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