地铁基坑开挖对紧邻桥桩及支护结构变形的影响.pdf

第3 7 卷第6 期2023年11月文章编号：16 7 1-3 559(2 0 2 3)0 6-0 7 3 4-0 6济南大学学报（自然科学版）Journal of University of Jinan(Science and Technology)Vol.37 No.6Nov.2023D0I:10.13349/ki.jdxbn.20230331.001地铁基坑开挖对紧邻桥桩及支护结构变形的影响于景志，刘燕 b，宋享桦b，杨帆，许泽3（1.济南大学a.土木建筑学院，b.山东省城市地下工程支护及风险监控工程技术研究中心，山东济南2 50 0 2 2；2.济南鼎汇土木工程技术有限公司，山东济南2 50 0 0 2；3.山东省水利科学研究院，山东济南2 50 0 14）摘要：为了保证基坑开挖对紧邻既有桥梁桩基的安全性，结合某在建地铁车站实际工程，应用三维有限元软件MIDAS,对基坑开挖过程中桩体深层水平位移、地表沉降及桥墩竖向位移进行三维有限元模拟，并对现场实际监测结果进行分析。结果表明：基坑开挖造成支护结构产生鼓肚状变形，模拟结果曲线与监测结果曲线趋势一致；地表沉降呈漏斗状,模拟结果与监测结果具有较好的一致性；开挖基坑西侧桥桩JP23处桥墩的竖向位移大于开挖基坑东侧桥桩JP24处桥墩的竖向位移，说明距离越小，基坑开挖对桥桩的影响越大；根据模拟不考虑全方位高压喷射注浆桩加固，得到地表沉降最大竖向位移增大54.5%，并且桥墩竖向位移超过预警值，说明全方位高压喷射注浆加固对控制开挖变形具有重要作用。关键词：地铁车站；基坑开挖；桥桩；支护结构；结构变形中图分类号：TU455.43文献标志码：AInfluences of Subway Foundation Pit Excavation on Deformation ofAdjacent Bridge Piles and Retaining and Protection StructuresYU Jinghi,LIU Yans,SONG Xianghual h,YANG Fan,XU Ze(1.a.School of Civil Engineering and Architecture,b.The Engineering Technology Research Center for Urban UndergroundEngineering Support and Risk Monitoring of Shandong Province,University of Jinan,Jinan 250022,Shandong,China;Abstract:To ensure safety of foundation pit excavation for adjacent existing bridge pile foundations,combining an actualproject 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 sitewere analyzed.The results show that the foundation pit excavation causes bulging deformation of retaining and protectionstructures.The trend of simulation result curves is consistent with that of monitoring result curves.The surface settlementis funnel-shaped,and the simulation results are in good agreement with the monitoring results.The vertical displacementof bridge pier at bridge pile JP23 on the west side of the excavation foundation pit is greater than that of bridge pile JP24on the east side of the excavation foundation pit,indicating that the smaller the distance is,the greater the impact offoundation pit excavation on the bridge pile is.According to the simulation without considering all-round high-pressurejet grouting pile reinforcement,the maximum vertical displacement of surface settlement increases by 54.5%and the收稿日期：2 0 2 2-0 9-2 2基金项目：国家自然科学基金项目（519 7 9 12 2）；山东省自然科学基金项目（ZR2022ME042）第一作者简介：于景志（19 9 7 一），男，山东德州人。硕士研究生，研究方向为岩土与地下空间工程。E-mail：13 453 9 3 8 7 9 q q.c o m。通信作者简介：刘燕（19 7 8 一），女，山东济南人。副教授，博士，硕士生导师，研究方向为岩土与地下空间工程。E-mail：l i u y a n 3 2 2 16 3.c o m。网络首发地址：https:/ Ding Hui Civil Engineering Technology Co.,Ltd.,Jinan 250002,Shandong,China;3.Water Resources Research Institute of Shandong Province,Jinan 250014,Shandong,China)网络首发时间：2 0 2 3-0 3-3 1T17:24:04第6 期vertical displacement of the bridge piers exceeds the warning value,indicating that all-round high-pressure jet groutingreinforcement plays an important role in controlling excavation deformation.Keywords:subway station;foundation pit excavation;bridge pile;retaining and protection structure;structure deformation我国大部分城市目前都在进行地铁建设，特别是各省会城市对地铁交通需求量大，地铁建设如火如茶。随着城市多条地铁线路的修建，基坑开挖对周围既有建筑和桥桩的影响问题日益凸显。北京、上海、深圳、济南等城市在地铁修建过程中都遇到类似的明挖基坑下穿桥桩问题，给设计和施工带来很大挑战。为了分析基坑开挖对紧邻桥桩影响,国内外许多学者在理论研究和数值计算方面开展了较多研究。孙庆等 通过离心机试验并利用高斯曲线法研究黏土中开挖引起的土体瞬时沉降和长期沉降，得出隧道开挖的长期影响不容忽视的结论。姜男等2 基于地铁开挖施工对邻近桥桩影响的数值模拟,采用正交设计方法获得了6 个因素对地表沉降、桥墩沉降、桩体倾斜、支撑轴力及桥墩倾斜的敏感性排序。朱虹牧等3 利用监测数据与数值模拟相结合的方法分析基坑开挖对支护结构变形的影响，结果表明,基坑开挖导致地下连续墙水平位移增大51%，基坑开挖工程中应注意不同位置基坑施工对环境的影响。其他学者也展开了关于基坑开挖对周边环境影响的研究4-1，但是各地地质情况的差异、深基坑施工工况的复杂多变性、周边环境情况的复杂性，以及邻近桥桩的各向异性使得基坑变形规律很难得到解析解,导致研究成果无法形成统一的规律。本文中依托明挖顺作法施工地铁车站工程，建立模拟基坑开挖全过程的三维有限元分析模型，并结合实际监测数据分析基坑开挖对紧邻桥桩及支护结构变形影响。1工程概况某在建地铁车站为地下二层岛式地铁车站,明挖顺作法施工。基坑长度、宽度分别为3 14、2 1.7 m，紧邻桥桩处的开挖深度为18.2 4m,钻孔桩直径、间距、桩长分别为1.2、1.4、2 5.54m；冠梁高度、宽度均为1.2 m，内设4道水平对撑，第1道采用高度、宽度分别为1.2、0.9 m的混凝土支撑,间距为6 m;第2、3、4道均采用直径、壁厚分别为0.8、0.016m的钢支撑,间距为3 m。于景志，等：地铁基坑开挖对紧邻桥桩及支护结构变形的影响桥桩JP23桥桩JP24（a)基坑与桥桩的相对位置关系(b)现场施工图混凝土冠梁挡墙混凝土支撑钢支撑立柱桩长48m桥桩JP23JP23、JP2 4一开挖基坑西侧、东侧桥桩。图1某在建地铁车站项目基坑与桥桩的相对位置关系、现场施工图及基坑支护横断面735该地铁车站从已运行的地铁2 号线桥桩桩间穿过，基坑支护结构外边线距桥桩最近处仅为3 m。采用长度、宽度均为3.0 m（平行线路方向长度为27.2m,垂直线路方向长度为12.1m）的梅花布置袖阀管对基坑两侧紧邻桥桩进行注浆加固，控制基坑开挖对桥梁桩基的影响。基坑与桥桩的相对位置关系、现场施工图及基坑支护横断面如图1所示。工/地面线袖阀管加固桩长钻孔桥桩JP2448m灌注桩（c）基坑支护横断面图在建明挖地铁基坑7362有限元模型建立2.1模型建立及网格划分考虑基坑开挖的影响范围为开挖深度的2 4倍，影响宽度为开挖深度的3 5倍，建立长度x、宽度y、高度z分别为2 3 5、2 0 5、9 0 m的三维模型,研究基坑开挖引起的基坑周围土体位移场的变化及对紧邻桥桩的影响。模拟基坑开挖全过程三维模型网格划分如图2（a)所示。对每层土体进行较致密的网格划分，在基坑内、承台、摩擦桩和注浆加固处加密单元，保证计算结果的精确度。支护结构及桥桩网格划分如图2(b)所示。济南大学学报（自然科学版）土层名称(kN/m)素填土18.5粉质黏土18.4粉质黏土18.5粉质黏土19.9型进行模拟。采用板单元模拟高架区间桥面板、基坑钻孔灌注围护桩、车站顶板中板底板等，承台采用实体单元，桥桩、格构柱采用梁单元,立柱桩采用植人式梁单元。等刚度计算公式12 为第3 7 卷表1基坑主要土层物理力学参数重度/黏聚力/kPa12.0041.7040.6814.60内摩擦泊松比角（）10.0015.9815.4434.000.150.250.250.25(D+t)h?1264式中：D为钻孔灌注桩直径；t为相邻钻孔灌注桩净距；h为刚度等效后的地连墙厚度。主体基坑靠近地铁2 号线桥桩段采用直径为1200mm、间距为140 0 mm的钻孔灌注桩。可以(a)三维模型根据式(1)换算为厚度为8 7 2 mm地下连续墙。2.3模拟步骤参考实际基坑开挖顺序，采用分步开挖法进行模拟,共开挖5层,基坑开挖全过程模拟步骤如表2所示。表2 基坑开挖全过程模拟步骤编号工况初始应力1场分析2桥桩施工(b)支护结构及桥桩3位移清零图2 模拟基坑开挖全过程三维模型及支护结构、桥桩网格划分由于模型的边界分别与x、轴平行,因此设置为三维有限元软件MIDAS默认的地基支承边界条件，模型底部限制、y、z 方向位移，模型四周限制x、y 方向位移。2.2模型材料及参数在建模过程中,全方位高压喷射注浆（简称MJS工法)加固与模拟不加固所采用的基坑主要土层物理力学参数如表1所示，其中土体采用实体单元进行模拟，并采用弹塑性理论和修正摩尔-库伦屈服模TD4简述激活自重荷载及位移约束边界条件，并进行位移清零激活桥墩、桩基及桥墩上部荷载桥桩施工产生的位移清零4地连墙施工激活地下连续墙基坑开挖至开挖深度为2.1m，激活5第1次开挖第1道混凝土支撑基坑开挖至开挖深度为6.1m，激活6第2 次开挖第2 道钢支撑基坑开挖至开挖深度为10.4m,激活7第3 次开挖第3 道钢支撑基坑开挖至开挖深度为15.4m，激活8第4次开挖第4道钢支撑基坑向下开挖至坑底，主体基坑开挖9第5次开挖施工完成(1)第6 期3实际监测结果与模拟结果对比分析3.1支护结构深层水平位移基坑开挖到底时支护结构深层水平变形位移云图如图3 所示。由图可知，靠近桥桩处的支护结构水平方向最大位移为8.10 mm，位于第2、3 道钢支撑之间。y方向位移/m0.003-9m+1.04827e-0020.0035m+8.75638e-0030.0087+7.03007e-0030.0080+5.30375e003+3.57744e-003+1.85113e003+1.248 13e004-1.60150e-0033.32781e-0035.05413e-003-6.78044e-0038.506.76e003-1.023.31e-002y一模拟基坑开挖全过程三维模型宽度。图3 支护结构深层水平位移云图实际监测中选取支护结构深层水平位移监测点ZQTO4、ZQ T 2 4进行监测，2 个监测点分别靠近开挖基坑西侧、东侧桥桩JP23、JP2 4，主体基坑开挖完成后，提取出现深层水平位移最大值8.10 mm所在z方向模拟结果绘制MAX模拟曲线，深层水平位移监测值与模拟值如图4所示。由图可以看出，在开挖至坑底后，支护结构产生的水平位移最大值为8.9 2 mm,出现在深度为8.5m处。支护结构的变形呈现鼓肚状,并且随着开挖的进行,水平位移不断增大,最大位置出现在支护结构中上部。监测结果略大于模拟结果,考虑到现场施工多因素影响,建议可以考虑土体强度和支撑体系的折减。水平位移/mm1234567891011051015202530LZQT04、ZQ T 2 4一4、2 4号深层水平位移监测点；MAX模拟一出现深层水平位移最大值8.10 mm所在z方向模拟。图4深层水平位移监测值与模拟值于景志，等：地铁基坑开挖对紧邻桥桩及支护结构变形的影响-0.0034m0.0032m0.0010m010Z一模拟基坑开挖全过程三维模型高度。图5桥墩竖向位移及地表沉降云图选取桥桩JP23南侧、北侧桥墩监测点QT23-1、Q T 2 3-2 及桥桩JP24南侧、北侧桥墩监测点QT24-1、Q T 2 4-2 进行监测,高架区间桥桩JP23、JP24处桥墩竖向位移监测值与模拟值如图6 所示。由图可知,在开挖至坑底后，桥墩产生的最大竖向位移为-3.2 7 mm,出现在桥桩JP23处。基坑开挖至坑底后,基坑开挖对桥桩JP23的影响大于对桥桩JP24的影响，考虑到桥桩JP23、JP2 4靠近支护结构,桥桩与支护结构距离越近,基坑开挖对桥桩的影响越大。桥墩监测点QT23-1QT23-20-1-2-3-4-5LQT23-1、Q T 2 3-2 桥桩JP23南侧、北侧桥墩监测点；QT24-1、Q T 2 4-2 一桥桩JP24南侧、北侧桥墩监测点；MAX模拟一出现深层水平位移最大值8.10 mm所在z方向模拟。-ZQT04图6 高架区间开挖基坑西侧、东侧桥桩+ZQT24JP23、JP2 4处桥墩竖向位移监测值与模拟值MAX模拟靠近桥桩JP24的地表沉降监测值与模拟值如图7 所示。由图可以看出，地表沉降最大竖向位移为-11.7 mm,模拟结果的最大值为-10.9 mm。与相7373.2木桥墩竖向位移及地表沉降基坑开挖至坑底，桥墩竖向位移及地表沉降云图如图5所示。由图可知，桥墩最大竖向位移为-3.4mm，出现在桥桩JP23处。地表沉降最大竖向位移为-10.9 mm,出现在靠近桥桩JP24一侧。0.000.9m-0.004m方向位移/0 2+1.02309e002+7.38727e003+4.54366e003+1.70005e0031.14356e0033.98717e-0036.83078e0039.67439e0031.25180e0021.53616e-002-1.82052e0022.10488e0022.38924e002QT24-1QT24-2一监测数据-MAX模拟738MAX模拟一出现深层水平位移最大值8.10 mm所在方向模拟。图7 靠近开挖基坑东侧桥桩JP24的地表沉降监测值与模拟值同位置处地表沉降监测结果相比，模拟结果均小于监测结果,与图4、6 中深层水平位移监测值与模拟值和桥桩JP23、JP2 4处桥墩竖向位移监测值与模拟值结果相对应。4力加固方案及效果4.1加固方案在靠近桥桩处采用MJS工法加固方案，以减小桥墩位移。注浆加固区采用长度、宽度均为3.0 m（平行线路方向长度为2 7.2 m，垂直线路方向长度为12.1m)的梅花布置，选用普通水泥浆，以加固体抗压强度1MPa作为加固技术指标，注浆压力为0.150.5MPa,水与水泥的质量比（简称水灰比)为0.5:1 0.8:1,注浆工艺为由外而内、由下向上后退式注浆，跳孔间隔施工。4.2加固效果为确定MJS工法加固效果,以有限元软件MIDAS为工具,模拟对比桥墩竖向位移和地表沉降。采用的模拟注浆材料重度为2 3.0 kN/m，泊松比为0.2 5，其余条件不变。桥桩JP23、JP2 4处桥墩竖向位移及地表沉降模拟结果如图8 所示。由图可知，不考虑加固时，桥墩监测点QT23-1、Q T 2 3-2、Q T 2 4-1、Q T 2 4-2 的竖向位移均大于预警值-5mm，说明不考虑加固无法满足既有轨道部门及规范对桥桩的变形要求。未加固情况下，地表沉降最大竖向位移增大54.5%，说明MJS工法加固对控制该工程位移具有重要作用。济南大学学报（自然科学版）距坑边距离/m250-2-4-6-8-10-12-14第3 7 卷桥墩监测点8111监测数据MAX模拟QT23-10-1-2u/-3-4-5-6-7-8-9-1020-2-4-6/-8-10-12-14-16-18MJS工法一全方位高压喷射注浆；QT23-1、QT23-2一桥桩JP23南侧、北侧桥墩监测点；QT24-1、Q T 2 4-2 一桥桩JP24南侧、北侧桥墩监测点。图8 开挖基坑西侧、东侧桥桩JP23、JP2 4处桥墩竖向位移及地表沉降模拟结果5结论本文中通过对某在建地铁车站基坑开挖进行数值模拟和监测分析，得到以下主要结论：1)基坑开挖造成支护结构产生鼓肚状变形,模拟曲线与监测曲线趋势相同,并且支护结构深层水平位移的模拟最大值为8.10 mm,监测结果为8.9 2 m，说明模拟结果具有实际的参考意义。应考虑实际施工过程中的多因素影响,在模拟过程中,建议对原有的土体强度或支撑体系的刚度进行适当折减，以确保对预测结果具有更精准的参考性。2)桥墩产生的最大竖向位移为-3.2 7 mm,出现在桥桩JP23处。桥桩JP23处桥墩的竖向位移大于(下转第7 45页）QT23-2(a)桥桩JP23、JP2 4距坑边距离/m58-不考虑加固MJS工法加固(b)地表QT24-1不考虑加固+MJS工法加固11QT24-2第6 期4结论基于经典西原模型，通过对弹性元件、Kelvin元件、黏塑性元件的相关参数进行非定常化，建立考虑软岩参数随时间变化的本文模型，并采用单轴压缩蠕变试验对本文模型进行验证与参数辨识,基于ABAQUS软件,实现了软岩蠕变的模拟,得出以下主要结论：1)采用单轴压缩蠕变试验测得了不同轴向应力水平和蠕变时间时软岩的弹性模量，并推导弹性模量随(-,)t的变化公式。2)采用本文模型对不同轴向应力时的软岩单轴压缩蠕变试验进行拟合及参数辨识，拟合曲线的相关系数不小于0.9 9 7,表明本文模型拟合精度较高,并且对软岩蠕变的初期蠕变、等速蠕变、加速蠕变3个阶段描述较准确,验证了本文模型的准确性。3）利用CREEP子程序将本文模型嵌人ABAQUS软件中,针对单轴压缩蠕变过程进行数值模拟，蠕变各阶段的模拟结果与试验结果基本吻合,验证了本文模型在数值软件中应用的可行性。参考文献：1】朱合华，叶斌饱水状态下隧道围岩蠕变力学性质的试验研究J：岩石力学与工程学报，2 0 0 2，2 1（12）：17 9 1.2孙钧岩土材料蠕变及其工程应用M北京：中国建筑工业出版社，19 9 9：6 0 0-6 0 1.3李永盛。单轴压缩条件下四种岩石的蠕变和松弛试验研究(上接第 7 38 页)桥桩JP24处桥墩的竖向位移,说明距离越近,对桥桩的影响越大,因此在设计中应尽量选择远离既有桥桩的设计方案，以减小基坑开挖对桥桩产生的不利影响。3)地表沉降呈漏斗状，距离支护结构4 6 m处地表沉降竖向位移最大，最大值为-11.7 0 mm，模拟、监测结果曲线有较好的一致性，与桩体深层水平位移和桥墩竖向位移的对比结果一致，从另一方面验证了模拟过程中应适当考虑采用折减系数。4）根据模拟不考虑MJS工法加固,地表沉降最大竖向位移增大54.5%，且桥墩竖向位移超过预警值,说明MJS工法加固对控制开挖变形有重要作用。参考文献：1孙庆，杨敏，冉侠，等。隧道开挖对周围土体及桩基影响的试验研究J同济大学学报（自然科学版），2 0 11，39（7）：9 8 9.2 姜谱男，塔拉，李鹏。邻近桥桩地铁车站施工数值模拟及敏感性分析J岩土工程学报，2 0 13，35（增刊2）：1151.卿德，等：考虑软岩参数随时间变化的非定常西原蠕变模型参数辨识及数值模拟neering,2009,42(2):319.7颜海春，王在晖，戚承志深部隧道围岩的流变J解放军理工大学学报（自然科学版），2 0 0 6，7（5）：450.8张冬梅，黄宏伟，王箭明。软土隧道地表长期沉降的黏弹性蠕变与固结亲合分析J岩石力学与工程学报，2 0 0 3，2 2：2 359.9赵旭峰，孙钧海底隧道风化花岗岩流变试验研究J岩土力学,2 0 10,31(2)：40 3.10阎岩，王思敬，王恩志，基于西原模型的变参数蠕变方程J.岩土力学，2 0 10,31（10)：30 2 511 潘晓明，杨钊，雷春娟，等广义西原黏弹塑流变模型在ABAQUS中开发与应用J.建筑结构学报，2 0 10，31（增刊2):324.12韩伟民，闫怡飞，闫相祯，基于广义Kelvin模型的非定常盐岩蠕变模型J.中南大学学报（自然科学版），2 0 2 0，51（5）：1339.13 刘小军，刘新荣，王军保，等，浅变质板岩非定常开尔文模型研究J地下空间与工程学报，2 0 15，11（4）：9 7 6.14刘开云，薛永涛，周辉。参数非定常的软岩非线性黏弹塑性蠕变模型J中国矿业大学学报，2 0 18，47（4)：9 2 2-9 2 3.15刘开云，薛永涛，周辉基于改进Bingham模型的软岩参数非定常三维非线性黏弹塑性蠕变本构研究J岩土力学，2018,39(11):4159.(责任编辑：王耘）3朱虹牧，徐金明，王俊，等基坑开挖对围护结构变形的影响J桂林理工大学学报，2 0 17，37（3）：50 8.4崔佳杰明挖隧道施工对临近桥梁桩基影响及工程应用D.大连：大连理工大学，2 0 2 0.5易建伟地铁基坑开挖对邻近桩基的影响J.市政技术，2015,33(3):133.6余世为，阮世强，郎志雄，明挖法地下道路施工对邻近桥梁桩基的影响研究J施工技术（中英文），2 0 2 2，51（2）：8 3.7徐锋强，地铁明挖车站施工过程中对周围既有高架桥的影响分析J.工程机械与维修，2 0 2 0（4)：114.8赵亮明挖车站过既有桥桩方案讨论J.城市建设理论研究（电子版），2 0 18(2 3)：130.9漆金根。明挖基坑开挖对围护结构的影响J.大众标准化，2022(7):141.10胡雪明地下明挖隧道基坑变形监测与分析J低温建筑技术,2 0 2 2,44(2)：159.11麻凤海，韩晓菲，闫盼深基坑开挖对紧邻轻轨桥桩变形影响研究J信阳师范学院学报（自然科学版），2 0 2 2，35（2)：318.12刘国彬，王卫东，等.基坑工程手册M2 版北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 9：417.(责任编辑：王耘)745J岩石力学与工程学报，19 9 5，16（1）：39.4 ZHAO L Y,MAO X B,LIU R X,et al.The mechanical proper-ties of mudstone at high temperatures:an experimental study J.Rock Mechanics and Rock Engineering,2014,47(4):1479.5蔡美峰，何满潮，刘东燕岩石力学与工程M北京：科学出版社，2 0 0 2.6sSTERPI D,GIODA G.Visco-plastic behaviour around advancingtunnels in squeezing rock J.Rock Mechanicsand Rock Engi-