鄰近地鐵隧道與樁基橋梁基坑工程穩(wěn)定性分析

摘" 要：結(jié)合青島市重慶中路西側(cè)電力隧道基坑開挖的工程實(shí)例，使用數(shù)值模擬的方法，針對(duì)放坡開挖基坑對(duì)既有地鐵隧道及橋梁樁基的綜合影響展開研究。結(jié)果表明，該工程的放坡基坑開挖對(duì)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(fù)彎矩，不存在反彎點(diǎn)，自身不會(huì)因?yàn)閺澗氐耐蛔兪艿讲煌膹澢?yīng)，導(dǎo)致樁基被破壞。該工程為淺基坑，且距離地鐵隧道較遠(yuǎn)，對(duì)隧道的影響并不大，并不需要控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。

關(guān)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(hào)：U445" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：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(xiàn)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(huì)影響到既有工程項(xiàng)目。鄰近既有運(yùn)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(huì)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(diǎn)問題。

針對(duì)基坑開挖對(duì)鄰近既有地下工程的影響分析，國內(nèi)外已有大量研究。楊革等[1]指出，基坑放坡連續(xù)開挖與整體開挖相比，連續(xù)開挖引起隧道的位移較??；楊明媚等[2]通過對(duì)簡(jiǎn)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(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究了基坑放坡開挖的穩(wěn)定性及對(duì)橋梁安全性的影響；王振祥[3]認(rèn)為基坑不同的開挖順序可有效減少橋梁樁基的側(cè)向移動(dòng)；郭曜禎等[4]通過對(duì)基坑開挖過程的研究，發(fā)現(xiàn)橋梁基礎(chǔ)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(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)影響理論；張治國等[6]結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了基坑不同開挖階段對(duì)周圍環(huán)境的影響規(guī)律和特點(diǎn)；曹影峰等[7]歸納深中通道沉管隧道項(xiàng)目中試挖槽試驗(yàn)得到的回淤物的時(shí)空變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值模型深入研究了回淤對(duì)基槽邊坡穩(wěn)定性的影響，并對(duì)影響坡面回淤局部穩(wěn)定性的各因素進(jìn)行了敏感性分析；王定軍等[8]結(jié)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(shù)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(shí)序安排、基坑內(nèi)部縱向一次開挖長度以及高壓旋噴注漿加固對(duì)下臥隧道變形和受力的影響。

通過數(shù)值模擬，以青島市李滄區(qū)唐山路立交上跨已運(yùn)行的青島地鐵一號(hào)線為背景，建立有限元分析模型，將施工對(duì)隧道與樁基的影響分成各個(gè)階段，將基坑放坡開挖對(duì)地鐵隧道與橋梁樁基的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，為同類型工程提供了指導(dǎo)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(qū)，主線區(qū)間起點(diǎn)里程K10+760，終點(diǎn)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(hào)線一期工程興國路站—南嶺路站區(qū)間為該地鐵隧道的第30個(gè)區(qū)間，位于重慶中路西側(cè)，區(qū)間起訖里程K52+871.450～K53+772.850，區(qū)間長901.4 m，區(qū)間從興國路站出發(fā)，下穿唐山路和南嶺三路。于重慶路主路西側(cè)敷設(shè)電力隧道，隧道位于1號(hào)線興—南區(qū)間的正上方，敷設(shè)時(shí)重慶路主線橋墩已經(jīng)架設(shè)完成，唐山路西延還未動(dòng)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(tái)44 m。工程平面位置如圖1所示。

1.2" 橋梁承臺(tái)與樁基

承臺(tái)下沉地表1 m左右，承臺(tái)尺寸為7.3 m×3.1 m×3.0 m，承臺(tái)立面如圖2、圖3所示，橋梁樁基為實(shí)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(tái)階接力開挖法施工。電力隧道基坑長688.2 m，結(jié)構(gòu)基坑埋深約3.5 m，東西兩側(cè)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?；油练椒譃?層開挖。首先是地面至地面下1.5 m范圍內(nèi)進(jìn)行第一層土體開挖，再地面下1.5～3.2 m范圍內(nèi)進(jìn)行第二層土體開挖，最后進(jìn)行人工清底30 cm?；咏Y(jié)構(gòu)截面如圖4所示。

1.4" 工程地質(zhì)條件

工程基坑所處地層從上至下為素填土、粉質(zhì)黏土、砂土狀碎裂巖、塊狀碎裂巖。土層參數(shù)見表1，施工時(shí)無地下涌水情況發(fā)生，附近無活動(dòng)斷裂通過，無影響基坑安全和穩(wěn)定性的不良地質(zhì)作用。

2" 有限元數(shù)值模擬

2.1" 計(jì)算模型

采用有限單元軟件對(duì)鄰近既有地鐵隧道與橋梁樁基區(qū)段基坑放坡進(jìn)行模擬，重點(diǎn)分析基坑開挖時(shí)對(duì)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(yīng)以及假定條件下，模型范圍沿地鐵隧道前進(jìn)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(jì)算結(jié)果不受邊界約束影響。地鐵隧道軸線距地表約16.4 m，為簡(jiǎn)化計(jì)算，隧道孔洞簡(jiǎn)化為半徑為3.4 m的圓形。模型網(wǎng)格采用混合網(wǎng)格生成器，尺寸為1.5 m，節(jié)點(diǎn)總數(shù)392 282個(gè)，單元數(shù)量總計(jì)為410 674個(gè)。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(dú)摘出，可以更直觀地表現(xiàn)開挖過程對(duì)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(jì)算材料及屬性

為探究基坑放坡開挖對(duì)既有地鐵隧道及橋梁樁基的一般影響規(guī)律，故根據(jù)工程實(shí)際情況對(duì)各個(gè)工程構(gòu)件進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。土體是莫爾-庫倫本構(gòu)模型，隧道管片、橋梁樁基及橋梁承臺(tái)與橋墩皆采用理想彈塑性模型。土體及橋梁承臺(tái)與橋墩采用3D實(shí)體單元，土體詳細(xì)參數(shù)參考土體參數(shù)表，具體見表1，承臺(tái)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?jiǎn)卧?，采用C35混凝土?；炷敛牧蠀?shù)見表2。

2.3" 模型約束及荷載

不考慮巖土體的節(jié)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(cè)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(shè)置RZ約束。

2.4" 模型施工工序

計(jì)算前，為保證模型只考慮基坑開挖施工對(duì)既有地鐵隧道管片與橋梁樁基的影響，故先將原始土體應(yīng)力場(chǎng)、既有地鐵隧道管片和橋梁承臺(tái)樁基做地應(yīng)力平衡，之后進(jìn)行土體的開挖，之后進(jìn)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(nèi)進(jìn)行第二層土體開挖，最后進(jìn)行人工清底30 cm。

3" 計(jì)算結(jié)果分析

3.1" 開挖結(jié)束總位移

圖7為人工清底結(jié)束后的土體總位移云圖，最大位移都發(fā)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(jié)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(fā)生在基坑后段，兩段地鐵相距較近時(shí)，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(hù)要求。

3.2" 隧道管片及橋梁樁基位移分析

根據(jù)有限單元軟件模型的運(yùn)算結(jié)果，繪制出既有隧道管片與橋梁樁基在各個(gè)施工步驟下的最大位移點(diǎn)線圖，如圖9所示。從圖中可以得出，隧道管片的位移在各個(gè)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(xiàn)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(duì)周圍構(gòu)件的影響越大。

隧道管片的位移方向在各個(gè)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(fā)生在樁頂部。原因是基坑開挖時(shí)造成對(duì)土體的擾動(dòng)，原土體的應(yīng)力場(chǎng)受到了破壞，開挖面卸荷，土體進(jìn)行了應(yīng)力釋放，土體進(jìn)行向上回彈，帶動(dòng)管片發(fā)生了向上位移。

3.3" 基坑位移分析

圖10為各個(gè)施工步驟下土體最大位移點(diǎn)線圖，再結(jié)合圖7的土體總位移云圖，可以發(fā)現(xiàn)，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(dá)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(duì)原土體的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了破壞，對(duì)開挖面進(jìn)行了卸荷，由于卸荷及土體的應(yīng)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?jiǎn)卧?，梁?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)內(nèi)力以局部坐標(biāo)系為準(zhǔn)，基坑開挖結(jié)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(fù)彎矩，這就導(dǎo)致樁基不存在反彎點(diǎn)，表示樁基只會(huì)向一邊傾斜，樁基本身不會(huì)因?yàn)閺澗氐耐蛔兪艿讲煌膹澢?yīng)，導(dǎo)致樁基被破壞。

3.5" 隧道應(yīng)力分析

盾構(gòu)隧道受到的應(yīng)力對(duì)管片的健康狀況的影響很大，過大的應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致管片的破壞，從而對(duì)隧道結(jié)構(gòu)和運(yùn)營安全產(chǎn)生極大的威脅。通過對(duì)如圖12所示的開挖結(jié)束隧道應(yīng)力云圖分析，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力所在位置并不在最大位移所在區(qū)域，而是在隧道兩端位置。說明淺基坑對(duì)隧道的影響并不大，并不需要抗浮結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。

4" 結(jié)論

以山東省青島市李滄區(qū)重慶中路西側(cè)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(jì)算放坡開挖全過程，對(duì)基坑開挖過程中既有隧道和樁基的綜合穩(wěn)定性進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

1）該放坡基坑的開挖對(duì)地鐵隧道及橋梁樁基的影響滿足安全控制指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)周圍構(gòu)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(duì)開挖面進(jìn)行了卸荷，由于卸荷及土體的應(yīng)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(fù)彎矩，樁基不存在反彎點(diǎn)，只會(huì)向一邊傾斜，則自身不會(huì)因?yàn)閺澗氐耐蛔兪艿讲煌膹澢?yīng)，導(dǎo)致樁基被破壞。

5）淺基坑對(duì)隧道的影響并不大，并不需要抗浮結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。

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第一作者簡(jiǎn)介：鄧偉明（1983-），男，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槌鞘懈呒軜蚺c深基坑工程。

*通信作者：孔維智（2000-），男，碩士研究生。研究方向?yàn)閹r土與地下空間工程。