鄰近地鐵隧道與樁基橋梁基坑工程穩定性分析

摘" 要：結合青島市重慶中路西側電力隧道基坑開挖的工程實例，使用數值模擬的方法，針對放坡開挖基坑對既有地鐵隧道及橋梁樁基的綜合影響展開研究。結果表明，該工程的放坡基坑開挖對地鐵隧道和橋梁樁基影響較小，方向都朝向基坑方位，且變形隨著基坑開挖深度的增加而逐步增大。放坡開挖主要集中在基坑底部，變形方向向上隆起，隆起的程度隨著基坑的開挖即土體的卸荷而逐漸增大。基坑開挖的過程中樁基自身只存在正彎矩或負彎矩，不存在反彎點，自身不會因為彎矩的突變受到不同的彎曲效應，導致樁基被破壞。該工程為淺基坑，且距離地鐵隧道較遠，對隧道的影響并不大，并不需要控制結構進行保護。

關鍵詞：基坑工程；放坡開挖；鄰近隧道；鄰近橋梁；變形特性

中圖分類號：U445" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）06-0048-05

Abstract： Based on the engineering example of foundation pit excavation of a power tunnel on the west side of Chongqing Middle Road in Qingdao City， the comprehensive impact of sloping excavation of foundation pit on existing subway tunnels and bridge piles is studied using numerical simulation methods. The results show that the sloping foundation pit excavation of this project has little impact on the subway tunnel and bridge pile foundation， and the directions are all towards the foundation pit， and the deformation gradually increases with the increase of the foundation pit excavation depth. Slope excavation is mainly concentrated at the bottom of the foundation pit， and the deformation direction bulges upward. The degree of bulge gradually increases with the excavation of the foundation pit， that is， the unloading of the soil. During the excavation of the foundation pit， the pile foundation itself only has positive or negative bending moments， and there is no reverse bending point. It will not suffer different bending effects due to sudden changes in the bending moment， causing the pile foundation to be destroyed. The project is a shallow foundation pit and is far away from the subway tunnel. The impact on the tunnel is not significant and does not require a control structure for protection.

Keywords： foundation pit engineering; sloping excavation; adjacent tunnel; adjacent bridge; deformation characteristics

隨著城市現代化水平不斷提高，地下空間工程利用程度不斷提高，各種地下工程相互影響，施工難度越來越大，還會影響到既有工程項目。鄰近既有運營地鐵隧道與橋梁樁基的放坡開挖在開挖土方卸載過程中會不可避免地引起既有工程的位移變形，而在開挖過程中如何有效控制既有工程的變形及受力仍是熱點問題。

針對基坑開挖對鄰近既有地下工程的影響分析，國內外已有大量研究。楊革等[1]指出，基坑放坡連續開挖與整體開挖相比，連續開挖引起隧道的位移較小；楊明媚等[2]通過對簡陽市電力隧道過河段鄰近橋梁樁基的基坑放坡開挖工程進行數值模擬分析，研究了基坑放坡開挖的穩定性及對橋梁安全性的影響；王振祥[3]認為基坑不同的開挖順序可有效減少橋梁樁基的側向移動；郭曜禎等[4]通過對基坑開挖過程的研究，發現橋梁基礎在基坑開挖過程中豎向位移很小，以水平位移為主；周澤林等[5]研究了適用于鄰近基坑開挖卸載對既有隧道結構影響理論；張治國等[6]結合監測數據分析了基坑不同開挖階段對周圍環境的影響規律和特點；曹影峰等[7]歸納深中通道沉管隧道項目中試挖槽試驗得到的回淤物的時空變化規律的基礎上，結合數值模型深入研究了回淤對基槽邊坡穩定性的影響，并對影響坡面回淤局部穩定性的各因素進行了敏感性分析；王定軍等[8]結合深圳市桂廟路快速化改造工程中的下沉式隧道基坑工程，利用三維數值模擬的方法，分析研究了長距離基坑開挖卸載過程中，放坡開挖時序安排、基坑內部縱向一次開挖長度以及高壓旋噴注漿加固對下臥隧道變形和受力的影響。

通過數值模擬，以青島市李滄區唐山路立交上跨已運行的青島地鐵一號線為背景，建立有限元分析模型，將施工對隧道與樁基的影響分成各個階段，將基坑放坡開挖對地鐵隧道與橋梁樁基的穩定性進行分析研究，為同類型工程提供了指導意見。

1" 工程概況

1.1" 工程位置

新建重慶路高架橋工程位于青島市李滄區，主線區間起點里程K10+760，終點里程K11+560，線路全長800 m，唐山路主線為K2+475.060～K3+134.908。青島地鐵1號線一期工程興國路站—南嶺路站區間為該地鐵隧道的第30個區間，位于重慶中路西側，區間起訖里程K52+871.450～K53+772.850，區間長901.4 m，區間從興國路站出發，下穿唐山路和南嶺三路。于重慶路主路西側敷設電力隧道，隧道位于1號線興—南區間的正上方，敷設時重慶路主線橋墩已經架設完成，唐山路西延還未動工。放坡基坑坑底與地鐵隧道的豎直距離約為9.5 m，基坑邊約距橋梁承臺44 m。工程平面位置如圖1所示。

1.2" 橋梁承臺與樁基

承臺下沉地表1 m左右，承臺尺寸為7.3 m×3.1 m×3.0 m，承臺立面如圖2、圖3所示，橋梁樁基為實心圓形，樁徑2 m，樁長8 m。

1.3" 施工工藝

土方開挖工法主要采用分臺階接力開挖法施工。電力隧道基坑長688.2 m，結構基坑埋深約3.5 m，東西兩側放坡，坡比1∶1。上寬為11.1 m，下寬為4.1 m。土方量約1.8 m3。基坑土方分為2層開挖。首先是地面至地面下1.5 m范圍內進行第一層土體開挖，再地面下1.5～3.2 m范圍內進行第二層土體開挖，最后進行人工清底30 cm。基坑結構截面如圖4所示。

1.4" 工程地質條件

工程基坑所處地層從上至下為素填土、粉質黏土、砂土狀碎裂巖、塊狀碎裂巖。土層參數見表1，施工時無地下涌水情況發生，附近無活動斷裂通過，無影響基坑安全和穩定性的不良地質作用。

2" 有限元數值模擬

2.1" 計算模型

采用有限單元軟件對鄰近既有地鐵隧道與橋梁樁基區段基坑放坡進行模擬，重點分析基坑開挖時對隧道管片與樁基的位移及變形作用。綜合考慮模型精度與邊界效應以及假定條件下，模型范圍沿地鐵隧道前進方向取長度為240 m，寬度取180 m，深度取30 m，以確保有限單元計算結果不受邊界約束影響。地鐵隧道軸線距地表約16.4 m，為簡化計算，隧道孔洞簡化為半徑為3.4 m的圓形。模型網格采用混合網格生成器，尺寸為1.5 m，節點總數392 282個，單元數量總計為410 674個。三維整體模型示意圖如圖5所示。將隧道管片與橋梁樁基單獨摘出，可以更直觀地表現開挖過程對地鐵隧道與橋梁樁基影響，管片與樁基的局部模型示意圖如圖6所示。

2.2" 計算材料及屬性

為探究基坑放坡開挖對既有地鐵隧道及橋梁樁基的一般影響規律，故根據工程實際情況對各個工程構件進行合理簡化。土體是莫爾-庫倫本構模型，隧道管片、橋梁樁基及橋梁承臺與橋墩皆采用理想彈塑性模型。土體及橋梁承臺與橋墩采用3D實體單元，土體詳細參數參考土體參數表，具體見表1，承臺材料采用C35混凝土，隧道管片選取2D板單元，采用C50混凝土，管片厚0.3 m，樁基選用1D梁單元，采用C35混凝土。混凝土材料參數見表2。

2.3" 模型約束及荷載

不考慮巖土體的節理裂隙和地下水在開挖過程中的影響。模型的底部邊界施加固定約束，兩側法向約束，模型的左右和前后邊界施加水平約束，頂部土體視為自由面不做約束，橋梁樁基設置RZ約束。

2.4" 模型施工工序

計算前，為保證模型只考慮基坑開挖施工對既有地鐵隧道管片與橋梁樁基的影響，故先將原始土體應力場、既有地鐵隧道管片和橋梁承臺樁基做地應力平衡，之后進行土體的開挖，之后進行第一層土體開挖，開挖地面至地面下1.5 m范圍，然后在地面下1.5～3.2 m范圍內進行第二層土體開挖，最后進行人工清底30 cm。

3" 計算結果分析

3.1" 開挖結束總位移

圖7為人工清底結束后的土體總位移云圖，最大位移都發生在基坑坑底，方向向上，最大值約為36.93 mm，圖8則是人工清底結束后的地鐵隧道管片及橋梁樁基的總位移云圖，最大位移發生在基坑后段，兩段地鐵相距較近時，在隧道管片上，方向向上，最大值約為0.18 mm，滿足地鐵隧道與橋梁工程的安全防護要求。

3.2" 隧道管片及橋梁樁基位移分析

根據有限單元軟件模型的運算結果，繪制出既有隧道管片與橋梁樁基在各個施工步驟下的最大位移點線圖，如圖9所示。從圖中可以得出，隧道管片的位移在各個工況下都要比橋梁樁基的位移更大，但它們的位移在普遍情況下仍舊很小，最大不超過0.2 mm，因此滿足工程安全要求。造成這一現象的原因可能是它們距離放坡基坑的距離不同，地鐵隧道距離基坑的位置更近，受基坑開挖的影響更大，而橋梁樁基距離基坑開挖位置小，所以樁基位移小。圖中還可以看出，管片與樁基的位移隨著基坑的逐步開挖而不斷增大，說明土體卸荷越多，周圍土體變化越大，隨之對周圍構件的影響越大。

隧道管片的位移方向在各個工況下始終向上，而橋梁樁基的位移方向則始終朝向基坑方向，且樁基的最大位移發生在樁頂部。原因是基坑開挖時造成對土體的擾動，原土體的應力場受到了破壞，開挖面卸荷，土體進行了應力釋放，土體進行向上回彈，帶動管片發生了向上位移。

3.3" 基坑位移分析

圖10為各個施工步驟下土體最大位移點線圖，再結合圖7的土體總位移云圖，可以發現，土體位移要比隧道與樁基的位移大得多，普遍在2 cm往上，最大可達3.6 cm，方向向上隆起，且坑底隆起隨著開挖深度的加深還在不斷增長。原因是在放坡基坑的開挖過程中，對原土體的應力場進行了破壞，對開挖面進行了卸荷，由于卸荷及土體的應力釋放，引起坑底土體向上回彈。

3.4" 橋梁樁基彎矩分析

樁基采用1D梁單元，梁單元結構內力以局部坐標系為準，基坑開挖結束即人工清底階段樁基y方向彎矩云圖如圖11所示，樁基自身只存在正彎矩或負彎矩，這就導致樁基不存在反彎點，表示樁基只會向一邊傾斜，樁基本身不會因為彎矩的突變受到不同的彎曲效應，導致樁基被破壞。

3.5" 隧道應力分析

盾構隧道受到的應力對管片的健康狀況的影響很大，過大的應力可能會導致管片的破壞，從而對隧道結構和運營安全產生極大的威脅。通過對如圖12所示的開挖結束隧道應力云圖分析，發現最大應力所在位置并不在最大位移所在區域，而是在隧道兩端位置。說明淺基坑對隧道的影響并不大，并不需要抗浮結構進行保護。

4" 結論

以山東省青島市李滄區重慶中路西側電力隧道基坑開挖鄰近既有地鐵隧道及橋梁樁基為背景，通過有限元軟件模擬計算放坡開挖全過程，對基坑開挖過程中既有隧道和樁基的綜合穩定性進行研究，得到以下結論：

1）該放坡基坑的開挖對地鐵隧道及橋梁樁基的影響滿足安全控制指標標準值要求。

2）地鐵隧道與橋梁樁基的位移隨著基坑的逐步開挖而不斷增大，基坑土體卸荷越多，周圍土體變化越大，隨之對周圍構件的影響越大。

3）放坡基坑的隆起隨基坑的開挖而逐漸增加，開挖過程中，對開挖面進行了卸荷，由于卸荷及土體的應力釋放，引起坑底土體向上回彈。

4）基坑開挖的過程中樁基自身只存在正彎矩或負彎矩，樁基不存在反彎點，只會向一邊傾斜，則自身不會因為彎矩的突變受到不同的彎曲效應，導致樁基被破壞。

5）淺基坑對隧道的影響并不大，并不需要抗浮結構進行保護。

參考文獻：

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第一作者簡介：鄧偉明（1983-），男，高級工程師。研究方向為城市高架橋與深基坑工程。

*通信作者：孔維智（2000-），男，碩士研究生。研究方向為巖土與地下空間工程。