陈 静，罗良瑞，姚爱军，翟玉新，李晓阁 ，曹秀玲
(1.中铁建设集团有限公司，北京 100040；
2.北京工业大学城市建设学部，北京 100124；
3.河北地质大学，河北 石家庄 050031)
地下综合管廊逐渐成为城市建设不可或缺的一部分，其建设时通常会邻近既有结构，由于基坑开挖和管廊箱涵的施作会改变周围土体原有应力，导致周围既有结构产生不同程度位移从而引起灾变，研究穿越时既有结构位移变形规律及不同防控措施对其保护程度十分关键。
木林隆等[1]建立了基坑围护墙变形与桩基变形的关系，进一步通过对基坑与桩基的主要相关参数分析提出了变形影响因子。胡斌等[2]提出在基坑施工过程中可通过BP神经网络进行动态预测，掌握基坑施工在下一个阶段的变形趋势。李龙剑等[3]采用弹塑性有限元方法模拟无支撑基坑开挖对邻近高架基础的影响，分析了不同加固方案对控制桥梁桩基变形的作用。李智彦等[4]分析了在钻孔灌注桩施工时各步序施工条件下对周围土体应力和变形的影响，从而讨论其对邻近桩基应力、变形的影响。一些学者利用有限元软件对实际工程进行建模，模拟施工过程，研究不同施工参数对既有结构位移影响规律，在复杂地质条件及特殊结构、特殊工况下将各因素进行综合考虑，通过对比不同工况下桩基位移，总结出控制既有结构变形的有效措施[5-9]。
本文依托益州大道南二段综合管廊杭州路支线管廊穿越杭州路跨线桥实际工程，采用有限元方法分析综合管廊穿越工程对既有桥体结构造成的影响。通过对施工全阶段进行模拟，分析支护结构及桥体结构变形规律，并讨论支护桩、地下连续墙、土体注浆加固等不同措施的控制水平[10-15]，为类似工程提供参考。
益州大道南二段综合管廊项目起于武汉路南侧，止于南宁路南侧，其中杭州路支线管廊从杭州路跨线桥5，6号桥桩既有结构中间穿过，如图1所示，管廊施工采用明挖法，基坑深度为9～14m，基坑边缘距离两侧桥桩约10m，在开挖时为减小对既有桥桩的影响，基坑与桥桩中间布置钻孔灌注桩，基坑开挖时采用分层放坡开挖，随着基坑开挖进行喷射混凝土及土钉施作。
图1 管廊与桥桩位置平面
该综合管廊为两舱结构，宽9.4m、高4m，顶板、侧壁、底板均厚0.5m，箱涵内净高3m。其中，1舱架上方设有10kV电缆及通信线缆，下方设有DN400配水管和DN300再生水管；
2舱设有预留再生水管DN300和预留能源管，管廊横断面如图2所示。
图2 综合管廊结构断面(单位：cm)
经勘察报告说明，该工程所在地层为第四系全新统人工填土层、第四系全新统湖积层、第四系上更新统冲洪积地层、第四系中下更新统冰水堆积层、白垩系上统灌口组泥岩层及泥质砂岩层，地表水主要为鱼塘积水，水深1.8m，场地地下水主要为上层滞水和基岩裂隙水及第四系孔隙型潜水，施工前采用基坑降水方法以防止其危害。
根据实际工程,利用MIDAS GTS NX进行原尺寸建模，模型将土层分为6层，整体模型如图3所示，模型长170m、宽170m、高52m，内部结构如图4所示。分4种工况，即基坑两侧邻近既有桥桩部位分别设有支护桩、地下连续墙、土体注浆加固及未采取任何措施。施工工序为先施作既有桥桩，然后进行基坑支护，再以1m为单位进行基坑开挖，开挖的同时进行混凝土喷射，每开挖2m施作1层土钉，共开挖9次，施作管廊后进行回填。模型共38 884个单元，20 438 个结点，土体及结构参数分别如表1，2所示。
图3 整体模型
图4 模型内部结构
表1 土体参数
表2 结构参数
3.1 变形规律
先对未采用任何隔离防护措施的工况进行计算，主要对既有桥桩承台中心点进行水平位移监测，所取位移为xOy平面内x，y轴水平位移矢量和。该模拟前3道工序为既有结构施作及位移清零，从工序4开始进行基坑开挖，当开挖完成后于工序12进行管廊施作，工序12后为回填土体。5，6号桥桩承台中心点水平位移如图5所示。由于5号桥桩处于管廊开挖基坑拐角处，两侧受基坑开挖作用影响，而6号桥桩仅一侧受基坑开挖影响，经数值模拟，5号桥桩承台中心点水平位移大于6号桥桩承台。
图5 桥桩承台中心点水平位移(无措施)
由图5可知，开挖开始时，土体由于基坑处应力缺失，开始产生内力从而导致位移，位移随土体传递至桥桩处，使两桥桩承台中心点水平位移均有所增加，直至开挖完成位移达到最大，此时5号桥桩承台中心点位移为9.79mm，6号桥桩承台中心点位移为7.95mm。开挖完成后开始施作管廊箱涵，由于管廊的压重作用，使基坑开挖产生的应力缺失得到补充。当进行到工序13时位移发生突变，然后在土体逐层回填过程中桥桩承台中心点位移逐渐恢复，恢复过程由慢到快，这是由于前段回填过程为回填管廊两侧土体，影响较小，当回填土层超过管廊顶部后单次回填土量较大，故造成的位移恢复速度更快，回填完成时承台中心点位移趋于0。
由模拟结果可知，施工过程中开挖完成时承台位移量最大，此时最危险，基坑开挖过程中逐层开挖支护对土体本身应力场的维持起到了重要作用，但未采取措施的情况下，承台中心点位移较大，对桥体上公路铁路造成较大危害。
3.2 控制措施
3.2.1支护桩支护
本工程原方案采用支护桩，即在基坑两侧邻近5，6号桥桩的位置施作桩体，桩身截面为圆形，直径为800mm，桩间距为2m。支护桩及承台位移如图6所示，施作支护桩对桥桩位移有明显控制效果，承台中心点位移较无措施而言，5号桥桩由9.79mm变为5.26mm，位移减小46%，6号桥桩由7.95mm变为4.01mm，位移减小50%。5号桥桩一侧支护桩位移更大，最大值为8.41mm，另一侧最大值为7.87mm。
图6 结构水平位移云图(支护桩)
承台中心点水平位移曲线如图7所示。由图7可知，在相同施工工序下，承台中心点位移趋势与无措施时几乎相同，但在支护桩隔离的条件下，开挖完成时的最大位移明显减小，在回填完成时其位移也更接近原始值，施工过程中对桥桩位移的控制起到了显著效果。
图7 桥桩承台中心点水平位移(支护桩)
3.2.2地下连续墙支护
工况3采用地下连续墙代替支护桩，地下连续墙厚度为1m，与支护桩设置为同一位置，施工阶段保持不变。经求解计算，基坑开挖完成时，桥桩承台水平位移达到最大，其中5号承台中心点位移为5.40mm，比无措施相比减小45%；
6号承台为3.88mm，比无措施相比减小51%。地下连续墙最大位移为6.59mm。结构水平位移如图8所示。
图8 结构水平位移云图(地下连续墙)
承台中心点水平位移如图9所示。由图9可知，相比无措施而言，地下连续墙在施工过程中对土体位移控制也起到了显著作用，因此，采用支护桩和地下连续墙在减小土体位移方面作用突出，而对于结构随施工产生的位移规律影响很小。模拟中，地下连续墙和支护桩所起到的作用相似，在相同工况下均可将既有桥桩承台位移减小约50%，但地下连续墙相比支护桩而言，耗费材料更多，在实际工程中需全面考虑以制定方案。
图9 桥桩承台中心点水平位移(地下连续墙)
3.2.3土体注浆加固
土体注浆加固采用高压旋喷注浆形成水泥土，开挖前进行旋喷注浆可有效填充土体空隙，达到加固效果。设置加固厚度为1m，位置紧邻基坑两侧，结构水平位移如图10所示。当开挖达到最大时，注浆区最大位移达9.91mm，注浆土体水平位移相比支护桩及地下连续墙略大，而5，6号桥桩承台中心点位移分别达6.42，4.34mm，两承台相比无措施位移减小分别为34%，45%。两承台中心点水平位移曲线如图11所示，位移趋势在土体注浆加固方案下相比无措施变化不大。因此，采用高压旋喷注浆虽然比前2种方案施工更快，也更节约成本，但其对于既有结构位移的控制效果较差，更易造成危害，在实际工程中应在施工前评估方案是否可行。
图10 结构水平位移云图(土体注浆加固)
图11 桥桩承台中心点水平位移(土体注浆加固)
1)地下综合管廊施工过程通常涉及基坑开挖，基坑开挖中土体侧面卸荷会造成土层应力场发生改变，使土体发生较大位移，从而导致周围既有结构变形。本工程既有5，6号桥桩邻近管廊基坑，水平位移随基坑开挖发生相应变化，位移最大值发生在基坑开挖完成时。不采取控制措施时，5号桥桩承台中心点位移为9.79mm，6号桥桩承台中心点位移为7.95mm，而后随着基坑回填位移逐渐减小，回填完成时几乎达到原有水平，该过程会导致桥体发生较大偏移，造成危害。
2)基坑开挖过程中，通过对基坑和既有结构施加防控措施可有效减小既有结构位移。分别对施加支护桩、地下连续墙及土体注浆加固3种方案展开研究，得出支护桩可使5号承台中心点原有位移减小46%，6号承台减小50%；
地下连续墙可使5号承台中心点原有位移减小45%，6号承台减小51%；
而注浆加固可使5号承台中心点原有位移减小34%，6号承台减小45%。通过对比3种方案，采取支护桩和地下连续墙方案更有效，在基坑开挖支护、管廊施作、基坑回填过程中，支护桩和地下连续墙对于既有桥桩水平位移均起到了有效控制效果，而土体注浆加固也在一定程度上减小了桥桩位移，有效降低了施工风险。在实际工程中应合理运用此类防控措施，以减小施工可能产生的危害。