地鐵基坑開挖對緊鄰橋樁及支護結構變形的影響

于景志 劉燕 宋享樺 楊帆 許澤

文章編號：1671-3559（2023）06-0734-06DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20230331.001

摘要： 為了保證基坑開挖對緊鄰既有橋梁樁基的安全性，結合某在建地鐵車站實際工程，應用三維有限元軟件MIDAS，對基坑開挖過程中樁體深層水平位移、地表沉降及橋墩豎向位移進行三維有限元模擬，并對現場實際監測結果進行分析。結果表明：基坑開挖造成支護結構產生鼓肚狀變形，模擬結果曲線與監測結果曲線趨勢一致；地表沉降呈漏斗狀，模擬結果與監測結果具有較好的一致性；開挖基坑西側橋樁JP23處橋墩的豎向位移大于開挖基坑東側橋樁JP24處橋墩的豎向位移，說明距離越小，基坑開挖對橋樁的影響越大；根據模擬不考慮全方位高壓噴射注漿樁加固，得到地表沉降最大豎向位移增大54.5%，并且橋墩豎向位移超過預警值，說明全方位高壓噴射注漿加固對控制開挖變形具有重要作用。

關鍵詞： 地鐵車站；基坑開挖；橋樁；支護結構；結構變形

中圖分類號： TU455.43

文獻標志碼： A

Influences of Subway Foundation Pit Excavation on Deformation of Adjacent Bridge Piles and Retaining and Protection Structures

YU Jingzhi1a，LIU Yan1a，b，SONG Xianghua1a，b，YANG Fan2，XU Ze3

（1.a.School of Civil Engineering and Architecture，b.The Engineering Technology Research Center for Urban Underground

Engineering Support and Risk Monitoring of Shandong Province，University of Jinan，Jinan 250022，Shandong，China;

2.Jinan Ding Hui Civil Engineering Technology Co.，Ltd.，Jinan 250002，Shandong，China;

3.Water Resources Research Institute of Shandong Province，Jinan 250014，Shandong，China）

Abstract：To ensure safety of foundation pit excavation for adjacent existing bridge pile foundations，combining an actual project of a subway station under construction and by using three-dimensional finite element software MIDAS，three-dimensional finite element simulation was conducted on deep horizontal displacement of pile body，surface settlement，and vertical displacement of bridge piers during foundation pit excavation process，and actual monitoring results of the site were analyzed.The results show that the foundation pit excavation causes bulging deformation of retaining and protection structures.The trend of simulation result curves is consistent with that of monitoring result curves.The surface settlement is funnel-shaped，and the simulation results are in good agreement with the monitoring results.The vertical displacement of bridge pier at bridge pile JP23 on the west side of the excavation foundation pit is greater than that of bridge pile JP24 on the east side of the excavation foundation pit，indicating that the smaller the distance is，the greater the impact of foundation pit excavation on the bridge pile is.According to the simulation without considering all-round high-pressure jetgroutingpilereinforcement，the maximumverticaldisplacement of surface settlement increases by 54.5 % and the vertical displacement of the bridge piers exceeds the warning value，indicating that all-round high-pressure jet grouting reinforcement plays an important role in controlling excavation deformation.

Keywords：subway station;foundation pit excavation;bridge pile;retaining and protection structure;structure deformation

收稿日期： 2022-09-22??????? 網絡首發時間：2023-03-31T17∶24∶04

基金項目： 國家自然科學基金項目（51979122）；山東省自然科學基金項目（ZR2022ME042）

第一作者簡介： 于景志（1997—），男，山東德州人。碩士研究生，研究方向為巖土與地下空間工程。E-mail： 1345393879@qq.com。

通信作者簡介： 劉燕（1978—），女，山東濟南人。副教授，博士，碩士生導師，研究方向為巖土與地下空間工程。E-mail： liuyan322@163.com。

網絡首發地址： https：//kns.cnki.net/kcms/detail/37.1378.n.20230331.1524.002.html

我國大部分城市目前都在進行地鐵建設，特別是各省會城市對地鐵交通需求量大，地鐵建設如火如荼。隨著城市多條地鐵線路的修建，基坑開挖對周圍既有建筑和橋樁的影響問題日益凸顯。北京、上海、深圳、濟南等城市在地鐵修建過程中都遇到類似的明挖基坑下穿橋樁問題，給設計和施工帶來很大挑戰。

為了分析基坑開挖對緊鄰橋樁影響，國內外許多學者在理論研究和數值計算方面開展了較多研究。孫慶等［1］通過離心機試驗并利用高斯曲線法研究黏土中開挖引起的土體瞬時沉降和長期沉降，得出隧道開挖的長期影響不容忽視的結論。姜諳男等［2］基于地鐵開挖施工對鄰近橋樁影響的數值模擬，采用正交設計方法獲得了6個因素對地表沉降、橋墩沉降、樁體傾斜、支撐軸力及橋墩傾斜的敏感性排序。朱虹牧等［3］利用監測數據與數值模擬相結合的方法分析基坑開挖對支護結構變形的影響，結果表明，基坑開挖導致地下連續墻水平位移增大51%，基坑開挖工程中應注意不同位置基坑施工對環境的影響。其他學者也展開了關于基坑開挖對周邊環境影響的研究［4-11］，但是各地地質情況的差異、深基坑施工工況的復雜多變性、周邊環境情況的復雜性，以及鄰近橋樁的各向異性使得基坑變形規律很難得到解析解，導致研究成果無法形成統一的規律。本文中依托明挖順作法施工地鐵車站工程，建立模擬基坑開挖全過程的三維有限元分析模型，并結合實際監測數據分析基坑開挖對緊鄰橋樁及支護結構變形影響。

1? 工程概況

某在建地鐵車站為地下二層島式地鐵車站，明挖順作法施工。基坑長度、寬度分別為314、21.7 m，緊鄰橋樁處的開挖深度為18.24 m，鉆孔樁直徑、間距、樁長分別為1.2、1.4、25.54 m；冠梁高度、寬度均為1.2 m，內設4道水平對撐，第1道采用高度、寬度分別為1.2、0.9 m的混凝土支撐，間距為6 m；第2、3、4道均采用直徑、壁厚分別為0.8、0.016 m的鋼支撐，間距為3 m。

該地鐵車站從已運行的地鐵2號線橋樁樁間穿過，基坑支護結構外邊線距橋樁最近處僅為3 m。 采用長度、寬度均為3.0 m（平行線路方向長度為27.2 m，垂直線路方向長度為12.1 m）的梅花布置袖閥管對基坑兩側緊鄰橋樁進行注漿加固，控制基坑開挖對橋梁樁基的影響。 基坑與橋樁的相對位置關系、現場施工圖及基坑支護橫斷面如圖1所示。

2? 有限元模型建立

2.1? 模型建立及網格劃分

考慮基坑開挖的影響范圍為開挖深度的2～4倍，影響寬度為開挖深度的3～5倍，建立長度x、寬度y、高度z分別為235、205、90 m的三維模型，研究基坑開挖引起的基坑周圍土體位移場的變化及對緊鄰橋樁的影響。模擬基坑開挖全過程三維模型網格劃分如圖2（a）所示。對每層土體進行較致密的網格劃分，在基坑內、承臺、摩擦樁和注漿加固處加密單元，保證計算結果的精確度。支護結構及橋樁網格劃分如圖2（b）所示。

由于模型的邊界分別與x、y軸平行，因此設置為三維有限元軟件MIDAS默認的地基支承邊界條件，模型底部限制x、y、z方向位移，模型四周限制x、y方向位移。

2.2? 模型材料及參數

在建模過程中，全方位高壓噴射注漿（簡稱MJS工法）加固與模擬不加固所采用的基坑主要土層物理力學參數如表1所示，其中土體采用實體單元進行模擬，并采用彈塑性理論和修正摩爾-庫倫屈服模型進行模擬。

采用板單元模擬高架區間橋面板、基坑鉆孔灌注圍護樁、車站頂板中板底板等，承臺采用實體單元，橋樁、格構柱采用梁單元，立柱樁采用植入式梁單元。等剛度計算公式［12］為

112（D+t）h2=164πD4 ，（1）

式中： D為鉆孔灌注樁直徑；t為相鄰鉆孔灌注樁凈距；h為剛度等效后的地連墻厚度。

主體基坑靠近地鐵2號線橋樁段采用直徑為1 200 mm、間距為1 400 mm的鉆孔灌注樁。可以根據式（1）換算為厚度為872 mm地下連續墻。

2.3? 模擬步驟

參考實際基坑開挖順序，采用分步開挖法進行模擬，共開挖5層，基坑開挖全過程模擬步驟如表2所示。

3? 實際監測結果與模擬結果對比分析

3.1? 支護結構深層水平位移

基坑開挖到底時支護結構深層水平變形位移云圖如圖3所示。由圖可知，靠近橋樁處的支護結構水平方向最大位移為8.10 mm，位于第2、3道鋼支撐之間。

實際監測中選取支護結構深層水平位移監測點ZQT04、ZQT24進行監測，2個監測點分別靠近開挖基坑西側、東側橋樁JP23、JP24，主體基坑開挖完成后，提取出現深層水平位移最大值8.10 mm所在z方向模擬結果繪制MAX模擬曲線，深層水平位移監測值與模擬值如圖4所示。 由圖可以看出，在開挖至坑底后，支護結構產生的水平位移最大值為8.92 mm，出現在深度為8.5 m處。支護結構的變形呈現鼓肚狀，并且隨著開挖的進行，水平位移不斷增大，最大位置出現在支護結構中上部。監測結果略大于模擬結果，考慮到現場施工多因素影響，建議可以考慮土體強度和支撐體系的折減。

3.2? 橋墩豎向位移及地表沉降

基坑開挖至坑底，橋墩豎向位移及地表沉降云圖如圖5所示。 由圖可知，橋墩最大豎向位移為-3.4 mm，出現在橋樁JP23處。地表沉降最大豎向位移為-10.9 mm，出現在靠近橋樁JP24一側。

選取橋樁JP23南側、北側橋墩監測點QT23-1、QT23-2及橋樁JP24南側、北側橋墩監測點QT24-1、QT24-2進行監測，高架區間橋樁JP23、JP24處橋墩豎向位移監測值與模擬值如圖6所示。由圖可知，在開挖至坑底后，橋墩產生的最大豎向位移為-3.27 mm，出現在橋樁JP23處。基坑開挖至坑底后，基坑開挖對橋樁JP23的影響大于對橋樁JP24的影響，考慮到橋樁JP23、JP24靠近支護結構，橋樁與支護結構距離越近，基坑開挖對橋樁的影響越大。

靠近橋樁JP24的地表沉降監測值與模擬值如圖7所示。由圖可以看出，地表沉降最大豎向位移為-11.7 mm，模擬結果的最大值為-10.9 mm。與相同位置處地表沉降監測結果相比，模擬結果均小于監測結果，與圖4、6中深層水平位移監測值與模擬值和橋樁JP23、JP24處橋墩豎向位移監測值與模擬值結果相對應。

4? 加固方案及效果

4.1? 加固方案

在靠近橋樁處采用MJS工法加固方案，以減小橋墩位移。 注漿加固區采用長度、寬度均為3.0 m（平行線路方向長度為27.2 m，垂直線路方向長度為12.1 m）的梅花布置，選用普通水泥漿，以加固體抗壓強度1 MPa作為加固技術指標，注漿壓力為0.15～0.5 MPa，水與水泥的質量比（簡稱水灰比）為0.5∶1～0.8∶1，注漿工藝為由外而內、由下向上后退式注漿，跳孔間隔施工。

4.2? 加固效果

為確定MJS工法加固效果，以有限元軟件MIDAS為工具，模擬對比橋墩豎向位移和地表沉降。

采用的模擬注漿材料重度為23.0 kN/m3，泊松比為0.25，其余條件不變。 橋樁JP23、JP24處橋墩豎向位移及地表沉降模擬結果如圖8所示。 由圖可知，不考慮加固時，橋墩監測點QT23-1、QT23-2、QT24-1、QT24-2的豎向位移均大于預警值-5 mm，說明不考慮加固無法滿足既有軌道部門及規范對橋樁的變形要求。 未加固情況下，地表沉降最大豎向位移增大54.5%，說明MJS工法加固對控制該工程位移具有重要作用。

5? 結論

本文中通過對某在建地鐵車站基坑開挖進行數值模擬和監測分析，得到以下主要結論：

1）基坑開挖造成支護結構產生鼓肚狀變形，模擬曲線與監測曲線趨勢相同，并且支護結構深層水平位移的模擬最大值為8.10 mm，監測結果為8.92 m，說明模擬結果具有實際的參考意義。應考慮實際施工過程中的多因素影響，在模擬過程中，建議對原有的土體強度或支撐體系的剛度進行適當折減，以確保對預測結果具有更精準的參考性。

2）橋墩產生的最大豎向位移為-3.27 mm，出現在橋樁JP23處。橋樁JP23處橋墩的豎向位移大于橋樁JP24處橋墩的豎向位移，說明距離越近，對橋樁的影響越大，因此在設計中應盡量選擇遠離既有橋樁的設計方案，以減小基坑開挖對橋樁產生的不利影響。

3）地表沉降呈漏斗狀，距離支護結構4～6 m處地表沉降豎向位移最大，最大值為-11.70 mm，模擬、監測結果曲線有較好的一致性，與樁體深層水平位移和橋墩豎向位移的對比結果一致，從另一方面驗證了模擬過程中應適當考慮采用折減系數。

4）根據模擬不考慮MJS工法加固，地表沉降最大豎向位移增大54.5%，且橋墩豎向位移超過預警值，說明MJS工法加固對控制開挖變形有重要作用。

參考文獻：

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（責任編輯：王? 耘）