table of pier and pile foundation displacement under main working conditions

根据《公路桥涵养护规范》（JTG 5120—2021）[16]，参考国内类似工程经验，桥墩变形控制要求为：竖向位移不大于10 mm，水平位移不大于5 mm。在国道下穿段全过程施工影响下，两侧桥墩变形满足控制要求。

4 结 论

本文依托235 国道下穿留祥路西延互通主线桥节点工程，基于HSS 本构模型开展下穿段施工全过程仿真模拟，并结合现场实测数据验证模型的有效性，最终得到了在各个施工工况下W27、W28桥墩及其桩基在各个方向的位移响应结果，主要结论如下：

（1）考虑土体小刚度的土体硬化模型（HSS）能够反映土体的加载和卸载的非线性，能够反映出土体单元的应力路径，同时可以采用地质勘察报告结合已有的研究成果来标定其强度和刚度参数，为明挖基坑下穿施工对桥梁的影响分析提供可靠的评价手段。

（2）235 国道下穿段隧道基坑开挖过程中，围护结构的有限元计算结果与现场实测吻合较好，说明分析模型能够反映实际的施工工况。

（3）下穿段明挖施工全过程中，明挖基坑卸载引起围护结构发生侧向变形，进而影响周围土层的变形，从而对两侧主线桥桥墩产生了一定的影响，其中横桥向最大水平位移为0.883 mm，顺桥向最大水平位移为3.061 mm，最大竖向位移为-0.330 mm。说明基坑开挖主要影响桥梁顺桥向变形，在工程实施过程中应重点关注桥梁的顺桥向变形。桥墩变形满足《公路桥涵养护规范》（JTG 5120—2021）的变形10 mm 控制要求。

（4）桥梁桩基弯矩发生一定增长，但低于桩基弯矩设计值，桥梁结构处于安全状态。