橋梁樁基施工對鄰近地鐵隧道穩(wěn)定性的影響研究

摘" 要：結(jié)合工程實例，對山東省青島市鄰近運營既有地鐵隧道的橋梁樁基保護措施進行分析，闡述地連梁這一新保護措施的樣式與施工方法，使用數(shù)值模擬的方法，分析隧道管片的位移表現(xiàn)及應力大小，研究各施工步驟下地連梁對既有地鐵隧道的穩(wěn)定性影響。對比位移影響程度，得出地連梁基坑開挖階段及樁基施工階段對既有地鐵隧道的影響大，而承臺施工階段對既有地鐵隧道的影響較小的結(jié)論。并對比靠近地連梁處既有地鐵隧道的位移大小，表現(xiàn)出地連梁距既有地鐵隧道的水平距離越近，其施工時對隧道的影響越大的現(xiàn)象。最后對隧道管片進行應力分析，得出管片最大與最小主應力絕對值越大，既有地鐵隧道的變形越小的結(jié)論。為后續(xù)的類似工程提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：保護措施；樁基；運營地鐵隧道；數(shù)值模擬；參數(shù)評估

中圖分類號：U455" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）03-0091-05

Abstract： Based on engineering examples， this paper analyzes the bridge pile foundation protection measures for existing subway tunnels operating nearby in Qingdao City， Shandong Province， expounds the style and construction method of the new protection measure of ground coupling beams. Using numerical simulation methods， the displacement performance and stress magnitude of tunnel segments are analyzed， and the influence of ground coupling beams on the stability of existing subway tunnels at each construction step is studied. Comparing the influence degrees of displacement， it is concluded that the foundation pit excavation stage and pile foundation construction stage of the ground coupling beam have a great impact on the existing subway tunnel， while the pile cap construction stage has a small impact on the existing subway tunnel. By comparing the displacements of the existing subway tunnel close to the ground coupling beam， it shows that the closer the horizontal distance between the ground coupling beam and the existing subway tunnel， the greater the impact on the tunnel during construction. Finally， the stress analysis of the tunnel segments is carried out， and it is concluded that the greater the absolute values of the maximum and minimum principal stresses of the segments， the smaller the deformation of the existing subway tunnel. It provides a reference basis for subsequent similar projects.

Keywords： protective measure; pile foundation; operating subway tunnel; numerical simulation; parameter evaluation

由于城市建設(shè)用地日益緊張，有時新建高架橋?qū)⒉豢杀苊獾匦枰缭交蚓o挨既有地鐵隧道，且樁基施工會對地鐵隧道的安全性及穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，影響其正常使用，甚至引起運營地鐵的過大變形，造成隧道破壞，因此，研究樁基施工對既有地鐵隧道的影響及相關(guān)保護措施顯得尤為重要。

針對此類問題，Naqvi等[1]通過數(shù)值模擬探討了樁體結(jié)構(gòu)對隧道及周邊土體穩(wěn)定性的影響，Heama[2]采用有限元數(shù)值模擬，分析了樁基在受荷載階段對既有隧道的影響。而為了使既有地鐵隧道的位移控制在合理范圍內(nèi)，呂寶偉[3]通過數(shù)值模擬得出樁基施工后加載階段對既有地鐵隧道的影響顯著大于施工階段的影響，并認為采用鋼護筒的施工方式可有效地減小鄰近地鐵隧道的變形。王虹波等[4]研究了樁徑和樁的護壁方式對臨近既有隧道的應力和位移等漸近變形的特征，并認為不同的樁徑尺寸和加固措施會對既有隧道造成不同程度的影響。丁智等[5]通過對高架橋鄰近杭州地鐵某運營區(qū)間的研究，采取了鋼套筒鉆孔灌注樁施工（保留）、打設(shè)泄壓孔等保護措施，保證了運營地鐵結(jié)構(gòu)的安全使用。閆靜雅[6]通過滬杭客運專線某段樁板梁結(jié)構(gòu)上跨軌道9號線工程，進行了加設(shè)鋼護筒、預設(shè)加固樁等保護措施，控制了鄰近軌道的豎向及水平位移。此外，還有許多工程提供了有關(guān)橋樁鄰近地鐵隧道施工保護措施實例[7-12]。

通過數(shù)值模擬，以青島市李滄區(qū)唐山路立交上跨已運行的青島地鐵一號線為背景，建立有限元分析模型，采取新的地鐵隧道保護措施地連梁，將施工對隧道的影響分成各個階段，對采用新型隧道保護措施的橋梁上部跨越地鐵隧道的情況，研究樁基施工對地鐵隧道穩(wěn)定性的影響，以期對地連梁的優(yōu)化設(shè)計提出合理化建議。

1" 工程概況

新建唐山路高架橋梁工程位于青島市李滄區(qū)，與重慶路高架橋相連接，包括唐山路跨線橋及8條定向匝道，其中西北方向匝道與東北方向匝道斜跨青島地鐵1號線的興國路站—南嶺路站區(qū)間，以下簡稱興—南區(qū)間，區(qū)間起訖里程K52+871.450 km～K53+772.850 m，區(qū)間長901.4 m，匝道的NW2、NE7號橋墩位于既有地鐵隧道的正上方，樁基侵入地鐵區(qū)間內(nèi)，為了保護既有地鐵隧道的安全及穩(wěn)定性，沿隧道前進的法向擴展承臺，形成地連梁結(jié)構(gòu)，重慶路高架與興一南區(qū)間平面位置關(guān)系圖如圖1所示。樁的形式為鉆孔灌注樁，樁長約16 m，樁徑為2 m，NW2和NE7號樁與地鐵隧道的水平距離分別為5.03、5.23 m，與區(qū)間底板的豎向距離分別為6.8、6.5 m。主要地質(zhì)為碎裂巖及安山巖，按真實地層考慮，土層參數(shù)見表1，施工時無地下涌水情況的發(fā)生。

2" 保護措施

2.1" 基坑開挖方式

興—南區(qū)間NW2、NE7地連梁基坑開挖深度約4.8 m，地連梁尺寸36.8 m×8.2 m×4 m，基坑采用1∶1放坡開挖，邊坡防護采用鋼筋網(wǎng)C25噴漿支護，網(wǎng)格采用φ8鋼筋，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm。邊坡的側(cè)向剖面圖如圖2所示。

2.2" 樁基保護措施

灌注樁成孔時采用泥漿護壁，禁止使用沖擊鉆。成孔設(shè)備選用對地層擾動較小、成孔效率較高的旋挖鉆機，并采用加長鋼護筒跟進施工工藝，護筒底標高深入強風化巖0.5 m。護筒的拆除采用旋挖鉆機和搓管機，不得使用打樁機拆除護筒，嚴禁采用震動大的鉆孔工藝。

2.3" 地連梁

地連梁為本工程對既有地鐵隧道的新保護措施，重點是探究新的保護措施對既有隧道的影響，并對其影響進行分析。地連梁即是將承臺沿既有地鐵隧道前進方向的法線方向進行拓展，使承臺橫跨既有地鐵隧道，形成擴大承臺，樁基在矩形擴大承臺的短邊兩側(cè)與既有地鐵隧道的外側(cè)，使橋梁樁基位置與既有地鐵隧道的范圍錯開，上部結(jié)構(gòu)建立在地連梁的中心，地連梁微微側(cè)向偏移，以便橋梁匝道快速跨過既有地鐵。其中，地連梁尺寸為36.8 m×8.2 m×4 m。地連梁與興—南區(qū)間平面位置關(guān)系圖如圖3所示，地連梁工程剖面圖如圖4、圖5所示，地連梁平面示意圖如圖6所示。

3" 數(shù)值模擬分析

3.1" 計算模型

采用有限單元軟件建立三維有限元模型，對上跨既有地鐵隧道的地連梁施工全過程進行模擬，重點分析隧道管片在施工階段與荷載加載階段的位移。綜合考慮模型精度與邊界效應以及假定條件的情況下，模型范圍沿地鐵隧道前進方向取值155 m，橫向尺寸取值155 m，深度方向取值38.7 m，以確保有限單元計算結(jié)果不受邊界約束影響。地鐵隧道孔洞簡化為半徑3.3 m的圓形。不考慮孔隙水的影響。模型網(wǎng)格采用混合網(wǎng)格生成器，尺寸為1.5 m，節(jié)點總數(shù)為324 724個，單元數(shù)量總計為449 976個。三維整體模型示意圖如圖7所示。本工程重點考慮新的保護措施地連梁施工時對既有地鐵隧道的影響并進行分析，故將地連梁部分與隧道管片單獨摘出，局部模型示意圖如圖8所示。

3.2" 計算材料及屬性

為探究工程中新的保護措施的各施工流程對既有地鐵隧道影響的一般規(guī)律，故根據(jù)工程實際情況對各工程構(gòu)建進行合理簡化。土體采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型進行計算，盾構(gòu)管片、邊坡防護、樁基與地連梁承臺皆是理想線彈性模型。土體與承臺采用3D實體單元，土體材料參考土層參數(shù)表，具體見表1，承臺材料選用C35混凝土，管片及邊坡支護采用2D板單元，隧道管片采用C50混凝土，厚0.3 m，邊坡支護采用C25混凝土，厚0.1 m，樁基采用1D梁單元，材料選用C35混凝土，形狀為樁徑2 m的實心圓形?；炷敛牧蠀?shù)見表2。

3.3" 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水平約束和豎向約束，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，鉆孔灌注樁施工時立刻設(shè)置RZ約束，待樁基與承臺施工完畢后，將上部荷載與運營時的車輛荷載簡化為均布荷載1 MPa，施加在NE7與NW2地連梁的橋墩上，作為最后一階段。

3.4" 模型施工工序

計算前，為保證模型只考慮樁基施工與荷載施加對既有地鐵隧道管片的影響，故先將既有地鐵隧道管片和原始土體應力場做地應力平衡，之后進行土體開挖及支護，樁基施工與承臺施工，最后承受上部路面荷載。

4" 計算結(jié)果分析

4.1" 荷載加載結(jié)束總位移

圖9所展示的為均布荷載加載結(jié)束后的總位移云圖，將圖9與圖8進行結(jié)合分析，發(fā)現(xiàn)最大位移主要集中發(fā)生在管片靠近地連梁樁基的部位，最大位移約為2.75 mm，而在遠離地連梁樁基的位置，一般位移只有2.7×10-5 mm，這說明在上部施工結(jié)束后，均布荷載施加在橋墩上后，既有地鐵隧道滿足工程的安全防護要求。

4.2" 隧道管片位移分析

根據(jù)有限單元模型各工況的位移運算結(jié)果，繪出既有地鐵隧道的最大位移點線圖，如圖10所示。從圖10中可以看出，既有地鐵隧道的豎向位移普遍大于水平位移。其中，最大豎向位移發(fā)生在地連梁樁基施工時，達到了4.81 mm，而加載階段的位移最小，僅為2.75 mm。此外，車站及隧道主體結(jié)構(gòu)的水平與豎向位移的控制值在5 mm以內(nèi)，因此工程滿足安全要求。然而，地連梁在開挖與澆筑階段的變形大于壓力施加時的變形，這一現(xiàn)象與普通樁基施工時對既有地鐵隧道的變形有所不同[3]，這一問題將是各大工程中值得重點持續(xù)關(guān)注的問題。

圖11為地連梁剖面處最大位移點線圖，展示了各個工況下的NE7、NW2地連梁剖面處的位移最大值。可以明顯看出，在各個工況下，NW2地連梁剖面處比NE7地連梁剖面處的既有地鐵隧道的位移普遍更大。同時，NW2樁基與地鐵隧道的水平距離為5.03 m，與區(qū)間底板的豎向距離為6.8 m；而NE7樁基與地鐵隧道的水平距離為5.23 m，與區(qū)間底板的豎向距離為6.5 m。明顯看出，NW2的樁基距離既有地鐵隧道的水平距離更近，且NW2的樁基插入深度更深。因此，地連梁距既有地鐵隧道的距離越近，其施工過程中對隧道的影響越大。

4.3" 隧道管片應力分析

在樁基施工階段隧道管片出現(xiàn)了最大變形，為分析隧道管片的應力分布情況，提取各個工況階段的最大最小主應力，如圖12所示，正方向為各施工階段的最大主應力，負方向為各工況的最小主應力?？梢钥闯?，除開始階段，絕對值最大的主應力發(fā)生在承載階段，而絕對值最小的主應力出現(xiàn)在樁基施工階段。同時，可以將圖10與圖12結(jié)合進行分析，得出結(jié)論，隧道管片的最大與最小主應力越大，既有地鐵隧道的變形越小。

圖12" 各工況的最大最小主應力

5" 結(jié)論

以山東青島市李滄區(qū)唐山路立交鄰近既有地鐵隧道的匝道地連梁保護措施為背景，通過有限單元軟件模擬計算地連梁施工的全過程，針對地連梁保護措施對既有地鐵隧道的穩(wěn)定性進行研究，得到如下結(jié)論：

1）地連梁基坑開挖階段及樁基施工階段對既有地鐵隧道的影響大，而承臺施工階段對既有地鐵隧道的影響較小，壓力加載階段對既有地鐵隧道的影響最小。

2）地連梁與既有地鐵隧道之間的水平距離越近，其施工對隧道的影響程度也越大。同時，樁基插入深度的增加也會導致隧道受影響程度增強。

3）隧道管片的最大與最小主應力越大，既有地鐵隧道的變形越小。

4）該保護措施下，滿足車站及隧道結(jié)構(gòu)安全控制指標標準值要求?，F(xiàn)場施工檢測時，應著重關(guān)注離地連梁較近的隧道處。

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