被動式橋梁樁基托換技術在蘭州地鐵中的應用

崔愛華

(蘭州鐵道設計院有限公司，甘肅蘭州　730000)

?

被動式橋梁樁基托換技術在蘭州地鐵中的應用

崔愛華

(蘭州鐵道設計院有限公司，甘肅蘭州730000)

摘要:蘭州市軌道交通1號線是從西向東通過蘭州市蜂腰地段的一條主干交通線路，橫貫中心城區。1號線地鐵隧道下穿既有魚兒溝橋，與其樁基相互影響，故隧道施工前必須對魚兒溝橋進行樁基托換。本文采用有限元軟件MIDAS/GTS建立三維有限元模型，對隧道下穿魚兒溝橋的開挖以及切樁過程進行了數值模擬，分析了隧道開挖和切樁過程中樁基和土層的力學行為。計算結果表明:既有魚兒溝橋通過地面樁基托換，洞內截樁后，地表沉降、樁基沉降、樁基受力均滿足規范要求，樁基托換方案合理可行。

關鍵詞:區間隧道樁基托換數值模擬軌道交通

蘭州軌道交通1號線下穿既有魚兒溝橋，為盡量減少對城市主干道的影響，同時減少周圍拆遷及管線改移，節省投資，設計采用樁基托換技術。雖然在國內地鐵建設中遇到的建筑物樁基托換工程越來越多，但在飽和黃土地區，因黃土具有顯著的濕陷性和高壓縮性，故樁基托換工程實例相對較少。本文通過數值模擬計算，分析了隧道開挖和切樁過程中樁基和土層的受力狀態，研究了樁基托換的可行性，以期為同類工程的設計、施工提供參考。

1　工程概況

蘭州市軌道交通1號線拱星墩至焦家灣區間沿蘭州市東崗東路鋪設，區間隧道采用礦山法施工。區間出拱星墩站后，沿東崗東路鋪設，穿過魚兒溝后以半徑450 m的曲線向東北偏轉，繼續沿道路下方鋪設，最后進入焦家灣站。區間隧道與既有魚兒溝橋樁基相互影響，故需對魚兒溝橋進行改造。魚兒溝橋與地鐵區間隧道位置關系如圖1所示。

圖1蘭州地鐵1號線與魚兒溝橋相對位置關系(單位: cm)

2　樁基托換設計

樁基托換也就是在原有建筑物施作托換梁，將原有的樁與托換梁連接成整體，使上部結構的荷載傳給托換梁，然后再通過托換梁傳遞到托換新樁上，原有樁被新的托換樁所替代，新樁承受上部結構傳遞的荷載。換句話說，樁基托換就是把原有樁基承受的荷載有效地轉移到新的托換結構上。目前樁基托換技術主要有兩類:一種是主動托換技術，另一種是被動托換技術。本次樁基托換選擇被動式樁基托換。

被動樁基托換是采用梁包樁的方式進行，新筑承臺將既有樁包裹，在新增承臺的下方設樁基礎將新增承臺托起，構成新的受力體系。為了降低新舊樁基礎的不均勻沉降差，托換樁采用與既有樁基礎一致的樁徑及樁長，并在受力前對其進行預壓。魚兒溝橋樁基托換如圖2、圖3所示。

圖2樁基托換后橋梁立面(單位: cm)

圖3樁基托換后1號橋臺(單位: cm)

3隧道下穿橋梁樁基過程仿真分析

3. 1有限元模型的假定

利用有限元軟件MIDAS/GTS建立三維有限元模型，模擬隧道開挖和切樁過程。在計算分析的過程中，對模型做了3種假定:①計算中假定圍巖連續均勻、各向同性，不考慮巖土的離散特性;②假定樁和襯砌混凝土材料為線彈性材料，土體為彈塑性材料;③土體本構模型采用摩爾—庫倫模型。

3. 2邊界條件

建立模型時，對所取土層水平方向和豎直方向的位移進行約束，為了避免樁出現剛體位移，對樁豎直方向的轉角進行約束。

3. 3荷載的施加

施加的荷載為各部分結構的自重和每根樁樁頂的軸力。

3. 4施工階段的實現

MIDAS/GTS中施工階段主要是通過對網格組的激活與鈍化(挖除)實現的，為了準確模擬地面樁基托換施工、隧道開挖以及切樁過程，同時考慮開挖對樁的最不利影響，隧道開挖采用左右隧道同時開挖和支護的方式，開挖一步支護一步。其中一次開挖最長距離為1. 17 m，最短為1 m，開挖方向為從西至東，共分22個施工步驟。

主要施工順序為:①施工新建樁基;②施工承臺;③利用承臺對新建樁基進行預壓;④將承臺與新建樁基進行連接;⑤開挖隧道;⑥截斷對隧道有影響的樁基。

3. 5計算參數的選取

根據地質勘察報告及鉆孔資料，為了建模計算的方便，本模型對土層進行了簡化，忽略了層厚較薄的卵石土，魚兒溝溝底以下部分均為黃土狀土層。隧道的開挖形式為全斷面開挖，隧道的斷面形式近似圓形，為了建模的方便，取隧道斷面為圓形。土層計算參數見表1。

表1黃土狀土層的物理參數

3. 6有限元模型的建立

根據以上參數，建立三維有限元模型，模型取魚兒溝橋梁西側的樁和土層，所取土層順橋向長度為18. 94 m，橫橋向寬度為50 m，土層厚度取魚兒溝溝底至樁底以下6 m處，土采用實體單元，樁采用二維線彈性梁單元，襯砌采用板單元。為了精確計算，隧道開挖及樁影響區域網格劃分采用了局部加密。

土體有限元網格模型見圖4，樁與隧道的相對關系模型見圖5。

圖4土體有限元網格模型

圖5樁與隧道的相對關系模型

3. 7計算結果與分析

1)拱頂沉降

計算結果表明，拱頂最大沉降發生在隧道初期支護完成后，右隧道的拱頂沉降21. 0 mm，在地鐵隧道最大預留變形量范圍內。

2)地表沉降

計算結果表明，地表最大沉降發生在左右隧道之間的地表，最大沉降10. 5 mm，滿足地鐵隧道最大地表沉降不超過10 cm的要求。

3)樁基沉降

所有施工步完成之后，沉降最大的樁為既有4'號樁，其樁頂總沉降達到了9. 7 mm。相鄰樁頂總沉降差最大的是新增3號、7號樁，總沉降差為2. 2 mm。根據我國《公路橋涵地基與基礎設計規范》( JTG D63—2007)中4. 3條對墩臺基礎沉降的規定，魚兒溝橋跨徑25 m，要求樁頂總沉降不得超過10 cm，相鄰樁頂總沉降差不得大于5 cm，因此從控制承臺和樁基沉降的角度來看，對該橋采用地面樁基托換、洞內截樁的施工方案是可行的。

4)樁身內力

從實施地面樁基托換至洞內截樁，樁基受力變化主要分為初始階段、施工新樁及承臺階段、切除左右隧道樁基階段和施作左右隧道襯砌階段4種階段。

在初始階段，既有樁頂軸向應力最大，樁處于受壓狀態，最大壓應力為2. 77 MPa。

施工新樁及承臺后，結構體系發生了變化，既有樁與承臺固結，對新增承臺施加了偏心荷載，導致新增樁處于受拉狀態，最大拉應力為0. 12 MPa。最大壓應力發生在既有4'號樁上，壓應力為2. 88 MPa。

切除左右隧道樁基后，被切除的4根樁的軸向力通過承臺的沉降傳遞給新增的樁基。應力重新分布后，最大壓應力發生在既有4'號樁上，最大壓應力為3. 61 MPa。

施作左右隧道襯砌階段，最大壓應力3. 66 MPa，最大拉應力0. 17 MPa，位置與切樁后相同。

托換新樁的混凝土強度等級為C50，既有樁的混凝土強度等級為C25，樁身應力較小，樁基不會發生破壞。

5)樁底軸力

在樁基托換過程中，各階段的樁底內力見表2～表4。

表2第1排樁關鍵施工階段樁底軸力kN

表3第2排新增樁關鍵施工階段樁底軸力　kN

表4第3排新增樁關鍵施工階段樁底軸力　kN

從表2～表4可以看出，施工完新樁和承臺后，原有樁的荷載通過新增承臺部分傳遞到新增樁上，其中分擔荷載最大的是第3排的新增10號樁，樁底軸力為73. 9 kN;在切除左右隧道樁基后荷載重新分配，被切除的4根樁的荷載轉移到其它樁上，荷載在該施工階段變化最為劇烈，樁底軸力增長最大的是第2排新增8號樁，增加量為331. 6 kN。切除左右隧道樁基后，樁底軸力最大的為既有4'號樁，其值為1 143. 9 kN。設計的單樁承載力為4 739 kN，樁基托換過程中承載力滿足要求。

4　結論

既有魚兒溝橋通過地面樁基托換，洞內截樁后，地表沉降、樁基沉降、樁基受力均滿足規范要求，樁基托換方案從力學性能上分析是可行的。關鍵技術可供同類工程的設計、施工參考。

參考文獻

［1］崔江余，藍戊已，吳如軍，等．建筑物托換技術［M］．北京:中國建筑工業出版社，2013．

［2］周志偉．深圳地鐵大軸力樁基托換技術［J］．鐵道建設，2003( 4) : 39-41．

［3］中華人民共和國鐵道部．TB 10002. 2—2005鐵路橋涵地基和基礎設計規范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［4］毛學鋒，許智焰，胡京濤．深圳地鐵3號線廣深鐵路橋梁樁基托換設計［J］．鐵道工程學報，2012，3( 2) : 91-95．

［5］孫海．樁基預應力平衡托換的理論研究與應用［D］．上海:同濟大學，2000．

［6］MASUDA Y，MINOSHIMA T，MAKINO H．Large-scale Underpinning for an Underground Urban Railway Station［J］．Tunneling and Underground Space Technology，1992，7( 2) : 133-140．

［7］楊哲峰．樁基托換技術在廣州地鐵工程中的應用［J］．鐵道建筑，2004( 7) : 50-52．

［8］馮衛星，曹金文．地鐵施工中的樁基托換技術［J］，石家莊鐵道學院學報，2000，13( 3) : 79-81．

［9］陳玉明．深圳地鐵樁基托換［M］．北京:中國鐵道出版社，2006．

［10］李勇．地下加層工程中托換基礎與上部結構共同作用性能研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工業大學，2005．

(責任審編葛全紅)

Application of passive-type bridge pile foundation underpinning technology in Lanzhou metro

CUI Aihua

( Lanzhou Railway Survey and Design Institute Co．，Ltd．，Lanzhou Gansu 730000，China)

Abstract:As the main transport corridor in Lanzhou，the No．1 transit line extends from the west to the east，running through the most crowded downtown area of the city．As the metro tunnel passes under the existing Yu'ergou bridge，the pile foundations of the two inevitably interplay，in which case enhancement treatment is needed before the construction．Applying the finite-element software M IDAS/GT S，a 3D finite-element model was built to carry out numerical simulation on the mechanical behavior of the piles and the soil layer amid tunnel excavation and pile cutting．T he results indicate that enhancement treatment is a valid solution，which by underpinning ground piles and cutting piles in the tunnel ensures that ground subsidence，foundation settlement and force-bearing of piles all meet the requirement concerned．

Key words:Interzone tunnel; Pile foundation underpinning; Numerical simulation; Urban rail transit

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0076-04

作者簡介:崔愛華( 1983—)，女，工程師，碩士。

收稿日期:2015-10-10;修回日期: 2015-11-20

中圖分類號:U443．16+3

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．19