地铁基坑开挖对既有线11号线桥梁桩基的影响分析

李湘锋

(中铁二十二局集团轨道工程有限公司，北京 100000)

在对地铁深基坑进行开挖的过程中，如果其附近存在桥梁，施工单位一定要做好其开挖施工对于桥梁桩基的影响因素分析。首先应根据实际的工程概况来进行相应的分析模型建立，并根据实际来进行主要参数的合理选择；然后再以此为依据，对地铁基坑开挖过程中对于其11号线桥梁桩基所产生的主要影响进行分析，包括开挖深度、土层参数变化、支撑轴力预加值和基坑距离对于11号线桥梁桩基的影响；最后再将具体的分析结果作为依据，采取合理的措施来加以应对。通过这样的方式，才可以让地铁工程中的深基坑开挖施工对其11号线桥梁桩基所产生的不良影响得以有效降低，在满足地铁工程实际建设施工需求的基础上实现11号线桥梁的良好保护。

1 工程概况

青岛地铁4号线张村站设计里程为YDK19+696.555～YDK20+215.055，在里程YDK19+787.015～YDK19+802.375段下穿正在运营的地铁11号线区间桥梁，下穿长度为15.41m。该处地铁11号线结构形式为桩基础+圆柱式墩+现浇连续梁；两侧桥墩编号为A11、A12，间距33.21m。车站南侧围护结构外边线与A11号桥桩净距为3.86m，北侧围护结构外边线与A12号桥桩净距为6.16m（见图1）。

图1 地铁4号线张村站与11号线区间桥桩及箱梁立面位置关系图

在其深基坑开挖施工中，一旦对附近的桥梁桩基造成破坏，将会造成非常严重的经济损失，并造成巨大的社会影响。为有效避免此类问题的产生，在本次地铁工程的深基坑开挖施工之前，通过三维数值计算模型对其深基坑开挖施工对于11号线桥梁桩基所产生的影响进行了模拟分析。

2 分析模型建立和参数选择

分析模型建立在本次地铁工程项目的深基坑开挖施工对11号线桥梁桩基影响的模拟分析中，主要应用的是FLAC3D软件，通过三维数值计算模型的建立来进行模拟分析。用摩尔-库伦模型进行土体模拟；用BEAN模型进行内支撑模拟；用PILE模型进行深基坑11号线桥梁桩基、混凝土挡墙等的模拟。因为地铁基坑大多是长条形，长度会比宽度大很多，因此本次模拟中，将模型的纵向长度设计为10m，内支撑横向距离设计为3m。模型底部对三个方向上的位移予以约束，侧边尽可以出现竖向位移。图2为本次地铁工程中的深基坑开挖施工对11号线桥梁桩基的影响数值分析模型图。

图2 本次地铁工程中的深基坑开挖施工对11号线桥梁桩基的影响数值分析模型图

3 地铁基坑开挖对11号线桥梁桩基的主要影响分析

3.1 开挖深度对11号线桥梁桩基的影响

基坑的开挖施工深度将会对其工程安全、支护体系要求以及止水措施产生较大影响。因此，本次特对此进行了数值分析模型的建立，通过该模型对本次深基坑开挖施工深度对其11号线桥梁桩基侧移以及弯矩所产生的影响进行分析。本次共选择了三种开挖深度来进行模型建立，其深度分别是10m、15m以及20m，干随着深基坑开挖施工深度的不断加大，需要对钢筋支撑的竖向位置、层数以及轴力预加值进行模拟调整，让深基坑保持稳定。对于10m深度的基坑，共进行了2层支撑设置，第一层支撑的轴力预加值是300KN，第二层支撑的轴力预加值是400KN；对于深度是15m的基坑，主要进行了3层支撑设置，第一层支撑的轴力预加值是600KN；第二层支撑的轴力预加值是700KN，第三层支撑的轴力预加值是800KN；对于20m深度的基坑，共进行了3层支撑的设置，第一层支撑的轴力预加值是900KN，第二层支撑的轴力预加值是100KN，第三层支撑的轴力预加值是1200KN。计算过程中，先对地层应力以及变形进行初始化，在获得到了土层自重条件下的应力值及其变形值之后，再将自重应力条件下的变形值清除，然后进行土体的模拟开挖，每一次都需要开挖到支撑下方的0.5m位置再设置支撑，接下来再对下一层土体进行开挖，一直到开挖到最后一层支撑土体并设置好了支撑之后，再开挖到基坑底部。图3是基坑11号线桥梁桩基侧移随基坑开挖深度的变化曲线图。

图3 基坑11号线桥梁桩基侧移随基坑开挖深度的变化曲线图

通过侧移曲线图可知，在基坑开挖施工深度从10m加大到15m的情况下，虽然支撑层数也随之增加，但是桩基侧移依然加大。在20m深的基坑中虽然也和15m深度一样进行了3道支撑设置，但是在以15m深度支撑为基础进行了轴力预加值增加之后，桩基位移得到了更好的约束，因此相比较深度是15m的基坑而言，桩基的侧移量实现了有效降低。

通过弯矩变化图可知，在开挖施工深度是10m和15m的情况下，其11号线桥梁桩基出现的弯矩比较大，且比开挖施工深度是20m的基坑11号线桥梁桩基弯矩更大。之所以出现这样的情况，是因为从15m深度到20m深度的基坑开挖中，虽然增加了开挖深度，但是20m深度基坑采用了内支撑轴力预加值加强措施，其侧移以及弯矩都可以有效减小，且模型中的桩基弯矩伴随深度变化的分布情况比较均匀，更加有利于桩受力。

3.2 土层参数变化对11号线桥梁桩基的影响

土体自身的弹性模量对其变形影响较大，基于此，本次模拟分析中，对三组弹性模量不同的土体进行选取，然后分别进行了数值分析模型的建立，以此来对土体弹性模量变化在地铁基坑11号线桥梁桩基侧移及其弯矩方面的影响进行分析。

深基坑开挖中的土层参数变化将会对其11号线桥梁桩基侧移产生较大影响，具有越高弹性模量的土层中，桩基的侧移量越小。

基坑11号线桥梁桩基弯矩所受的土体参数变化影响比较小，在提高了土体的弹性模量之后，桩基弯矩增大一些，但是在到达一定程度之后再继续提高时，桩基弯矩便几乎保持不变。

3.3 支撑轴力预加值对11号线桥梁桩基的影响

将基坑开挖施工的深度、基坑和桩基之间的距离、支撑位置以及桩长度都设为定值，对支撑轴力预加值不同情况下的基坑11号线桥梁桩基在基坑开挖中的侧移及其弯矩影响进行建模，模型中的深基坑开挖深度是12～26m，支撑共设置2道。

在支撑轴力预加值增加时，基坑附近的桥梁桩基沿着桩长度方向上的侧移呈现出线性降低趋势。之所以会出现这样的情况，是因为在支撑轴力预加值的增加中，基坑外部土体侧移便会减小，而与之邻近的桥梁桩基受到的土体变形影响就比较小，因附近土体变形所导致的侧移也就会随之减小。由此可见，基坑支撑轴力预加值对于其11号线桥梁侧移具有非常大的影响作用，也就是会对基坑外部的土体塑性区域具体的分布情况产生影响，进而对桥梁桩基与基坑的邻近度判断结果产生影响。

在支撑轴力预加值不同的情况下，其11号线桥梁桩基弯矩也会受到一定程度的影响。在支撑轴力预加值的增大过程中，基坑附近的桥梁桩基弯矩便会减小。之所以会出现这样的情况，是因为增加了支撑轴力预加值之后，基坑外部的土体减少了水平位移，而作用在11号线桥梁桩基上的土体压力也随之减小，这样就减小了基坑11号线桥梁桩基的弯矩。

3.4 基坑距离对11号线桥梁桩基的影响

将基坑开挖施工的深度、支撑位置、支撑轴力预计值以及桩长度都设为定值，对基坑和11号线桥梁桩基距离不同情况下的基坑11号线桥梁桩基在基坑开挖中的侧移及其弯矩影响进行建模，模型中的深基坑开挖深度是12～26m，仅仅改变基坑11号线桥梁桩基和基坑之间的距离（本次模拟中分别对基坑11号线桥梁桩基到基坑之间的距离设置为0.2h、0.4h、0.6h、0.8h以及1.0h，其中h所代表的是深基坑的开挖深度），对其基桩侧移量和弯矩进行变化规律的研究。

通过侧移变化曲线图可知，在基坑11号线桥梁桩基与基坑之间距离不同的情况下，其侧移量所受的基坑开挖施工影响也存在不同。当基坑开挖施工的深度及其支撑设置条件完全相同的情况下，伴随着基坑11号线桥梁和基坑之间距离的从小到大变化，其11号线桥梁桩基的侧移量呈现出了从大到小的变化趋势。本次模拟中，在与基坑相距0.2倍基坑深度的情况下，桥梁桩基的侧移量最大，其侧移量是34.8mm；而在与基坑相距1倍基坑深度的情况下，桥梁基桩的侧移量最小，其侧移量仅仅是8.2mm。

在基坑11号线桥梁桩基和基坑之间距离的变化中，深基坑开挖施工对于桥梁桩基弯矩所产生的影响也会随之变化，且其变化规律比较复杂。通过本次的模拟分析发现，当基坑11号线桥梁桩基和基坑之间相距0.2倍开挖深度的情况下，基坑开挖施工所导致的附近桩基弯矩最大，其最大弯矩值是-83.4KN·m，这个值出现在了桩基的最下部；而在基坑11号线桥梁桩基与基坑之间距离为0.4～1.0倍基坑深度的情况下，基坑开挖施工所导致的附近桩基弯矩最大值均出现在桩基上部。

4 地铁基坑开挖施工对其11号线桥梁桩基影响的主要应对措施分析

通过上述三维数值模型建立及其模拟分析可知，在地铁基坑的开挖施工过程中，其附近的桥梁基桩会在一定程度上受到其施工的影响，从而出现相应的侧移和弯矩变化情况。具体施工中，如果不能将此类影响加以合理控制，便很容易对地铁附近的桥梁桩基造成破坏，从而降低整体桥梁的质量和承载力，缩短其使用寿命，严重的情况下甚至会引发不必要的交通事故，造成重大的经济损失与社会影响。基于此，相关单位应该将模拟分析所获得的结果作为有效依据，对地铁工程的深基坑开挖施工方案进行合理制定。

根据本次地铁工程的深基坑开挖施工对其11号线桥梁桩基所产生的影响分析，可总结出以下几点施工方案制定措施。

4.1 注重深基坑支撑设置的合理性

因为地铁工程深基坑的开挖施工深度会对其附近的桥梁桩基产生不良影响，开挖深度越大，产生的不良影响也就越大。因此，为有效应对这一影响因素，可根据实际情况进行相应的支撑加设，深度越大，支撑加设的数量就应该越多一些。通过这样的方式，才可以有效降低基坑开挖深度过大对11号线桥梁桩基的不良影响，使其质量与安全得以良好保障。

4.2 注重深基坑和11号线桥梁基桩之间的土体加固处理

通过上述分析可知，深基坑和11号线桥梁桩基之间的土体弹性模量会直接影响到深基坑开挖施工对附近桩基侧移及其弯矩的影响程度。弹性模量越低，附近基桩在深基坑开挖施工中所受的影响程度就会越大。基于此，相关单位一定要做好施工现场的勘查工作，尤其是土体参数的勘查，如果发现施工现场的土体弹性模量比较低，就需要根据实际情况，采取合理的措施来做好深基坑及其11号线桥梁桩基之间土体的加固处理。这样才可以有效防止因深基坑施工所导致的11号线桥梁桩基破坏情况，达到良好的施工保护效果。

4.3 注重基坑支撑轴力预加值的增加

经本次模拟分析发现，在其他条件保持不变的情况下，地铁深基坑支撑的轴力预加值也会直接影响到深基坑开挖施工对附近桩基侧移及其弯矩的影响程度，支撑轴力预加值越大，基坑开挖施工对于附近桩基的不良影响便会越小。因此，在具体的施工方案制定中，根据实际情况来适当增加支撑轴力预加值，以此来实现基坑土体的良好约束，避免由于基坑开挖土体横向位移所导致的11号线桥梁基桩严重侧移和弯矩过大问题，使其所受的不良影响降至最低。

4.4 注重基坑和11号线桥梁桩基之间距离的加大

根据模拟分析发现，地铁基坑和11号线桥梁基桩之间的距离越大，其开挖施工对于桩基所产生的不良影响便会越小。基于此，在具体的方案制定中，对地铁路线进行合理规划，使其尽可能与11号线桥梁桩基之间的距离加大。通过这样的方式，才可以让基坑开挖对于11号线桥梁基桩的影响得以有效降低，尽最大限度确保11号线桥梁的质量及其安全性。

5 结语

综上所述，地铁基坑的开挖施工很容易对其附近的桥梁桩基产生不良影响，从而直接影响到桥梁工程质量与安全。基于此，在地铁工程的建设施工之前，相关单位一定要通过合理的模拟分析法来进行此项影响分析，并根据实际情况来采取合理的应对措施。这样才可以让地铁基坑开挖施工所导致的11号线桥梁基桩乃至于整体桥梁破坏问题得以有效避免，实现地铁工程建设施工的进一步优化。