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(jié)合某在建地鐵車站實(shí)際工程，應(yīng)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(jìn)行三維有限元模擬，并對現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：基坑開挖造成支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生鼓肚狀變形，模擬結(jié)果曲線與監(jiān)測結(jié)果曲線趨勢一致；地表沉降呈漏斗狀，模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果具有較好的一致性；開挖基坑西側(cè)橋樁JP23處橋墩的豎向位移大于開挖基坑?xùn)|側(cè)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(jù)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(yù)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(guān)鍵詞： 地鐵車站；基坑開挖；橋樁；支護(hù)結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)變形

中圖分類號： TU455.43

文獻(xiàn)標(biāo)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(wǎng)絡(luò)首發(fā)時間：2023-03-31T17∶24∶04

基金項(xiàng)目： 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51979122）；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)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?yàn)閹r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(jì)南人。副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閹r土與地下空間工程。E-mail： liuyan322@163.com。

網(wǎng)絡(luò)首發(fā)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(jìn)行地鐵建設(shè)，特別是各省會城市對地鐵交通需求量大，地鐵建設(shè)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(jì)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(shè)計(jì)和施工帶來很大挑戰(zhàn)。

為了分析基坑開挖對緊鄰橋樁影響，國內(nèi)外許多學(xué)者在理論研究和數(shù)值計(jì)算方面開展了較多研究。孫慶等［1］通過離心機(jī)試驗(yàn)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(jié)論。姜諳男等［2］基于地鐵開挖施工對鄰近橋樁影響的數(shù)值模擬，采用正交設(shè)計(jì)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(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法分析基坑開挖對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，結(jié)果表明，基坑開挖導(dǎo)致地下連續(xù)墻水平位移增大51%，基坑開挖工程中應(yīng)注意不同位置基坑施工對環(huán)境的影響。其他學(xué)者也展開了關(guān)于基坑開挖對周邊環(huán)境影響的研究［4-11］，但是各地地質(zhì)情況的差異、深基坑施工工況的復(fù)雜多變性、周邊環(huán)境情況的復(fù)雜性，以及鄰近橋樁的各向異性使得基坑變形規(guī)律很難得到解析解，導(dǎo)致研究成果無法形成統(tǒng)一的規(guī)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(jié)合實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析基坑開挖對緊鄰橋樁及支護(hù)結(jié)構(gòu)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(nèi)設(shè)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(yùn)行的地鐵2號線橋樁樁間穿過，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)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(cè)緊鄰橋樁進(jìn)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(guān)系、現(xiàn)場施工圖及基坑支護(hù)橫斷面如圖1所示。

2? 有限元模型建立

2.1? 模型建立及網(wǎng)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(wǎng)格劃分如圖2（a）所示。對每層土體進(jìn)行較致密的網(wǎng)格劃分，在基坑內(nèi)、承臺、摩擦樁和注漿加固處加密單元，保證計(jì)算結(jié)果的精確度。支護(hù)結(jié)構(gòu)及橋樁網(wǎng)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(shè)置為三維有限元軟件MIDAS默認(rèn)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(shù)

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(xué)參數(shù)如表1所示，其中土體采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，并采用彈塑性理論和修正摩爾-庫倫屈服模型進(jìn)行模擬。

采用板單元模擬高架區(qū)間橋面板、基坑鉆孔灌注圍護(hù)樁、車站頂板中板底板等，承臺采用實(shí)體單元，橋樁、格構(gòu)柱采用梁單元，立柱樁采用植入式梁單元。等剛度計(jì)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(jù)式（1）換算為厚度為872 mm地下連續(xù)墻。

2.3? 模擬步驟

參考實(shí)際基坑開挖順序，采用分步開挖法進(jìn)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(shí)際監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果對比分析

3.1? 支護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移

基坑開挖到底時支護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)水平方向最大位移為8.10 mm，位于第2、3道鋼支撐之間。

實(shí)際監(jiān)測中選取支護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)ZQT04、ZQT24進(jìn)行監(jiān)測，2個監(jiān)測點(diǎn)分別靠近開挖基坑西側(cè)、東側(cè)橋樁JP23、JP24，主體基坑開挖完成后，提取出現(xiàn)深層水平位移最大值8.10 mm所在z方向模擬結(jié)果繪制MAX模擬曲線，深層水平位移監(jiān)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(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移最大值為8.92 mm，出現(xiàn)在深度為8.5 m處。支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形呈現(xiàn)鼓肚狀，并且隨著開挖的進(jìn)行，水平位移不斷增大，最大位置出現(xiàn)在支護(hù)結(jié)構(gòu)中上部。監(jiān)測結(jié)果略大于模擬結(jié)果，考慮到現(xiàn)場施工多因素影響，建議可以考慮土體強(qiáng)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(xiàn)在橋樁JP23處。地表沉降最大豎向位移為-10.9 mm，出現(xiàn)在靠近橋樁JP24一側(cè)。

選取橋樁JP23南側(cè)、北側(cè)橋墩監(jiān)測點(diǎn)QT23-1、QT23-2及橋樁JP24南側(cè)、北側(cè)橋墩監(jiān)測點(diǎn)QT24-1、QT24-2進(jìn)行監(jiān)測，高架區(qū)間橋樁JP23、JP24處橋墩豎向位移監(jiān)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(chǎn)生的最大豎向位移為-3.27 mm，出現(xiàn)在橋樁JP23處?；娱_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(hù)結(jié)構(gòu)，橋樁與支護(hù)結(jié)構(gòu)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(jiān)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(jié)果的最大值為-10.9 mm。與相同位置處地表沉降監(jiān)測結(jié)果相比，模擬結(jié)果均小于監(jiān)測結(jié)果，與圖4、6中深層水平位移監(jiān)測值與模擬值和橋樁JP23、JP24處橋墩豎向位移監(jiān)測值與模擬值結(jié)果相對應(yīng)。

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(qū)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(qiáng)度1 MPa作為加固技術(shù)指標(biāo)，注漿壓力為0.15～0.5 MPa，水與水泥的質(zhì)量比（簡稱水灰比）為0.5∶1～0.8∶1，注漿工藝為由外而內(nèi)、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(jié)果如圖8所示。 由圖可知，不考慮加固時，橋墩監(jiān)測點(diǎn)QT23-1、QT23-2、QT24-1、QT24-2的豎向位移均大于預(yù)警值-5 mm，說明不考慮加固無法滿足既有軌道部門及規(guī)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(jié)論

本文中通過對某在建地鐵車站基坑開挖進(jìn)行數(shù)值模擬和監(jiān)測分析，得到以下主要結(jié)論：

1）基坑開挖造成支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生鼓肚狀變形，模擬曲線與監(jiān)測曲線趨勢相同，并且支護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移的模擬最大值為8.10 mm，監(jiān)測結(jié)果為8.92 m，說明模擬結(jié)果具有實(shí)際的參考意義。應(yīng)考慮實(shí)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(qiáng)度或支撐體系的剛度進(jìn)行適當(dāng)折減，以確保對預(yù)測結(jié)果具有更精準(zhǔn)的參考性。

2）橋墩產(chǎn)生的最大豎向位移為-3.27 mm，出現(xiàn)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(shè)計(jì)中應(yīng)盡量選擇遠(yuǎn)離既有橋樁的設(shè)計(jì)方案，以減小基坑開挖對橋樁產(chǎn)生的不利影響。

3）地表沉降呈漏斗狀，距離支護(hù)結(jié)構(gòu)4～6 m處地表沉降豎向位移最大，最大值為-11.70 mm，模擬、監(jiān)測結(jié)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(jié)果一致，從另一方面驗(yàn)證了模擬過程中應(yīng)適當(dāng)考慮采用折減系數(shù)。

4）根據(jù)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(yù)警值，說明MJS工法加固對控制開挖變形有重要作用。

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（責(zé)任編輯：王? 耘）