桩基础施工对邻近既有高速公路沉降变形的影响_王松.pdf

自20世纪以来，国内交通基础设施作为经济、人口流动发展的通道，公路网、铁路网越来越发达，如今交通网已经覆盖了全国大部分地区，进而引发出新建工程和既有工程的相互影响问题并成为工程领域的研究热点之一。既有工程项目自建成以后，除了工程结构本身收稿日期：2022-12-12基金项目：国家自然科学基金项目（51978357）作者简介：王松，男，高级工程师，学士，主要从事市政基础设施施工技术研究工作。通讯作者：金铎，男，在读博士研究生，主要研究方向为桥梁智能健康监测与运维。引文格式：王松，郭水，张良，等.桩基础施工对邻近既有高速公路沉降变形的影响 J.市政技术，2023，41（3）：63-69.（WANG S，GUO S，ZHANG L，et al.Influence of pile foundation construction on settlement deformation of adjacent existing expressway J.Journal ofmunicipal technology，2023，41（3）：63-69.）文章编号：1009-7767（2023）03-0063-07第41卷第3期2023年3月Vol.41，No.3Mar.2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.03.063Journal of Municipal Technology桩基础施工对邻近既有高速公路沉降变形的影响王松1，郭水1，张良1，刘淼1，张雷1，吕金生1，王建1，金铎2*（1.北京市政建设集团有限责任公司，北京 100045；2.北京工业大学 城市建设学部，北京 100124）摘要：随着交通基础设施建设的日益完善，错综复杂的高速公路网和铁路网逐渐落地，如今邻近既有结构进行新的基础设施施工也越来越多，因而新建工程的施工对邻近既有工程影响的分析非常重要。由此，论述了某工程通过有限元软件建模匝辅桥桩基础施工过程中，对邻近既有高速公路的影响以及基坑边坡稳定性的问题。模拟发现：该施工过程对既有高速公路造成的沉降符合技术要求，制定的基坑边坡支护方案可以保证施工安全。该模拟完成后可为后续该领域的研究提供参考，同时为工程施工安全控制提供了依据。关键词：桩基础；数值模拟；施工安全控制；既有高速公路；沉降变形中图分类号：U 445.551文献标志码：BInfluence of Pile Foundation Construction on Settlement Deformation ofAdjacent Existing ExpresswayWang Song1，Guo Shui1，Zhang Liang1，Liu Miao1，Zhang Lei1，L Jinsheng1，Wang Jian1，Jin Duo2*（1.Beijing Municipal Construction Co.，Ltd.，Beijing 100045，China；2.Beijing University of Technology Faculty of Architacture，Beijing 100124，China）Abstract：With the increasingly perfect construction of transportation infrastructure and gradually completed intricatehighway network and railway network，there are more and more new infrastructure construction of adjacent existingstructures.Therefore，it is very important to analyze the influence of construction of new projects on adjacent exist-ing projects.This paper discusses the influence on the adjacent expressway and the stability of foundation pit slopeduring the construction of ramp auxiliary bridge pile foundation by finite element software modeling.The simulationresults show that the settlement caused by the existing expressway in the construction process meets the technical re-quirements.The supporting scheme can ensure the construction safety.The completed simulation can provide a ref-erence for the subsequent research in this field as well as construction safety control.Key words：pile foundation；numerical simulation；construction safety control；existing highway；settlement defor-mationJournal of Municipal Technology第41卷在自重和外荷载的作用下完成符合规范要求中的相应变形之外，荷载会由地上结构传递至地下的基础，最后施加在基础以下和侧面的土体中。土体在这些荷载的作用下会产生沉降变形，并最终使应力基本达到平衡。对于桩基础施工对邻近既有高速公路沉降变形的影响，一些学者1-13在理论方法上、实际工程中和结合人工智能应用等方面均进行了研究，认为结构与结构之间的相互影响主要发生在新建工程与既有工程之间，即基坑开挖后基坑面上的土体由于失去了其上方土体的自重荷载应力，外界力的作用破坏了土体内原来的应力平衡状态，基坑底部临空面的土体会有向上的变形，同时土的抗剪强度由于受到外界各种因素的影响而降低，使得基坑边坡失稳而破坏。因此，邻近既有工程施工的基坑边坡稳定性是需要考虑的重点之一。笔者则以某工程为背景，根据项目要求，通过岩土Midas Gts Nx有限元软件模拟桩基础施工对邻近既有高速公路的影响，并对每个施工阶段高速公路路基和挡土墙的变形规律进行分析，同时在基坑开挖的施工阶段制定边坡支护方案来保证边坡的稳定性，最后通过有限元软件的模拟来为施工安全控制方案的制定提供依据。1工程概况与地质环境北京市北清路（京新高速京承高速）快速化改造工程2号标段，起点位于昌平线生命科学园站，终点位于七马路西侧，全长3.46 km。新建北清路主线桥呈东西走向，与既有京藏高速公路（以下简称“高速公路”）呈十字交叉，设置全互通立交1座，共包含10座匝（辅）道桥1座主线桥。其中，有2座匝辅桥与高速公路顺行，下部结构施工邻近既有高速公路路基挡墙；4座匝道桥和主线桥上跨高速公路。模拟施工场地的新建匝辅桥与高速公路挡土墙段断面示意图如图1所示，建模包括地基、高速公路以及两侧的桩基础。高速公路路面高程6.8 m，路面宽27.6 m，桩基础工程包含基坑、承台和桩，其中桩长45 m。承台平面如图2所示。该工程范围内的地质构造格局是由新生代地壳构造运动形成的，主要特征是断裂及其控制的断块活动。勘探作业最大深度为75 m，形成了钻探资料和室内土工试验结果，并且按地层沉积年代、成因类型，将该工程场地勘探范围内的土层划分为人工堆积层、新近沉积层和第四纪沉积层三大类。整个施工作业场地地表均分布有人工堆积层，一般厚度为0.53.5 m，到京藏桥附近（里程K2+334.89K4+353.32）填土层较厚，达到4.06.0 m，填土土质主要为杂填土、粉土填土、粉质黏土填土。往下一层为新近沉积层，其岩性主要以粉土、黏性土、砂土地层为主，厚度范围一般为1.44.2 m，其物理力学和工程图1新建匝辅桥与高速公路挡土墙段断面示意图（m）Fig.1 Cross-section of the newly built ramp auxiliary bridge and the retaining wall section of the Beijing-Tibet expressway图2承台平面图（cm）Fig.2 Platform plan64第3期性质均较差。再往下一层为第四纪全新世冲洪积地层，其岩性主要以圆砾、黏性土、砂土、粉土交互层为主，圆砾层仅在线路与京张城际铁路相交处（里程K1+048K2+258）局部分布，埋深为16.020.0 m，层厚约为4.0 m。砂土分布不连续，仅局部存在。勘探所涉及地层的最后一层为第四纪晚更新世冲洪积地层，其岩性主要以黏性土、砂土交互层为主，局部夹薄层粉土。2数值模拟根据匝辅桥和高速公路断面图建立有限元模型，将匝辅桥桩基础施工过程分为不同的阶段，以分析每个施工阶段对挡土墙和路基变形的影响。笔者使用Midas Gts Nx有限元软件建模，将大部分实体划分为3D的六面体和四面体的混合单元，如图3所示。a）建模前b）建模后图3场地建模示意图（m）Fig.3 Schematic diagram of site modeling整体模型大概分为3个部分：地基、高速公路和桩基础。根据设计图纸和施工方案在软件中画出模型轮廓线，由线建立面，再由面生成几何实体，最后由几何实体划分网格单元。划分网格单元前将地勘资料、高速公路物理参数以及混凝土参数输入到软件的材料本构一栏中，基于材料本构建立属性，然后划分网格单元时再选择各几何实体对应的属性。针对划分网格的大小，由于高速公路及附近和桩基础工程的3D网格单元划分较密集，所以网格单元尺寸为1.45 m，其余均为2.9 m。桩基础中，承台用3D网格单元划分，桩首先划分为1D梁单元，再划分为桩单元，同时在桩底部添加桩端单元。该工程共划分为原场地、桩基施工、基坑开挖、承台施工和基坑回填5个施工阶段。其中：原场地阶段模拟的是项目开工前的场地情况，包括高速公路和未动工的地基，几何实体网格单元在自重作用下完成变形，但该变形不计入后续施工阶段的模拟结果，因此需要勾选位移清零使得该施工阶段各几何实体网格单元的位移结果显示为零，同时勾选预估初始单元的激活应力状态；其余4个施工阶段依据实际施工方案对每个部分的几何实体网格单元选择激活或者钝化。全部阶段的激活荷载始终是自重作用，其他施工荷载暂且忽略不计。最后输入判敛准则，位移为0.001，内力为0.01，使用求解器进行模型分析。分析完成后，导出路基和挡土墙在各施工阶段的竖向位移结果。土层采用摩尔-库伦模型；根据汪健伟12的研究，路基路面材料同样也适用于摩尔-库伦模型。该工程参考路基路面工程13和JTG D302015公路路基设计规范14进行设计，路基路面材料参数均采用近似值（如表1所示），混凝土和钢材采用各向同性的弹性模型，弹性材料参数如表2所示。表1路基路面材料参数Tab.1 Subgrade and pavement material名称厚度/cm弹性模量/kPa泊松比容重/（kN/m3）黏聚力/kPa摩擦角/（）沥青路面水泥稳定碎石稳定土路基土2040207501.451081.951079.501069.001040.250.250.350.4024.323.121.516.2177.820.025.025.046.640.036.040.0王松等：桩基础施工对邻近既有高速公路沉降变形的影响65Journal of Municipal Technology第41卷表2弹性材料Tab.2 Elastic material名称适用结构弹性模量/kPa泊松比容重/（kN/m3）混凝土钢材挡土墙、承台、桩，边坡喷射混凝土锚杆锚索33 500 000200 000 0000.200.2825772.1挡土墙和路基的沉降变形结果分析从软件计算的结果看，挡土墙和路基的横、纵向位移均呈对称分布，因此只导出1/4模型的竖向位移结果进行分析。各施工阶段1/4模型竖向位移结果如图4所示。1）图4 a）中，竖向位移是桩基施工完成后的结a）桩基施工b）基坑开挖c）承台施工d）基坑回填图4各施工阶段1/4模型竖向位移结果Fig.4 Vertical displacement diagram of 1/4 model at each construction stage果，总体位移体现在高速公路挡土墙靠近桩基础的根部，沉降最多为1 mm。桩基础施工作业中，钻孔完成后，孔周围的土体会因为应力平衡被打破而向桩孔缓慢移动，但成孔12 d后就会进行注浆作业，因此应力失衡并不会一直持续下去，所以对高速公路的影响可忽略不计。2）图4b）为基坑开挖并完成支护后路基和挡土墙的位移情况。相较于前一施工阶段，邻近桩基础施工的挡土墙根部沉降几乎没有变化，路基中部的沉降有所缓和，较前一施工阶段有向上0.20.3 mm的竖向位移。3）图4c）为承台施工阶段的结果，其延续了上一施工阶段沉降缓和的特点。无论是路基还是靠近桩基础施工，挡土墙根部都有一定的向上的竖向位移。因此可以看出前几个施工阶段从一开始便产生了一定的沉降，之后开始逐渐缓和。4）图4d）为基坑回填阶段，考虑了施加在承台上墩柱荷载的情况。根据Midas Civil软件建立了匝66第3期辅桥整桥的模型，并计算出施加在单个承台上墩柱荷载的具体数值为11 659 kN。从图中还可以看到，在承台上施加了墩柱荷载后靠近桩基础的高速公路部分相较前几个施工阶段有相对较大的沉降，其值达到了3 mm。从以上各施工阶段的沉降位移结果分析来看，整体路基沉降的峰值为基坑回填并施加了墩柱荷载之后，数值接近3 mm。根据JTG D302015公路路基设计规划，高速公路、一级公路容许工后沉降标准为：桥台与路堤相邻处100 mm，涵洞、箱涵、通道处200 mm，一般路段300 mm，因此该工程数值模拟的结果完全符合规范要求。2.2路基和挡土墙的水平位移结果分析选取承台施工阶段的路基和挡土墙的水平位移结果进行分析（依然只导出1/4模型的水平位移结果），如图5所示。整体桩基础施工作业中路基和挡土墙的水平位移集中在邻近施工现场挡土墙的根部，其他部分相对较小。桩基施工阶段中路基和挡土墙几乎没有水平向的位移，承台施工阶段的水平位移和基坑开挖阶段结果相似，邻近基坑的挡土墙根部有向外最大的水平位移，为0.55 mm。3基坑边坡支护3.1支护方案基坑网格划分与支护形式如图6所示。图5承台施工阶段1/4部分的水平位移结果Fig.5 Horizontal displacement diagram of 1/4 part of cap duringconstruction phasea）基坑网格b）支护形式图6基坑网格划分与支护形式（m）Fig.6 Grid division and supporting form of foundation pit在邻近高速公路的陡边坡喷射混凝土形成15cm厚的混凝土板，利用混凝土板的自重将边坡面向外位移的趋势抑制住。边坡喷射混凝土板横截面如图7所示。在Midas Gts Nx有限元软件中采用2D板单元的形式进行网格划分，单元尺寸为0.5m。网格划分应比周围密集，以便计算出更为准确的位移数值。由于混凝土板的防护效果有限，因此需要再加入锚杆支护。锚杆的材料采用HRB500，配筋形式如图7所示。锚杆一端与混凝土板垂直锚固（刚性连接），锚固点位于单元节点上，以保证锚杆不与混凝土板发生分离；另一端深入土体，与周围土体形成摩擦力。单根灌浆长度为单根总长度的一半，灌浆部分位于远离边坡深入土体的那一侧；在另一侧靠近混凝土板的部分施加预应力（上侧锚杆为150 kN，下侧锚杆为200 kN）。根据基坑与高速公路的相对位置，图7边坡喷射混凝土板横截面图（cm）Fig.7 Cross section of slope shotcrete slab王松等：桩基础施工对邻近既有高速公路沉降变形的影响67Journal of Municipal Technology第41卷为保证混凝土板受力均匀，需布置2排锚杆，上面1排锚杆长度为5 m，下面1排锚杆长度为10 m。3.2边坡水平位移结果分析对采用支护和未采用支护2种方案进行比较分析，其结果如图8所示。1）图8a）采用支护后，边坡整体最大向外的水平位移为1 mm，且集中在边坡的上半部分，而下半部分从上到下的位移范围是向外0.2 mm到向内0.5 mm，底部因为锚杆预应力比较大导致向内1.3 mm，保证了边坡不发生失稳破坏。上半部分有向外位移的原因是没有配置预应力锚杆，因为长锚杆会在施工时碰到邻近的挡土墙，而短锚杆则基本没有支护的效果，并且短锚杆与土体的接触面积不够，土体给短锚杆施加的摩擦力就会相应地比较小。2）图8b）未采用支护的边坡大部分都有向外的位移，其范围为0.82.5 mm，仅有少部分达到了3 mm。与图a）相比，说明采用笔者制定的支护方案是有效的，防止了基坑边坡的失稳破坏，完全能保证基坑内施工的安全。4结论笔者以北京市北清路快速化改造工程为背景，通过岩土通用Midas Gts Nx有限元软件模拟了邻近京藏高速公路的桩基础施工，研究了桩基础施工对邻近既有高速公路的影响，并在软件中进行了建模计算，导出了路基和挡土墙的竖向位移结果，对基坑采用支护和未采用支护边坡水平位移结果进行了分析，得出结论如下：1）邻近高速公路进行桩基础施工会使公路产生沉降变形；桩基施工、基坑开挖和承台施工对路基和挡土墙造成的沉降在1 mm以内，而基坑回填并施加了墩柱荷载后，路基和挡土墙产生了相对较大的位移，最大为3 mm，说明匝辅桥施工完成后会对邻近京藏高速公路有一定的影响，但从整体模拟的结果来看沉降值在安全范围以内。2）通过边坡支护与未支护的模拟结果比较来看，支护方案起到了效果，边坡向外最大的位移仅有1mm，而未采用支护的边坡整体有0.82.5 mm向外的位移，少部分达到了3 mm。参考文献1李庶安，张军华，田仕臻，等.层状土中考虑桩-土-承台相互作用的群桩基础承载特性研究J.工业建筑，2020，50（8）：65-71.（LI S A，ZHANG J H，TIAN S Z，et al.Research on bearingcharacteristics of group pile foundations considering pile-soil-capinteractioninstratifiedsoilJ.Industrial construction，2020，50（8）：65-71.）2雍睿.三峡库区侏罗系地层推移式滑坡抗滑桩相互作用研究D.武汉：中国地质大学（武汉），2014.（YONG R.Interactionbetween thrust load caused landslide and antislide pile in Juras-sic Strata in Three Gorges Reservoir RegionD.Wuhan：ChinaUniversity of Geosciences（Wuhan），2014.）3PROVENZANOP.AFuzzy-neural network method for modelinguncertaintiesin soil-structure interaction problemsJ.Computer-aided civil and infrastructure engineering，2003，18：391-411.4刘松涛，张国安，杨秀竹，等.上软下硬地层铁路隧道下穿既有高速公路施工方法研究J.铁道科学与工程学报，2011，8（5）：35-39.（LIU S T，ZHANG G A，YANG X Z，et al.Study on theconstruction method of railway tunnel crossing under expresswayand built in upper soft and lower hard stratumJ.Journal of rail-way science and engineering，2011，8（5）：35-39.）5刘毅.跨线桥桩基施工对既有高铁隧道的影响研究D.湘潭：b）未采用支护图8基坑邻近高速公路边坡水平位移图Fig.8 Horizontal displacement diagram of the foundation pit nearthe expresswaya）采用支护68第3期（上接第 62 页）建措施研究J.地下空间与工程学报，2021，17（1）：273-281.（HE H J，LI S M，TONG L H，et al.Research on constructiontechnical measures of a new metro station passing underneath anexisting oneJ.Chinese journal of underground space and engi-neering，2021，17（1）：273-281.）11李美欣，邵志国，于德湖.近距离下穿既有运营地铁车站的换乘车站施工风险评价研究J.铁道标准设计，2022，66（4）：155-161.（LIMX，SHAOZG，YUDH.Researchonconstructionrisk assessment of transfer station undercrossing adjacent existingoperation subway stationJ.Railway standard design，2022，66（4）：155-161.）12刘永超，袁振宇，程雪松，等.不同注浆材料对隧道漏水漏砂封堵效果试验研究J.岩土工程学报，2021，43（Sup2）：249-252.（LIU Y C，YUAN Z Y，CHENG X S，et al.Experimental studyon plugging effect of different grouting materials for water andsand leakage of tunnelsJ.Chinese journal of geotechnical engi-neering，2021，43（Sup2）：249-252.）13周运祥.富水隧道全风化花岗岩和蚀变大理岩段涌水涌砂加固治理技术J.铁路标准设计，2015，59（6）：96-102.（ZHOUY X.The control of sand-gushing and water-bursting of waterrichtunnel located in area with fully weathered granite and alterationmarbleJ.Railway standard design，2015，59（6）：96-102.）14邓洪亮，王守凡，李小鹏.饱和承压水砂层排水诱导驱替注浆技术研究J.隧道建设（中英文），2022，42（2）：215-223.（DENGHL，WANGSF，LIXP.Drainage induced displacement groutingtechnology in saturated confined water sand layersJ.Tunnelconstruction（Chinese and English），2022，42（2）：215-223.）15张品，钟志全，陈仁朋，等.MJS桩加固对上覆地铁运营隧道影响研究J.地下空间与工程学报，2019，15（4）：1164-1171.（ZHANGP，ZHONGZQ，CHENRP，et al.Studyon influence ofMJScolumnsreinforcement on overpasssubwayoperation tunnelJ.Chinese journal of underground space and engineering，2019，15（4）：1164-1171.）16周子朋，赵记领，杨平，等.交叠车站下穿段MJS+水平冻结温度场分析J.地下空间与工程学报，2021，17（4）：1144-1153，1170.（ZHOU Z P，ZHAO J L，YANG P，et al.Research on anal-ysis on MJS+horizontal freezing temperature field in underpasssectionofoverlappingstationJ.Chinesejournalofundergroundspace and engineering，2021，17（4）：1144-1153，1170.）湖南科技大学，2016.（LIU Y.Study on the influence of bridgepile foundation construction on existing high-speed railway tun-nelD.Xiangtan：Hunan Universityof Science and Technology，2016.）6汪东林，汪磊.紧邻既有高速公路偏压地铁深基坑围护结构变形监测与数值模拟研究J.建筑结构，2015，45（11）：91-95.（WANG D L，WANG L.Study on deformation monitoring andnumerical simulation of deep foundation pit retaining structureof biased subway adjacent to existing expresswayJ.Buildingstructure，2015，45（11）：91-95.）7王文韬.深基坑开挖支护过程对邻近城市道路路基变形的影响研究D.长沙：长沙理工大学，2016.（WANG W T.Study oninfluence of deep foundation pit excavation and supporting pro-cesson subgrade deformation of adjacent cityroadD.Changsha：Changsha University of Science and Technology，2016.）8王东波.新建雨水调蓄池对既有桥梁的影响分析D.北京：北京交通大学，2020.（WANG D B.Influence analysis of new rain-waterstoragepondonexistingbridgeD.Beijing：BeijingJiaotongUniversity，2020.）9李刚，王珣，刘勇，等.桥梁桩基础施工对既有高速铁路桥梁基础变形的影响J.铁道建筑，2018，58（12）：57-60.（LI G，WANG X，LIU Y，et al.Influence of bridge pile foundation con-struction on deformation of existing high-speed railway bridgefoundationJ.Railway construction，2018，58（12）：57-60.）10白雪.新建桥梁桩基施工对既有高铁箱涵附加沉降影响研究D.兰州：兰州交通大学，2020.（BAI X.Influence of pile foun-dation construction on additional settlement of existing high-speedrailway box culvertD.Lanzhou：Lanzhou Jiaotong University，2020.）11耿传飞.新建桥梁施工对邻近既有客运专线桥梁影响研究D.北京：北京交通大学，2015.（GENG C F.Study on the in-fluence of new bridge construction on adjacent existing passengerdedicated line bridgesD.Beijing：Beijing Jiaotong University，2015.）12汪健伟.正应力条件下的沥青混合料扭转剪切试验方法研究D.长沙：长沙理工大学，2016.（WANG J W.Research on tor-sional shear test method of asphalt mixture under normal stressD.Changsha：Changsha University of Science and Technology，2016.）13黄晓明，郑健龙，冯德成.路基路面工程M.北京：人民交通出版社，2019：35-36.（HUANG X M，ZHENG J L，FENG D C.SubgradeandpavementengineeringM.Beijing：China Commu-nications Press，2019：35-36.）14中华人民共和国交通运输部.公路路基设计规范：JTG D302015S.北京：人民交通出版社，2015.（Ministry of Transportof the Peoples Republic of China.Design specification for high-way subgrade：JTG D302015S.Beijing：Peoples Commu-nications Press，2015.）其他作者：郭水，男，工程师，学士，主要从事市政基础设施施工技术研究工作。张良，男，工程师，学士，主要从事道路与桥梁施工技术研究工作。刘淼，男，高级工程师，学士，主要从事市政基础设施施工技术研究工作。张雷，男，工程师，硕士，主要从事市政基础设施施工技术研究工作。吕金生，男，高级经济师，学士，主要从事市政基础设施施工技术研究工作。王建，男，高级工程师，学士，主要从事市政基础设施施工技术研究工作。王松等：桩基础施工对邻近既有高速公路沉降变形的影响69