地鐵車站明挖基坑近接互通式立交橋施工穩定性分析

摘" 要：臨近建筑物的存在通常會影響基坑的開挖及穩定性。以青島某基坑開挖案例為研究對象，在基坑的水平方向上，其與已經建成的高架橋橋墩和匝道之間的距離非常接近，假如沒有足夠的防護措施，在基坑的挖掘過程中，將會對已經建成的橋梁和匝道造成一定的沖擊，結果會非常嚴重。該文采用有限元方法對基坑圍巖變形、已有地基沉降和支護結構的穩定等進行詳細研究，探討基坑圍巖的安全問題。計算結果表明，基坑內土的豎向最大位移量在數值上兩側不對稱分布，最大垂直位移位于基坑AB側壁處，位移約為12.36 mm且基坑的變形影響范圍呈橢圓狀分布；基坑水平位移在數值上為AB、CD側不對稱分布，最大水平位移出現在CD基坑大小約為6.40 mm，地表沉降及橋墩變形均在規范范圍之內，因此，可以認為在基坑開挖的過程中，基坑和已有建筑物都是安全的。

關鍵詞：地鐵；穩定性分析；數值計算；基坑開挖；基坑支護

中圖分類號：TU473.2" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）11-0067-05

Abstract： The existence of adjacent buildings usually affects the excavation and stability of the foundation pit. A foundation pit excavation case in Qingdao， for example， is very close to the viaduct pier and ramp in the horizontal direction of the foundation pi. If there are no enough protective measures， it will have a certain impact on the already built bridges and ramps in the process of foundation pit excavation， and the result will be very serious. The deformation of surrounding rock of foundation pit， the settlement of existing foundation and the stability of supporting structure are studied in detail by finite element method， and the safety of surrounding rock of foundation pit is discussed. The calculation results show that the maximum vertical displacement of the soil in the foundation pit is asymmetrically distributed on both sides， the maximum vertical displacement is about 12.36 mm at the AB side wall of the foundation pit， and the influence range of deformation of the foundation pit is elliptical. The horizontal displacement of the foundation pit is asymmetrically distributed on the AB and CD sides， and the maximum horizontal displacement appears when the size of the CD foundation pit is about 6.40 mm， and the surface settlement and pier deformation are within the standard range， so it can be considered that in the process of foundation pit excavation， the foundation pit and the existing buildings are safe.

Keywords： subway; stability analysis; numerical calculation; foundation pit excavation; foundation pit support

越來越多的基坑工程在臨近地鐵隧道上方或者臨近橋梁等已有建筑建設，新基坑與已有建筑之間的距離越來越近，這將影響到周邊巖層的應力分布，若在施工之前防護措施不當，將會造成周邊結構出現裂縫，甚至破壞。因此，對基坑圍巖與圍巖在時空演化下的變形特征進行分析，并對其進行安全防護，是國內鐵路建設面臨的迫切需要解決的問題。

在基坑開挖方面已經有部分學者進行了研究。程玉蘭等利用有限差分（FLAC3D）計算軟弱地基上的深基坑與相鄰地鐵車站間的相互作用對其變形的影響；張驍等以某地鐵高架線附近的基坑為例，應用有限元方法，對附近橋梁樁基的變形影響進行了分析。李兵等以沈陽市某地鐵站為例，利用現場觀測資料，對基坑圍護系統-土壤-高架橋相互作用進行了數值仿真研究，研究基坑開挖對橋樁基的影響；汪智慧以某地鐵車站為實例，利用ABAQUS軟件對基坑開挖引起的臨近橋梁樁基的內力變化進行了數值計算；應宏偉等在對深層軟土地區深基坑工程觀測資料進行分析的基礎上，提出了深層軟土地區大基坑工程不能忽略其周邊巖層的變形效應；王升利用三維數值模擬方法對臨近高鐵橋梁的蓄水池二者的相互影響進行了分析；汪海生等提出用H型鋼支擋可以有效地抑制基坑支護的橫向變形，減少對周圍環境的沖擊。

因此，文章以青島某地鐵基坑開挖對臨近橋樁的影響為工程實例，采用數值分析的方法模擬了鄰近橋墩基坑開挖時土體形變和樁基變形的變化規律，對基坑開挖造成的周邊建筑沉降和圍護結構穩定等問題具有重要的理論和實際意義。

1" 工程背景

1.1" 工程位置

此車站（圖1）為5/8號線換乘站，其中，8號線山東路南站（已建成）位于山東路下方，沿山東路敷設，5號線的澳柯瑪橋位于山東路與寧夏路交叉口南側，澳柯瑪立交橋南側，沿寧夏路東西向布置。此車站起點里程為YDK5+431.394，車站終點里程為YDK5+571.194，車站全長139.8 m（含43.4 m既有段，為5/8號線3層換乘節點，其中，8號線站廳在下，5號線站廳在上），本方案大里程明挖段長約35.642 m。大里程端基坑深度約32.44 m，寬33.3 m。

1.2" 基坑與橋梁位置關系

臨近橋為五跨簡支板橋梁，該橋為東西方向橋，橫跨山東路，橋面全寬為約38.2 m，墩柱尺寸直徑約為1.3 m，橋樁直徑1.0 m。基坑距離橋樁最近水平距離約17 m。圍護結構變形過大或引發橋樁沉降。西側臨近澳柯瑪橋匝道，基坑距離匝道最近距離約1.4 m，存在施工過程中引起道路沉降等風險，位置關系圖如圖2所示。

1.3" 土層條件

車站基坑所處地層自上而下依次為：雜填土，強、中、微風化花崗巖，車站底板位于強、微風化花崗巖中。素填土該層廣泛分布于場區為黃褐色，稍濕～濕，松散～稍密，由回填砂土、黏性土、風化碎屑等組成風化粗粒花崗巖上亞帶礦物性變化較大，長石多高嶺土化，泥心多為粗砂，部分夾雜有角礫巖心，浸泡后易軟化，長期曝曬易加快風化，巖芯采取率在65%～75%。在此基礎上，粗粒花崗巖的下部次帶，礦物成分發生了較大的變化，長石多高嶺土化，巖心多為角礫狀或塊狀，可用手捏碎，浸泡后易軟化，長期曝曬則會加快其風化速度。中風化粗粒花崗巖心外表粗糙，結構節理和風化裂縫比較發達，節理面呈封閉或略帶開放的形態，節理面有可能被鐵銹色的痕跡，半浸泡的、明顯的、微觀的、含水層的粗粒花崗巖，具有很好的局部穿透性，巖體比較完整，硬度也比較高，錘擊的聲音很脆。

2" 數值模型的建立

采用數值模擬的方法構建臨近橋梁基坑開挖支護的三維有限元模型如圖3所示。考慮了橋臺荷載和基坑的尺寸，故模型尺寸設置為226 m×208 m×50 m計算模型中土體及已有建筑物采取彈塑性模型，根據各土層的物理參數，結合地勘報告和區域經驗，得到了土體的計算參數，見表1，包括重度γ、彈性模量 E、泊松比μ、黏聚力c、內摩擦角φ等。冠梁、鋼支撐、倒梁都在有限元分析中使用了梁元，而對于錨索，則使用了嵌入的桁架單元。在邊界條件方面，采用了左、右2種不同的邊界，實現了不允許出現水平位移的橫向限制，并實現了對底部的充分限制。采用摩爾-庫侖準則和彈塑性本構方程建立了相應的強度計算方法。按照施工過程依次模擬分析計算工況為：首先將施工方案中的各材料參數輸入數值模擬軟件，然后進行幾何的建模，將土層、基坑及樁基建立完成，隨后進行幾何網格的劃分。最后按照施工的順序進行計算，即先修筑樁，隨后開挖土體分7次開挖。開挖時施作冠梁、支撐及相應位置處施加錨索。整個數值計算一共進行了10個過程：第一，對模型施加重力載荷和邊界條件；第二，對橋梁樁進行了構建，并對在重力荷載下土體的變形規律進行研究。在此基礎上，對基坑進行1～7次開挖，實現基坑圍巖的整體變形。

3" 數值計算結果分析

針對基坑開挖引起的基坑內土發生卸荷，進而引起基坑支護結構發生變形的問題，結合工程實例，采用有限元方法對基坑的穩定、地面沉降及基坑的位移特性進行了分析。

3.1" 基坑穩定分析

基坑變形性分析在基坑開挖完成后，基坑沉降變形云圖如圖4所示，由圖可知整個地基沉降位移呈AB、DC側不對稱分布，AD、BC側不對稱分布的原因是DC側匝道的樁基對基坑左側的沉降起到了一定的約束作用，從而使得基坑DC、AB側呈現不對稱分布，基坑的最大沉降點位于基坑AB側壁處，數值約為 12.357 8 mm。基坑的垂向位移量的特征從基坑的中心到基坑的遠處，垂向位移量逐漸減小，而對基坑的影響呈現出一種橢圓形。由基坑位移的數值分析情況可知，基坑整體處于較穩定狀態而基坑整體AB側底部的回彈變形較大，實際工程中可以采取合適的處理措施，約束基坑底部的豎向變形。

基坑水平位移云圖如圖5所示，從該圖可以看出，基坑水平位移在數值上為AB、CD不對稱分布，最大水平位移出現在CD側基坑，數值約為6.40 mm，且水平位移沿著基坑內壁往外逐漸減少。基坑內壁受樁基的支護作用，水平位移得到較好的約束，最大位移小于基坑規范要求的最大水平位移50 mm，滿足工程安全要求。而在實際工程中，基坑開挖時依據規范，其最大位移應小于20 mm，在此支護的情況下土體的水平位移遠小于其允許值，因此該方案較為合理可行。

3.2" 地表沉降分析

在基坑施工期間，地面沉降量的變化情況如圖6所示。由圖6可知，各階段地面沉陷的變化規律基本相同，都是“單槽”模式，這一點與試驗結論相符。地面沉陷量隨基坑挖深而逐漸增大。在基坑開挖到第七步時，最大值為28 mm。根據 GB 50497—2009《建筑基坑工程監測技術規范》中表8.0.4的規定，可以看到，在安全等級為一級的基坑周邊地表最大垂直變形為25～35 mm。由此可以看出，本項目達到了設計標準。通過對該工程地質條件的分析，得出了該工程對地面垂直下沉的影響半徑為35 m左右。

3.3" 橋墩與橋樁的變形分析

根據地表沉降云圖，可以判斷出本次基坑施工的主要影響區域。受此影響，包括2、3、4號橋墩坑內土體開挖后，坑內土體會因為開挖土自重應力釋放而發生卸載回彈，土體在此基礎上，將由高應力的一邊向低應力的一邊運動，以使樁身發生側向變形，從而使樁身產生側向變形。圖7為2、3、4號橋墩在不同基坑條件下的側向變形情況。

各開挖步驟下橋墩墩頂的側向位曲線圖如圖7所示。在各個開挖步驟下，從圖7可以看出，隨著基坑挖掘深度的增大，橋墩的橫向位移也在增大。在基坑開挖時，受到的影響比較大的是，3號墩柱，在完成了基坑的施工后，3號墩柱的總側向位移約為6.40 mm。3號橋墩側向變形隨開挖深度的增大而增大。為防止因基坑開挖引起的橋墩橫向變形，可在施工之前對橋墩進行地基處理。對土壤進行強化處理可分為2種。第一種方法是采用加強地基周圍土壤的方法，以增強地基周圍土壤的力學性能，減少地基周圍土壤的沉降，起到對橋梁結構安全的作用。第二種是針對橋墩基礎進行的加強，其作用是增加其承載力，并控制其變形，從而保障其在道路交通中的安全性。地基處理主要采用預注漿、凍結法和旋噴法等。

各開挖步驟下橋墩墩頂的豎向變形曲線圖如圖8所示。從圖8中可以看出，當基坑挖掘深度增大時，橋墩的沉降也在增大，在基坑開挖中，受到影響較大的是3號墩頂，在完成基坑的施工后，3號墩頂累積沉降量接近4.00 mm。結果表明，3號墩頂的沉降值大于2號、4號墩頂，主要是因為3號墩頂同時受主體結構施工和附屬結構施工的共同作用，并且其與基坑的相對位置較近受到基坑開挖的影響較大。由圖8和圖9研究表明，橋墩與樁基的沉降量具有一致的變化規律，但橋墩的沉降量卻比樁基的沉降量更大，原因是橋墩的側向變形引起的沉降量相對于樁基的沉降量更大。

4" 結論

1）開挖完成后基坑開挖臨近匝道處水平位移較大，其水平位移為6.39 mm，小于規范設計值滿足要求。當基坑挖深持續增大時，豎直方向最大位移出現在基坑AB邊底面中央，數值大約為0.35 mm，低于規范的設計數值符合要求。垂向位移量從近端到遠端依次遞減，而位移量對位移量的影響呈橢圓形。因此，基坑的開挖是相對安全的。

2）地表沉降量的峰值為28 mm，小于規范要求的數值，因此可知該工程滿足規范要求；3號橋墩的豎向變形與側向變形最大，其中總側向位移約為6.40 mm，總沉降量約為4.00 mm，因此，應該加強對地基周圍土壤的監測或針對橋墩基礎進行鞏固。

3）在工程建設中，要強化對工程的監測，實現工程的信息化。在挖掘的時候，要強化橋墩橫向裂縫、橋墩周邊、基坑周邊土體和支護結構的橫向和縱向變形的監控，一旦出現問題，就要馬上讓其暫停工作，并且要第一時間匯報，做出相應的反應。

參考文獻：

[1] 程玉蘭，王毅紅.軟土深基坑與鄰近地鐵車站相互變形影響分析[J].城市軌道交通研究，2019，22（9）：14-20.

[2] 張驍，肖軍華，農興中，等.基于HS-Small模型的基坑近接橋樁開挖變形影響區研究[J].巖土學，2018，39（S2）：263-273.

[3] 李兵，馬寧.地鐵深基坑開挖對鄰近橋樁的影響分析[J].昆明理工大學學報（自然科學版），2018，43（2）：107-113.

[4] 汪智慧.深基坑開挖對既有混凝土橋梁樁基影響模擬分析[J].混凝土，2016（11）：42-45，79.

[5] 應宏偉，孫威，呂蒙軍，等.復雜環境下某深厚軟土基坑的實測性狀研究[J].巖土工程學報，2014，36（S2）：424-430.

[6] 王升.深基坑施工對鄰近高鐵橋梁影響研究[J].鐵道建筑，2014（9）：102-104.

[7] 汪海生，陶言祺.裝配式H型鋼支撐在超深厚軟土基坑中的應用[J].水運工程，2020（11）：161-165.

[8] 張超翔，張志強.深基坑樁錨支護結構位移分析及數值模擬[J].科學技術與工程，2022，22（18）：8022-8029.

[9] 張海超.地鐵車站深基坑施工對鄰近建筑物的影響[J].智能城市，2021，7（6）：85-86.

[10] 胡建林，孫利成，崔宏環，等.修正摩爾庫倫模型下的深基坑變形數值分析[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2021，21（18）：7717-7723.

[11] 徐宏增，石磊，王振平，等.深基坑開挖對鄰近大直徑管線影響的優化分析[J].科學技術與工程，2021，21（2）：714-719.

[12] 沈國政，趙宏華，趙凱，等.深基坑開挖引起隧道縱向位移的Hermite差分法[J].地下空間與工程學報，2020，16（S2）：841-848.

[13] 葉帥華，李德鵬.復雜環境下深大基坑開挖監測與數值模擬分析[J].土木工程學報，2019，52（S2）：117-126.

[14] 王恒，陳福全，林海.基坑開挖對鄰近橋梁樁基的影響與加固分析[J].地下空間與工程學報，2015，11（5）：1257-1265.

[15] 丁勇春，王建華.深基坑施工對高架基礎的變形影響及控制研究[J].土木工程學報，2012，45（7）：155-161.

[16] 何世秀，吳剛剛，朱志政，等.深基坑支護設計影響因素的有限元分析[J].巖石力學與工程學報，2005（S2）：5478-5484.