沉管基槽开挖对周边桥梁位移影响及保护分析_周世轩.pdf

收稿日期：2023-01-16作者简介：周世轩，男，工程师，硕士，主要从事桥梁及隧道的设计、检测和科研工作。引文格式：周世轩.沉管基槽开挖对周边桥梁位移影响及保护分析 J.市政技术，2023，41（5）：121-127.（ZHOU S X.Analysis of influence andprotection of excavation of immersed tube s foundation trench on the displacement of surrounding bridges J.Journal of municipal tech-nology，2023，41（5）：121-127.）文章编号：1009-7767（2023）05-0121-07第41卷第5期2023年5月Vol.41，No.5May 2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.05.121Journal of Municipal Technology沉管基槽开挖对周边桥梁位移影响及保护分析周世轩（大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司，辽宁 大连 116024）摘要：沉管邻近既有桥梁施工时，沉管基槽开挖引起的应力释放可能会使周边既有桥梁的上、下部结构产生附加位移和附加内力，进而影响桥梁的受力和使用安全。因此，以深圳市前海湾隧道设计方案为背景，研究了沉管基槽开挖对既有桥梁的影响和不同保护措施的效果。正交试验结果表明，基槽开挖对既有桥梁桩顶位移影响的诸多因素中，淤泥层厚度影响最显著，其次为桩基与基槽坡顶净距，最后为桩基刚度。当基槽开挖引起的桩顶位移较大时，对既有桥梁周围土体加固、桥梁施加钢板桩隔离或改变开挖方式均可以减小桩顶位移。其中，土体加固对桩基的保护效果受加固范围影响较大，同时基槽开挖引起的桩顶位移基本与加固土的泊松比成正比，与加固土的弹性模量成反比；钢板桩自身施工对桩基影响较小，钢板桩嵌固地层条件对桩顶位移有很大影响，其次为钢板桩嵌固深度，钢板桩型号以及内支撑的层数对桩顶位移影响不大；改变开挖方式可实施性和可靠性较高，清淤深度以及横向清淤范围与桩顶水平位移近似呈指数关系，但纵向清淤高差的控制值会受到淤泥层厚度的影响。关键词：沉管基槽；桥梁影响；保护措施；土体加固；钢板桩；开挖方式中图分类号：TU 753.64文献标志码：AAnalysis of Influence and Protection of Excavation of Immersed TubesFoundation Trench on the Displacement of Surrounding BridgesZhou Shixuan（Design Institute of Civil Engineering&Architecture Dalian University of Technology，Co.，Ltd.，Dalian 116024，China）Abstract：During the construction of the immersed tube adjacent to the existing bridges，the stress release caused bythe excavation will cause additional displacement and internal force on the upper and lower structures of the sur鄄rounding bridges，and then affect the stress bearing and safety of existing bridges.Based on the design of Qianhai BayTunnel in Shenzhen，this paper studies the influence of the excavation of immersed tubes foundation trench on thebridge and the effect of different protection measures.The research shows that the thickness of the silt layer has themost significant influence on the pile among most of the factors，followed by the distance between the pile and trenchslope，and finally the stiffness of the pile.When the pile displacement caused by foundation trench excavation ex鄄ceeds the standard，the pile displacement can be reduced by reinforcing the soil，applying steel sheet pile isolationto the bridge or changing the excavation method.The protection effect of soil reinforcement is greatly affected by thereinforcement range，and the displacement of pile top is basically proportional to the Poissons ratio of the rein鄄forcement soil，and inversely proportional to the elastic modulus of the soil；The construction of steel sheet pile haslittle influence on the pile.The embedded condition of steel sheet pile has great influence on the displacement ofcontrol pile top，followed by the embedded depth of steel sheet pile.The model of steel sheet pile and the number oflayers of internal support have little influence on the displacement；It is high feasible and reliable to change excava鄄Journal of Municipal Technology第41卷近年来，随着港珠澳大桥、深中通道和大连湾海底隧道等一系列沉管隧道的实施与落成，国内的沉管隧道设计、施工技术已愈臻成熟，沉管隧道在跨海工程的方案可选性也越来越高。沉管在沉放前需先开挖基槽，当邻近周边既有桥梁施工时，基槽的开挖将会引起土体应力释放，从而可能引起周边既有桥梁桩基产生水平与竖向位移，进而会增加墩、桩的附加弯矩，也可能会减小土体对桩侧的摩阻力，从而降低桩基的承载力；对于连续结构，还会引起上部结构产生次内力；同时，开挖引起的桥梁附加变形可能会对结构刚度造成影响。上述现象都可能对既有桥梁的结构受力和正常使用造成威胁。目前，针对沉管隧道基槽开挖对周边既有桥梁影响的研究并不多，且基槽开挖对桥梁影响以及加固分析还鲜有报道。基槽开挖对桥梁影响的保护措施，在陆上可以采用MJS、三轴搅拌桩以及高压旋喷桩加止水帷幕等方法1-3，在海上则可借鉴的实际工程较少，可供参考的案例为深中通道的桥墩围护桩方式4。由于海上和陆上的条件差异，以及不同施工方法的差别，所以沉管基槽开挖对桥梁影响的保护措施应因地制宜地做出调整。鉴于此，笔者以深圳市前海湾隧道设计方案为背景，研究了沉管基槽开挖对周边既有桥梁的影响和不同保护措施的效果，希望为类似工程提供借鉴。1工程概况拟建沉管隧道位于深圳市前海湾片区，沉管基槽与部分现状高速桥梁距离较近，综合距离、地质条件、桥梁结构形式等因素，选择1处典型断面进行分析。该处沉管基槽开挖深度约15.5 m，基槽坡顶线与桩基净距约7.8 m，最大淤泥层厚度约12 m。桥梁采用430 m预应力混凝土简支小箱梁结构，桥面连续，单排双桩，通过系梁连接，桩径2 m，桩基嵌岩。桥墩纵向为活动支座，横向为固定支座加活动支座。基槽与桥梁相对位置关系见图1。为了便于研究，场地条件相比实际工程做了一定简化。tion method.The dredging depth and scope are approximately exponential with the horizontal displacement at thepile top.The control value of the dredging height will be affected by the thickness of the silt layer.Key words：immersed tubes foundation trench；bridge influence；protective measures；soil reinforcement；steelsheet pile；excavation method2基槽开挖对既有桥梁的影响2.1正交试验设计基槽开挖引起的土体卸载会造成桩基承受不平衡土压力，进而引起桥梁上、下部结构产生附加内力和变形。不平衡土压力的大小受地质条件、桩基与基槽坡顶净距、桩基刚度、承台或系梁埋深、基槽深度以及基槽形状等多种因素影响，由于影响因素众多，故采用正交试验法研究不同因素对桩顶位移的影响规律。由于海域环境下一般采用高桩承台（系梁），且沉管隧道的开挖深度差异不会太大，因此按“三因素三水平”设计正交试验。假定基槽深度不变，正交试验因素与水平值见表1。基槽开挖线在淤泥层中的坡度取15，在其他地层中的坡度取12。由于淤泥层厚度不同而造成基槽形状不同，且为了保证因素A能够按研究水平取图1基槽与桥梁相对位置关系立面图Fig.1 Vertical view of relative position relationship between foundation trench and bridge122第5期值，所以随着因素B的改变，桩基与基槽中心线的距离会发生变化。2.2计算模型与参数按正交试验利用Midas GTS/NX软件建立9组三维实体模型，进行沉管基槽开挖对既有桥梁影响分析。考虑边界效应和桥跨布置，确定模型尺寸为265 m45 m30 m。土体采用实体单元，摩尔-库伦本构关系，土体参数见表2（可能采取的加固土体参数一并列入）；桥梁结构均采用梁单元，线弹性本构关系；桩基和系梁采用C30混凝土，桥墩和盖梁采用C40混凝土。模拟过程包括：地平衡、桥梁施工和沉管基槽开挖。各分析过程中，水压力是重要的影响因素。2.3正交试验结果与分析基槽开挖引起桩顶水平位移正交试验结果与极差分析见表3。试验结果表明，桩顶水平位移达到了15 mm，远超过位移控制标准。可见，在当前条件下，需要采取必要的工程措施，以降低桩顶水平位移。由极差分析可知，因素B极差R最大。可见，在基槽开挖对桩顶影响的诸多因素中，淤泥层厚度影响最显著，其次为桩基与基槽坡顶净距，最后为桩基刚度。用表3中各因素的综合平均值绘制影响因素与桩顶水平位移的关系曲线，见图2。由图2可知，桩顶水平位移与桩基刚度呈线性负相关，与淤泥层厚度和基槽深度的比值呈非线性正相关，与桩基与基槽坡顶净距和基槽深度的比值呈非线性负相关。3桥梁保护分析3.1桥梁保护思路由上述计算可知，为了减小基槽开挖对桥梁的影响，保证桥梁的安全，需对桥梁采取保护措施。水平1230.51.01.50.750.500.2522.00 m22.38 m22.63 mA（桩基与基槽坡顶净距/基槽深度）因素B（淤泥层厚度/基槽深度）C（桩基形式）表1正交试验因素与水平值Tab.1 Orthogonal test factors and level values土层重度/（kN/m3）E/MPa/（）c/kPa淤泥砾砂砂质黏性土中风化花岗岩搅拌桩加固土16.520.218.825.723.0225202.51041000.460.210.300.240.303.033.020.037.520.08.000.0222.001.210440.00表2土体参数表Tab.2 Soil parameters试验序号与极差分析试验结果A因素BC123456789K1K2K3k1k2k3R11122233320.319.805.676.773.271.894.8812312312325.707.742.348.572.580.787.7912323131217.3111.606.875.773.872.293.4815.024.181.116.972.050.783.711.510.45表3基槽开挖引起桩顶水平位移正交试验结果与极差分析Tab.3 Orthogonal test results and range analysis ofhorizontal displacement values at pile top caused byfoundation trench excavationmm图2影响因素与桩顶水平位移的关系曲线Fig.2 Relationship curves between influence factors andhorizontal displacement at pile top周世轩：沉管基槽开挖对周边桥梁位移影响及保护分析123Journal of Municipal Technology第41卷3.1.1土体加固在基槽开挖前，利用工程船对靠近基槽侧的桩基4 m范围以外、桥梁纵向30 m范围内采用水泥搅拌桩进行加固，加固横向宽度分别为10、20、30 m，加固竖向范围为自淤泥层加固至砂质黏性土底面。3.1.2钢板桩隔离在基槽开挖前，通过静压植桩技术，在桩基以外3 m处施作钢板桩对桥梁基础进行隔离，钢板桩型号为PU22-11.3，钢板桩间采用1层HW200 mm200 mm内支撑，间距3 m，布置在钢板桩顶部，内支撑与钢板桩之间通过24C槽钢导梁进行连接。土体加固和钢板桩隔离方案示意图见图3。3.1.3改变基槽开挖方式（清淤大开挖）沉管基槽开挖之所以会引起桥梁产生较大变形，其原因在于开挖所引起的桩基两侧不平衡土压力以及淤泥等软弱土引起的较大场地位移，故可以采用清淤大开挖的方式，即：桥梁侧自基槽开挖线至远离桩基以外15 m范围内，采用平坡开挖，并将开挖线控制在现状淤泥顶面4.5m以下位置（见图4），从而既消除了桩基两侧的土体高差，又减小了桩身周围的淤泥层厚度，进而减小了开挖对既有桥梁的影响。3.2数值模型与结果3.2.1数值模型利用Midas GTS/NX软件建立三维实体模型，土体和桥梁参数、本构关系以及模型范围与2.2节一致。搅拌桩加固土体采用实体单元，摩尔-库伦本构关系，计算参数见表2。为了正确模拟钢板桩施工过程对既有桥梁的影响和钢板桩的保护作用，钢板桩需采用正交异性板单元，其截面厚度按面积等效原则确定，对应截面外弹性模量为钢材弹性模量，截面内弹性模量按截面抗弯刚度等效原则换算确定。计算参数见表4。3.2.2计算结果由于桩基嵌岩，经计算桩顶竖向位移均小于1mm，重度/（kN/m3）E1/GPaE2/GPa壁厚/mm78.57.11052100.315.4表4钢板桩参数表Tab.4 Parameters of steel sheet pile图3土体加固和钢板桩隔离方案示意图Fig.3 Schematic diagram of soil reinforcement and steel sheet pile isolation scheme图4清淤大开挖保护方式示意图Fig.4 Schematic diagram of dredging excavation protection methods124第5期因此主要研究基槽开挖对桩顶水平位移的影响。不采取任何保护措施和采取不同保护措施的桩身水平位移见图5。由图5可知，当不采取任何保护措施开挖时，桩基的附加变形很大，桩顶最大水平位移约15 mm；采用土体加固、钢板桩隔离以及清淤大开挖时，均可减小桩基变形，除土体加固10 m范围以外，均可保证桩顶水平位移小于5 mm。3.2.3保护参数分析1）土体加固土体加固方式对既有桥梁的保护效果既取决于土体的加固范围，也受加固土参数影响。其中：加固土参数包括土体的黏聚力和内摩擦角等力学参数以及弹性模量和泊松比等变形参数。黏聚力与内摩擦角土体加固模型中，取加固土体弹性模量为100MPa，泊松比为0.3，分别计算加固土不同黏聚力和内摩擦角时，基槽开挖对桩基的影响，计算结果见表5。由表5可知，在一定范围内，仅改变加固土的黏聚力和内摩擦角对桩顶水平位移的影响不大，但对计算的收敛效率有一定影响。弹性模量与泊松比土体加固模型中，取黏聚力为40 kPa，内摩擦角为20，分别计算加固土不同弹性模量和泊松比时，基槽开挖对桩基的影响，并绘制加固土参数对桩顶水平位移影响曲线，见图6。由图6可知，桩顶水平位移随加固土弹性模量的增大而减小，随加固土泊松比的增大而增大，且二者与桩顶水平位移基本呈线性关系。可见，与力学参数相比，加固土的变形参数对桩顶水平位移的影响更大。当然，数值计算假定黏聚力和内摩擦角与弹性模量和泊松比相互独立。实际工程中，各参数存在相关性，但从控制位移角度考虑，加固土的变形参数更需要得到重视和保证。2）钢板桩隔离钢板桩刚度体系钢板桩刚度体系包括钢板桩自身的抗弯刚度（钢板桩型号）、钢板桩的嵌固深度和钢板桩的内支撑刚度。笔者分别研究在1层内支撑条件下，钢板桩采用AU17、PU22和AU25型号，PU22型钢板桩采用不同嵌固深度，以及PU22型钢板桩采用单层支撑和双层支撑条件下的桩顶水平位移，计算结果见表6。由表6可知，钢板桩自身刚度和内支撑刚度对桩顶水平位移影响不显著，而钢板桩的嵌固深度和嵌固地层条件对桩顶水平位移有很大影响，二者中120804020504030204.374.374.374.37试验条件及结果E=100 MPa；=0.3；=20 c/kPaE=100 MPa；=0.3；c=40 kPa/（）桩顶水平位移/mm4.374.374.374.47桩顶水平位移/mm表5加固土黏聚力和内摩擦角对桩顶水平位移影响Tab.5 Influence of cohesive force and internal friction angleof reinforced soil on horizontal displacement at pile top图5桩身水平位移图Fig.5 Horizontal displacement diagram of pile body图6加固土变形参数对桩顶水平位移影响曲线Fig.6 Influence curves of parameters of reinforced soil on pile tophorizontal displacement周世轩：沉管基槽开挖对周边桥梁位移影响及保护分析125Journal of Municipal Technology第41卷嵌固地层的地质条件对桩顶水平位移影响更为显著。双层支撑较单层支撑桩顶水平位移稍大，其原因在于围堰内的回填条件。不同型号钢板桩施作过程引起的桩顶水平位移均小于1 mm，该结果已得到类似工程实测数据的印证5。可见，钢板桩自身施工对桩基影响也较小。钢板桩回填土分别研究钢板桩采用单层支撑不挖除钢板桩内淤泥、挖除钢板桩内淤泥但不回填砂土以及挖除钢板桩内淤泥并回填砂土工况下桩顶位移和钢板桩位移情况，计算结果见表7。可见，挖除钢板桩内淤泥并回填砂土对降低桩顶横桥向位移略有益处，更重要的是挖除淤泥并回填砂土对提高桩基和钢板桩稳定性有较大帮助。3）清淤大开挖如前文所述，淤泥层厚度和桩基与基槽坡顶净距是基槽开挖对桥梁影响最显著的因素，采用清淤大开挖的施工方式，可以降低淤泥层厚度，同时还增加了桩基与基槽坡顶净距。清淤大开挖方式增加了沉管基槽的挖泥量，但在基槽的总开挖量中占比较小，所以其可实施性和可靠性较高。清淤方案对桩基位移的影响因素主要包括清淤深度、横向清淤范围（清淤坡底线与桩基的净距，见图4）、纵向清淤高差等。清淤深度分别研究清淤深度在39 m范围内，基槽开挖对桩顶水平位移的影响，计算结果见图7。通过数据拟合发现，清淤深度与桩顶水平位移近似呈指数关系（R2=0.997），曲线拟合关系式为：y=-18.99（1-e-x/3.26）+20.45。（1）可见，清淤深度存在某一临界值，超过临界值后，清淤深度对桩顶水平位移的控制效率便会降低。横向清淤范围在清淤深度h=4.5 m的条件下，分别研究桩基与清淤坡底线净距s（清淤范围）为（14）h时，基槽开挖对桩顶水平位移的影响，计算结果见图8。工况桩顶横桥向位移钢板桩横桥向最大位移钢板桩顺桥向最大位移不挖除淤泥挖除淤泥不回填挖除淤泥并回填砂土1.521.841.277.6310.816.493.4718.7410.65表7钢板桩内挖填方案对桩顶位移和钢板桩位移影响Tab.7 Influence of the filling scheme in steel sheet pile onthe displacement of pile top and steel sheet pile mm工况桩顶水平位移单层支撑单层支撑PU22型双层支撑PU22型AU17型，I=3.43104cm2PU22型，I=4.64104cm2AU25型，I=5.62104cm2嵌固深11.6 m，嵌固淤泥层嵌固深18.5 m，嵌固砾砂层嵌固深23.3 m，嵌固砂质黏性土层1.651.521.4410.558.591.521.57表6钢板桩保护方案对桩顶水平位移影响Tab.6 Influence of the steel sheet pile protection scheme onthe horizontal displacement at pile topmm图7清淤深度对桩顶水平位移影响曲线Fig.7 Influence curves of dredging depth on pile top horizontaldisplacement图8横向清淤范围对桩顶水平位移影响曲线Fig.8 Influence curves of lateral dredging range on pile tophorizontal displacement126第5期通过数据拟合发现，清淤范围与桩顶水平位移基本呈指数关系（R2=0.999），曲线拟合关系式为：y=-16.781-e-s/（2.9h）+17.17。（2）可见，当清淤范围达到4倍清淤深度以上时，清淤边坡对桩顶水平位移的影响已经很小。纵向清淤高差基槽清淤施工时，鉴于施工工艺不同以及施工误差的影响，桥墩在顺桥向可能存在清淤高差，使其在不平衡土压力的作用下，墩桩产生附加位移。由于淤泥存在一定的流动性，所以按15的单侧自然坡分析不同清淤高差下桩顶的位移情况。在桩基中心线顺桥向05 m范围内，淤泥坡底与桩基不同相对位置条件下，清淤高差引起的桩顶水平位移相差不足10%。桩顶水平位移主要受淤泥层厚度以及清淤高差影响，计算结果见图9。随着清淤高差和淤泥层厚度的增加，桩顶水平位移同样近似按指数规律增加，故当淤泥层较厚时，纵向清淤高差宜控制在0.5 m以内。4结论1）在基槽开挖对桩顶影响的诸多因素中，淤泥层厚度影响最显著，其次为桩基与基槽坡顶净距，最后为桩基刚度。桩顶水平位移与桩基刚度呈线性负相关，与淤泥层厚度和基槽深度的比值呈非线性正相关，与桩基与基槽坡顶净距和基槽深度的比值呈非线性负相关。2）当沉管基槽开挖对周边既有桥梁影响较大时，采用土体加固、钢板桩隔离以及清淤大开挖等方式均可以有效减小基槽开挖引起的桥梁桩顶位移，使其满足安全控制标准。3）钢板桩隔离方式可以显著地减小基槽开挖引起的桩顶水平位移，当钢板桩与桥梁桩基净距为3 m时，钢板桩自身施工引起的桩顶水平位移不足1 mm；钢板嵌固地层条件对桩顶水平位移有很大影响，其次为钢板桩嵌固深度；钢板桩型号以及内支撑的层数对桩顶水平位移影响不大。4）土体加固对桥梁的保护效果受土体加固范围和加固后土体的变形参数影响，基槽开挖引起的桩顶水平位移基本与加固土的泊松比成正比，与加固土的弹性模量成反比。在一定范围内，加固土的黏聚力和内摩擦角对桩顶水平位移影响较小，因此采用土体加固保护措施时，要保证加固土体变形参数的可靠性。5）清淤大开挖方式可以显著减小桩顶位移，其可实施性和可靠性较高，清淤深度以及横向清淤范围与桩顶水平位移近似呈指数关系，纵向清淤高差的控制值受淤泥层厚度影响，当淤泥层较厚时，纵向清淤高差宜控制在0.5 m以内。参考文献1曹淑学.深厚软基地区下穿便道对既有桥梁桩基的影响及保护措施优化J.公路工程，2019，44（5）：142-150.（CAO S X.Influence of access road on the existing bridge pile and optimizedprotection measures in deep soft clayJ.Highway engineering，2019，44（5）：142-150.）2杨军宏.MJS斜向加固技术在桥梁保护中的应用研究J.工程技术研究，2019，4（5）：84-85.（YANG J H.Application of MJSoblique reinforcement technology in bridge protectionJ.Engi-neering and technology research，2019，4（5）：84-85.）3李志伟，杨建学，俞伟.软土地基堆载对桥梁桩基影响及保护分析J.工程建设与设计，2016（7）：81-85.（LI Z W，YANG JX，YU W.Analysis of the impact of surcharge on the bridge pileand the protection in soft soil areaJ.Construction&design forengineering，2016（7）：81-85.）4蔡晓男.深中通道东人工岛施工中广深沿江高速公路保护措施研究J.施工技术，2020，49（23）：21-24.（CAI X N.Protectivemeasurements of Guangzhou-Shenzhen river side expressway onthe east artificial island of Shenzhen-Zhongshan cross river chan-nelJ.Construction technology，2020，49（23）：21-24.）5刘玉涛.浅谈静压植桩技术在既有高速公路桥梁墩台保护施工中的应用J.西部探矿工程，2020，32（3）：178-181，185.（LIUY T.Discussion on the application of static pressure pile plantingtechnology in the protection construction of existing expresswaybridge piers and abutmentsJ.West-China exploration engineer-ing，2020，32（3）：178-181，185.）图9纵向清淤高差对桩顶水平位移影响曲线Fig.9 Influence curves of vertical dredging height difference onpile top horizontal displacement周世轩：沉管基槽开挖对周边桥梁位移影响及保护分析127