地鐵車站明挖基坑近接互通式立交橋施工穩(wěn)定性分析

摘" 要：臨近建筑物的存在通常會(huì)影響基坑的開挖及穩(wěn)定性。以青島某基坑開挖案例為研究對(duì)象，在基坑的水平方向上，其與已經(jīng)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(hù)措施，在基坑的挖掘過程中，將會(huì)對(duì)已經(jīng)建成的橋梁和匝道造成一定的沖擊，結(jié)果會(huì)非常嚴(yán)重。該文采用有限元方法對(duì)基坑圍巖變形、已有地基沉降和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定等進(jìn)行詳細(xì)研究，探討基坑圍巖的安全問題。計(jì)算結(jié)果表明，基坑內(nèi)土的豎向最大位移量在數(shù)值上兩側(cè)不對(duì)稱分布，最大垂直位移位于基坑AB側(cè)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(shù)值上為AB、CD側(cè)不對(duì)稱分布，最大水平位移出現(xiàn)在CD基坑大小約為6.40 mm，地表沉降及橋墩變形均在規(guī)范范圍之內(nèi)，因此，可以認(rèn)為在基坑開挖的過程中，基坑和已有建筑物都是安全的。

關(guān)鍵詞：地鐵；穩(wěn)定性分析；數(shù)值計(jì)算；基坑開挖；基坑支護(hù)

中圖分類號(hào)：TU473.2" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：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(shè)，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(yīng)力分布，若在施工之前防護(hù)措施不當(dāng)，將會(huì)造成周邊結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，甚至破壞。因此，對(duì)基坑圍巖與圍巖在時(shí)空演化下的變形特征進(jìn)行分析，并對(duì)其進(jìn)行安全防護(hù)，是國內(nèi)鐵路建設(shè)面臨的迫切需要解決的問題。

在基坑開挖方面已經(jīng)有部分學(xué)者進(jìn)行了研究。程玉蘭等利用有限差分（FLAC3D）計(jì)算軟弱地基上的深基坑與相鄰地鐵車站間的相互作用對(duì)其變形的影響；張驍?shù)纫阅车罔F高架線附近的基坑為例，應(yīng)用有限元方法，對(duì)附近橋梁樁基的變形影響進(jìn)行了分析。李兵等以沈陽市某地鐵站為例，利用現(xiàn)場觀測資料，對(duì)基坑圍護(hù)系統(tǒng)-土壤-高架橋相互作用進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，研究基坑開挖對(duì)橋樁基的影響；汪智慧以某地鐵車站為實(shí)例，利用ABAQUS軟件對(duì)基坑開挖引起的臨近橋梁樁基的內(nèi)力變化進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算；應(yīng)宏偉等在對(duì)深層軟土地區(qū)深基坑工程觀測資料進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了深層軟土地區(qū)大基坑工程不能忽略其周邊巖層的變形效應(yīng)；王升利用三維數(shù)值模擬方法對(duì)臨近高鐵橋梁的蓄水池二者的相互影響進(jìn)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(hù)的橫向變形，減少對(duì)周圍環(huán)境的沖擊。

因此，文章以青島某地鐵基坑開挖對(duì)臨近橋樁的影響為工程實(shí)例，采用數(shù)值分析的方法模擬了鄰近橋墩基坑開挖時(shí)土體形變和樁基變形的變化規(guī)律，對(duì)基坑開挖造成的周邊建筑沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等問題具有重要的理論和實(shí)際意義。

1" 工程背景

1.1" 工程位置

此車站（圖1）為5/8號(hào)線換乘站，其中，8號(hào)線山東路南站（已建成）位于山東路下方，沿山東路敷設(shè)，5號(hào)線的澳柯瑪橋位于山東路與寧夏路交叉口南側(cè)，澳柯瑪立交橋南側(cè)，沿寧夏路東西向布置。此車站起點(diǎn)里程為YDK5+431.394，車站終點(diǎn)里程為YDK5+571.194，車站全長139.8 m（含43.4 m既有段，為5/8號(hào)線3層換乘節(jié)點(diǎn)，其中，8號(hào)線站廳在下，5號(hào)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(guān)系

臨近橋?yàn)槲蹇绾喼О鍢蛄海摌驗(yàn)闁|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(hù)結(jié)構(gòu)變形過大或引發(fā)橋樁沉降。西側(cè)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(fēng)險(xiǎn)，位置關(guān)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(qiáng)、中、微風(fēng)化花崗巖，車站底板位于強(qiáng)、微風(fēng)化花崗巖中。素填土該層廣泛分布于場區(qū)為黃褐色，稍濕～濕，松散～稍密，由回填砂土、黏性土、風(fēng)化碎屑等組成風(fēng)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(fēng)化，巖芯采取率在65%～75%。在此基礎(chǔ)上，粗粒花崗巖的下部次帶，礦物成分發(fā)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(huì)加快其風(fēng)化速度。中風(fēng)化粗粒花崗巖心外表粗糙，結(jié)構(gòu)節(jié)理和風(fēng)化裂縫比較發(fā)達(dá)，節(jié)理面呈封閉或略帶開放的形態(tài)，節(jié)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(shù)值模型的建立

采用數(shù)值模擬的方法構(gòu)建臨近橋梁基坑開挖支護(hù)的三維有限元模型如圖3所示。考慮了橋臺(tái)荷載和基坑的尺寸，故模型尺寸設(shè)置為226 m×208 m×50 m計(jì)算模型中土體及已有建筑物采取彈塑性模型，根據(jù)各土層的物理參數(shù)，結(jié)合地勘報(bào)告和區(qū)域經(jīng)驗(yàn)，得到了土體的計(jì)算參數(shù)，見表1，包括重度γ、彈性模量 E、泊松比μ、黏聚力c、內(nèi)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(duì)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(shí)現(xiàn)了不允許出現(xiàn)水平位移的橫向限制，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)底部的充分限制。采用摩爾-庫侖準(zhǔn)則和彈塑性本構(gòu)方程建立了相應(yīng)的強(qiáng)度計(jì)算方法。按照施工過程依次模擬分析計(jì)算工況為：首先將施工方案中的各材料參數(shù)輸入數(shù)值模擬軟件，然后進(jìn)行幾何的建模，將土層、基坑及樁基建立完成，隨后進(jìn)行幾何網(wǎng)格的劃分。最后按照施工的順序進(jìn)行計(jì)算，即先修筑樁，隨后開挖土體分7次開挖。開挖時(shí)施作冠梁、支撐及相應(yīng)位置處施加錨索。整個(gè)數(shù)值計(jì)算一共進(jìn)行了10個(gè)過程：第一，對(duì)模型施加重力載荷和邊界條件；第二，對(duì)橋梁樁進(jìn)行了構(gòu)建，并對(duì)在重力荷載下土體的變形規(guī)律進(jìn)行研究。在此基礎(chǔ)上，對(duì)基坑進(jìn)行1～7次開挖，實(shí)現(xiàn)基坑圍巖的整體變形。

3" 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

針對(duì)基坑開挖引起的基坑內(nèi)土發(fā)生卸荷，進(jìn)而引起基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形的問題，結(jié)合工程實(shí)例，采用有限元方法對(duì)基坑的穩(wěn)定、地面沉降及基坑的位移特性進(jìn)行了分析。

3.1" 基坑穩(wěn)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(gè)地基沉降位移呈AB、DC側(cè)不對(duì)稱分布，AD、BC側(cè)不對(duì)稱分布的原因是DC側(cè)匝道的樁基對(duì)基坑左側(cè)的沉降起到了一定的約束作用，從而使得基坑DC、AB側(cè)呈現(xiàn)不對(duì)稱分布，基坑的最大沉降點(diǎn)位于基坑AB側(cè)壁處，數(shù)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(yuǎn)處，垂向位移量逐漸減小，而對(duì)基坑的影響呈現(xiàn)出一種橢圓形。由基坑位移的數(shù)值分析情況可知，基坑整體處于較穩(wěn)定狀態(tài)而基坑整體AB側(cè)底部的回彈變形較大，實(shí)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(shù)值上為AB、CD不對(duì)稱分布，最大水平位移出現(xiàn)在CD側(cè)基坑，數(shù)值約為6.40 mm，且水平位移沿著基坑內(nèi)壁往外逐漸減少。基坑內(nèi)壁受樁基的支護(hù)作用，水平位移得到較好的約束，最大位移小于基坑規(guī)范要求的最大水平位移50 mm，滿足工程安全要求。而在實(shí)際工程中，基坑開挖時(shí)依據(jù)規(guī)范，其最大位移應(yīng)小于20 mm，在此支護(hù)的情況下土體的水平位移遠(yuǎn)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(guī)律基本相同，都是“單槽”模式，這一點(diǎn)與試驗(yàn)結(jié)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(shí)，最大值為28 mm。根據(jù) GB 50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中表8.0.4的規(guī)定，可以看到，在安全等級(jí)為一級(jí)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(xiàng)目達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。通過對(duì)該工程地質(zhì)條件的分析，得出了該工程對(duì)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(jù)地表沉降云圖，可以判斷出本次基坑施工的主要影響區(qū)域。受此影響，包括2、3、4號(hào)橋墩坑內(nèi)土體開挖后，坑內(nèi)土體會(huì)因?yàn)殚_挖土自重應(yīng)力釋放而發(fā)生卸載回彈，土體在此基礎(chǔ)上，將由高應(yīng)力的一邊向低應(yīng)力的一邊運(yùn)動(dòng)，以使樁身發(fā)生側(cè)向變形，從而使樁身產(chǎn)生側(cè)向變形。圖7為2、3、4號(hào)橋墩在不同基坑條件下的側(cè)向變形情況。

各開挖步驟下橋墩墩頂?shù)膫?cè)向位曲線圖如圖7所示。在各個(gè)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(shí)，受到的影響比較大的是，3號(hào)墩柱，在完成了基坑的施工后，3號(hào)墩柱的總側(cè)向位移約為6.40 mm。3號(hào)橋墩側(cè)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(duì)橋墩進(jìn)行地基處理。對(duì)土壤進(jìn)行強(qiáng)化處理可分為2種。第一種方法是采用加強(qiáng)地基周圍土壤的方法，以增強(qiáng)地基周圍土壤的力學(xué)性能，減少地基周圍土壤的沉降，起到對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全的作用。第二種是針對(duì)橋墩基礎(chǔ)進(jìn)行的加強(qiáng)，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(yù)注漿、凍結(jié)法和旋噴法等。

各開挖步驟下橋墩墩頂?shù)呢Q向變形曲線圖如圖8所示。從圖8中可以看出，當(dāng)基坑挖掘深度增大時(shí)，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(hào)墩頂，在完成基坑的施工后，3號(hào)墩頂累積沉降量接近4.00 mm。結(jié)果表明，3號(hào)墩頂?shù)某两抵荡笥?號(hào)、4號(hào)墩頂，主要是因?yàn)?號(hào)墩頂同時(shí)受主體結(jié)構(gòu)施工和附屬結(jié)構(gòu)施工的共同作用，并且其與基坑的相對(duì)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(guī)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(cè)向變形引起的沉降量相對(duì)于樁基的沉降量更大。

4" 結(jié)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(guī)范設(shè)計(jì)值滿足要求。當(dāng)基坑挖深持續(xù)增大時(shí)，豎直方向最大位移出現(xiàn)在基坑AB邊底面中央，數(shù)值大約為0.35 mm，低于規(guī)范的設(shè)計(jì)數(shù)值符合要求。垂向位移量從近端到遠(yuǎn)端依次遞減，而位移量對(duì)位移量的影響呈橢圓形。因此，基坑的開挖是相對(duì)安全的。

2）地表沉降量的峰值為28 mm，小于規(guī)范要求的數(shù)值，因此可知該工程滿足規(guī)范要求；3號(hào)橋墩的豎向變形與側(cè)向變形最大，其中總側(cè)向位移約為6.40 mm，總沉降量約為4.00 mm，因此，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)地基周圍土壤的監(jiān)測或針對(duì)橋墩基礎(chǔ)進(jìn)行鞏固。

3）在工程建設(shè)中，要強(qiáng)化對(duì)工程的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)工程的信息化。在挖掘的時(shí)候，要強(qiáng)化橋墩橫向裂縫、橋墩周邊、基坑周邊土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向和縱向變形的監(jiān)控，一旦出現(xiàn)問題，就要馬上讓其暫停工作，并且要第一時(shí)間匯報(bào)，做出相應(yīng)的反應(yīng)。

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