地鐵基坑開挖對(duì)既有線11號(hào)線橋梁樁基的影響分析

李湘鋒

(中鐵二十二局集團(tuán)軌道工程有限公司，北京 100000)

在對(duì)地鐵深基坑進(jìn)行開挖的過(guò)程中，如果其附近存在橋梁，施工單位一定要做好其開挖施工對(duì)于橋梁樁基的影響因素分析。首先應(yīng)根據(jù)實(shí)際的工程概況來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的分析模型建立，并根據(jù)實(shí)際來(lái)進(jìn)行主要參數(shù)的合理選擇；然后再以此為依據(jù)，對(duì)地鐵基坑開挖過(guò)程中對(duì)于其11號(hào)線橋梁樁基所產(chǎn)生的主要影響進(jìn)行分析，包括開挖深度、土層參數(shù)變化、支撐軸力預(yù)加值和基坑距離對(duì)于11號(hào)線橋梁樁基的影響；最后再將具體的分析結(jié)果作為依據(jù)，采取合理的措施來(lái)加以應(yīng)對(duì)。通過(guò)這樣的方式，才可以讓地鐵工程中的深基坑開挖施工對(duì)其11號(hào)線橋梁樁基所產(chǎn)生的不良影響得以有效降低，在滿足地鐵工程實(shí)際建設(shè)施工需求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)11號(hào)線橋梁的良好保護(hù)。

1 工程概況

青島地鐵4號(hào)線張村站設(shè)計(jì)里程為YDK19+696.555～YDK20+215.055，在里程YDK19+787.015～YDK19+802.375段下穿正在運(yùn)營(yíng)的地鐵11號(hào)線區(qū)間橋梁，下穿長(zhǎng)度為15.41m。該處地鐵11號(hào)線結(jié)構(gòu)形式為樁基礎(chǔ)+圓柱式墩+現(xiàn)澆連續(xù)梁；兩側(cè)橋墩編號(hào)為A11、A12，間距33.21m。車站南側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)外邊線與A11號(hào)橋樁凈距為3.86m，北側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)外邊線與A12號(hào)橋樁凈距為6.16m（見圖1）。

圖1 地鐵4號(hào)線張村站與11號(hào)線區(qū)間橋樁及箱梁立面位置關(guān)系圖

在其深基坑開挖施工中，一旦對(duì)附近的橋梁樁基造成破壞，將會(huì)造成非常嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，并造成巨大的社會(huì)影響。為有效避免此類問(wèn)題的產(chǎn)生，在本次地鐵工程的深基坑開挖施工之前，通過(guò)三維數(shù)值計(jì)算模型對(duì)其深基坑開挖施工對(duì)于11號(hào)線橋梁樁基所產(chǎn)生的影響進(jìn)行了模擬分析。

2 分析模型建立和參數(shù)選擇

分析模型建立在本次地鐵工程項(xiàng)目的深基坑開挖施工對(duì)11號(hào)線橋梁樁基影響的模擬分析中，主要應(yīng)用的是FLAC3D軟件，通過(guò)三維數(shù)值計(jì)算模型的建立來(lái)進(jìn)行模擬分析。用摩爾-庫(kù)倫模型進(jìn)行土體模擬；用BEAN模型進(jìn)行內(nèi)支撐模擬；用PILE模型進(jìn)行深基坑11號(hào)線橋梁樁基、混凝土擋墻等的模擬。因?yàn)榈罔F基坑大多是長(zhǎng)條形，長(zhǎng)度會(huì)比寬度大很多，因此本次模擬中，將模型的縱向長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為10m，內(nèi)支撐橫向距離設(shè)計(jì)為3m。模型底部對(duì)三個(gè)方向上的位移予以約束，側(cè)邊盡可以出現(xiàn)豎向位移。圖2為本次地鐵工程中的深基坑開挖施工對(duì)11號(hào)線橋梁樁基的影響數(shù)值分析模型圖。

圖2 本次地鐵工程中的深基坑開挖施工對(duì)11號(hào)線橋梁樁基的影響數(shù)值分析模型圖

3 地鐵基坑開挖對(duì)11號(hào)線橋梁樁基的主要影響分析

3.1 開挖深度對(duì)11號(hào)線橋梁樁基的影響

基坑的開挖施工深度將會(huì)對(duì)其工程安全、支護(hù)體系要求以及止水措施產(chǎn)生較大影響。因此，本次特對(duì)此進(jìn)行了數(shù)值分析模型的建立，通過(guò)該模型對(duì)本次深基坑開挖施工深度對(duì)其11號(hào)線橋梁樁基側(cè)移以及彎矩所產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。本次共選擇了三種開挖深度來(lái)進(jìn)行模型建立，其深度分別是10m、15m以及20m，干隨著深基坑開挖施工深度的不斷加大，需要對(duì)鋼筋支撐的豎向位置、層數(shù)以及軸力預(yù)加值進(jìn)行模擬調(diào)整，讓深基坑保持穩(wěn)定。對(duì)于10m深度的基坑，共進(jìn)行了2層支撐設(shè)置，第一層支撐的軸力預(yù)加值是300KN，第二層支撐的軸力預(yù)加值是400KN；對(duì)于深度是15m的基坑，主要進(jìn)行了3層支撐設(shè)置，第一層支撐的軸力預(yù)加值是600KN；第二層支撐的軸力預(yù)加值是700KN，第三層支撐的軸力預(yù)加值是800KN；對(duì)于20m深度的基坑，共進(jìn)行了3層支撐的設(shè)置，第一層支撐的軸力預(yù)加值是900KN，第二層支撐的軸力預(yù)加值是100KN，第三層支撐的軸力預(yù)加值是1200KN。計(jì)算過(guò)程中，先對(duì)地層應(yīng)力以及變形進(jìn)行初始化，在獲得到了土層自重條件下的應(yīng)力值及其變形值之后，再將自重應(yīng)力條件下的變形值清除，然后進(jìn)行土體的模擬開挖，每一次都需要開挖到支撐下方的0.5m位置再設(shè)置支撐，接下來(lái)再對(duì)下一層土體進(jìn)行開挖，一直到開挖到最后一層支撐土體并設(shè)置好了支撐之后，再開挖到基坑底部。圖3是基坑11號(hào)線橋梁樁基側(cè)移隨基坑開挖深度的變化曲線圖。

圖3 基坑11號(hào)線橋梁樁基側(cè)移隨基坑開挖深度的變化曲線圖

通過(guò)側(cè)移曲線圖可知，在基坑開挖施工深度從10m加大到15m的情況下，雖然支撐層數(shù)也隨之增加，但是樁基側(cè)移依然加大。在20m深的基坑中雖然也和15m深度一樣進(jìn)行了3道支撐設(shè)置，但是在以15m深度支撐為基礎(chǔ)進(jìn)行了軸力預(yù)加值增加之后，樁基位移得到了更好的約束，因此相比較深度是15m的基坑而言，樁基的側(cè)移量實(shí)現(xiàn)了有效降低。

通過(guò)彎矩變化圖可知，在開挖施工深度是10m和15m的情況下，其11號(hào)線橋梁樁基出現(xiàn)的彎矩比較大，且比開挖施工深度是20m的基坑11號(hào)線橋梁樁基彎矩更大。之所以出現(xiàn)這樣的情況，是因?yàn)閺?5m深度到20m深度的基坑開挖中，雖然增加了開挖深度，但是20m深度基坑采用了內(nèi)支撐軸力預(yù)加值加強(qiáng)措施，其側(cè)移以及彎矩都可以有效減小，且模型中的樁基彎矩伴隨深度變化的分布情況比較均勻，更加有利于樁受力。

3.2 土層參數(shù)變化對(duì)11號(hào)線橋梁樁基的影響

土體自身的彈性模量對(duì)其變形影響較大，基于此，本次模擬分析中，對(duì)三組彈性模量不同的土體進(jìn)行選取，然后分別進(jìn)行了數(shù)值分析模型的建立，以此來(lái)對(duì)土體彈性模量變化在地鐵基坑11號(hào)線橋梁樁基側(cè)移及其彎矩方面的影響進(jìn)行分析。

深基坑開挖中的土層參數(shù)變化將會(huì)對(duì)其11號(hào)線橋梁樁基側(cè)移產(chǎn)生較大影響，具有越高彈性模量的土層中，樁基的側(cè)移量越小。

基坑11號(hào)線橋梁樁基彎矩所受的土體參數(shù)變化影響比較小，在提高了土體的彈性模量之后，樁基彎矩增大一些，但是在到達(dá)一定程度之后再繼續(xù)提高時(shí)，樁基彎矩便幾乎保持不變。

3.3 支撐軸力預(yù)加值對(duì)11號(hào)線橋梁樁基的影響

將基坑開挖施工的深度、基坑和樁基之間的距離、支撐位置以及樁長(zhǎng)度都設(shè)為定值，對(duì)支撐軸力預(yù)加值不同情況下的基坑11號(hào)線橋梁樁基在基坑開挖中的側(cè)移及其彎矩影響進(jìn)行建模，模型中的深基坑開挖深度是12～26m，支撐共設(shè)置2道。

在支撐軸力預(yù)加值增加時(shí)，基坑附近的橋梁樁基沿著樁長(zhǎng)度方向上的側(cè)移呈現(xiàn)出線性降低趨勢(shì)。之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，是因?yàn)樵谥屋S力預(yù)加值的增加中，基坑外部土體側(cè)移便會(huì)減小，而與之鄰近的橋梁樁基受到的土體變形影響就比較小，因附近土體變形所導(dǎo)致的側(cè)移也就會(huì)隨之減小。由此可見，基坑支撐軸力預(yù)加值對(duì)于其11號(hào)線橋梁側(cè)移具有非常大的影響作用，也就是會(huì)對(duì)基坑外部的土體塑性區(qū)域具體的分布情況產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)橋梁樁基與基坑的鄰近度判斷結(jié)果產(chǎn)生影響。

在支撐軸力預(yù)加值不同的情況下，其11號(hào)線橋梁樁基彎矩也會(huì)受到一定程度的影響。在支撐軸力預(yù)加值的增大過(guò)程中，基坑附近的橋梁樁基彎矩便會(huì)減小。之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，是因?yàn)樵黾恿酥屋S力預(yù)加值之后，基坑外部的土體減少了水平位移，而作用在11號(hào)線橋梁樁基上的土體壓力也隨之減小，這樣就減小了基坑11號(hào)線橋梁樁基的彎矩。

3.4 基坑距離對(duì)11號(hào)線橋梁樁基的影響

將基坑開挖施工的深度、支撐位置、支撐軸力預(yù)計(jì)值以及樁長(zhǎng)度都設(shè)為定值，對(duì)基坑和11號(hào)線橋梁樁基距離不同情況下的基坑11號(hào)線橋梁樁基在基坑開挖中的側(cè)移及其彎矩影響進(jìn)行建模，模型中的深基坑開挖深度是12～26m，僅僅改變基坑11號(hào)線橋梁樁基和基坑之間的距離（本次模擬中分別對(duì)基坑11號(hào)線橋梁樁基到基坑之間的距離設(shè)置為0.2h、0.4h、0.6h、0.8h以及1.0h，其中h所代表的是深基坑的開挖深度），對(duì)其基樁側(cè)移量和彎矩進(jìn)行變化規(guī)律的研究。

通過(guò)側(cè)移變化曲線圖可知，在基坑11號(hào)線橋梁樁基與基坑之間距離不同的情況下，其側(cè)移量所受的基坑開挖施工影響也存在不同。當(dāng)基坑開挖施工的深度及其支撐設(shè)置條件完全相同的情況下，伴隨著基坑11號(hào)線橋梁和基坑之間距離的從小到大變化，其11號(hào)線橋梁樁基的側(cè)移量呈現(xiàn)出了從大到小的變化趨勢(shì)。本次模擬中，在與基坑相距0.2倍基坑深度的情況下，橋梁樁基的側(cè)移量最大，其側(cè)移量是34.8mm；而在與基坑相距1倍基坑深度的情況下，橋梁基樁的側(cè)移量最小，其側(cè)移量?jī)H僅是8.2mm。

在基坑11號(hào)線橋梁樁基和基坑之間距離的變化中，深基坑開挖施工對(duì)于橋梁樁基彎矩所產(chǎn)生的影響也會(huì)隨之變化，且其變化規(guī)律比較復(fù)雜。通過(guò)本次的模擬分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基坑11號(hào)線橋梁樁基和基坑之間相距0.2倍開挖深度的情況下，基坑開挖施工所導(dǎo)致的附近樁基彎矩最大，其最大彎矩值是-83.4KN·m，這個(gè)值出現(xiàn)在了樁基的最下部；而在基坑11號(hào)線橋梁樁基與基坑之間距離為0.4～1.0倍基坑深度的情況下，基坑開挖施工所導(dǎo)致的附近樁基彎矩最大值均出現(xiàn)在樁基上部。

4 地鐵基坑開挖施工對(duì)其11號(hào)線橋梁樁基影響的主要應(yīng)對(duì)措施分析

通過(guò)上述三維數(shù)值模型建立及其模擬分析可知，在地鐵基坑的開挖施工過(guò)程中，其附近的橋梁基樁會(huì)在一定程度上受到其施工的影響，從而出現(xiàn)相應(yīng)的側(cè)移和彎矩變化情況。具體施工中，如果不能將此類影響加以合理控制，便很容易對(duì)地鐵附近的橋梁樁基造成破壞，從而降低整體橋梁的質(zhì)量和承載力，縮短其使用壽命，嚴(yán)重的情況下甚至?xí)l(fā)不必要的交通事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失與社會(huì)影響。基于此，相關(guān)單位應(yīng)該將模擬分析所獲得的結(jié)果作為有效依據(jù)，對(duì)地鐵工程的深基坑開挖施工方案進(jìn)行合理制定。

根據(jù)本次地鐵工程的深基坑開挖施工對(duì)其11號(hào)線橋梁樁基所產(chǎn)生的影響分析，可總結(jié)出以下幾點(diǎn)施工方案制定措施。

4.1 注重深基坑支撐設(shè)置的合理性

因?yàn)榈罔F工程深基坑的開挖施工深度會(huì)對(duì)其附近的橋梁樁基產(chǎn)生不良影響，開挖深度越大，產(chǎn)生的不良影響也就越大。因此，為有效應(yīng)對(duì)這一影響因素，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的支撐加設(shè)，深度越大，支撐加設(shè)的數(shù)量就應(yīng)該越多一些。通過(guò)這樣的方式，才可以有效降低基坑開挖深度過(guò)大對(duì)11號(hào)線橋梁樁基的不良影響，使其質(zhì)量與安全得以良好保障。

4.2 注重深基坑和11號(hào)線橋梁基樁之間的土體加固處理

通過(guò)上述分析可知，深基坑和11號(hào)線橋梁樁基之間的土體彈性模量會(huì)直接影響到深基坑開挖施工對(duì)附近樁基側(cè)移及其彎矩的影響程度。彈性模量越低，附近基樁在深基坑開挖施工中所受的影響程度就會(huì)越大?；诖耍嚓P(guān)單位一定要做好施工現(xiàn)場(chǎng)的勘查工作，尤其是土體參數(shù)的勘查，如果發(fā)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)的土體彈性模量比較低，就需要根據(jù)實(shí)際情況，采取合理的措施來(lái)做好深基坑及其11號(hào)線橋梁樁基之間土體的加固處理。這樣才可以有效防止因深基坑施工所導(dǎo)致的11號(hào)線橋梁樁基破壞情況，達(dá)到良好的施工保護(hù)效果。

4.3 注重基坑支撐軸力預(yù)加值的增加

經(jīng)本次模擬分析發(fā)現(xiàn)，在其他條件保持不變的情況下，地鐵深基坑支撐的軸力預(yù)加值也會(huì)直接影響到深基坑開挖施工對(duì)附近樁基側(cè)移及其彎矩的影響程度，支撐軸力預(yù)加值越大，基坑開挖施工對(duì)于附近樁基的不良影響便會(huì)越小。因此，在具體的施工方案制定中，根據(jù)實(shí)際情況來(lái)適當(dāng)增加支撐軸力預(yù)加值，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)基坑土體的良好約束，避免由于基坑開挖土體橫向位移所導(dǎo)致的11號(hào)線橋梁基樁嚴(yán)重側(cè)移和彎矩過(guò)大問(wèn)題，使其所受的不良影響降至最低。

4.4 注重基坑和11號(hào)線橋梁樁基之間距離的加大

根據(jù)模擬分析發(fā)現(xiàn)，地鐵基坑和11號(hào)線橋梁基樁之間的距離越大，其開挖施工對(duì)于樁基所產(chǎn)生的不良影響便會(huì)越小?；诖?，在具體的方案制定中，對(duì)地鐵路線進(jìn)行合理規(guī)劃，使其盡可能與11號(hào)線橋梁樁基之間的距離加大。通過(guò)這樣的方式，才可以讓基坑開挖對(duì)于11號(hào)線橋梁基樁的影響得以有效降低，盡最大限度確保11號(hào)線橋梁的質(zhì)量及其安全性。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，地鐵基坑的開挖施工很容易對(duì)其附近的橋梁樁基產(chǎn)生不良影響，從而直接影響到橋梁工程質(zhì)量與安全?；诖耍诘罔F工程的建設(shè)施工之前，相關(guān)單位一定要通過(guò)合理的模擬分析法來(lái)進(jìn)行此項(xiàng)影響分析，并根據(jù)實(shí)際情況來(lái)采取合理的應(yīng)對(duì)措施。這樣才可以讓地鐵基坑開挖施工所導(dǎo)致的11號(hào)線橋梁基樁乃至于整體橋梁破壞問(wèn)題得以有效避免，實(shí)現(xiàn)地鐵工程建設(shè)施工的進(jìn)一步優(yōu)化。