樁基托換對隧道結構影響的有限元分析

彭海松 于文強 劉永峰 茹廣府 趙建華

摘 要：以鄭州地鐵樁基托換為項目依托，運用數值計算方法，建立三維數值計算模型，對模型中的土體、橋墩基礎、樁基礎、托換梁單元和隧道單元設置合理的模型參數，分析兩次樁基托換中托換梁的位移變化。計算結果表明：托換梁在第一次樁基托換前后應力和位移發生明顯變化。

關鍵詞：樁基托換;數值計算;Abaqus

1 概述

當結構物下布設的樁基侵入地鐵隧道界限，需采用樁基托換技術將障礙樁清除。馮衛星[1]對廣州地鐵2號線隧道下穿建筑物進行基礎托換，并設計相應的托換方案。任振甲[2]改進了基礎托換過程中的基礎加寬的施工工藝。張兆為[3]提出地基注漿結合鋼管樁基的基礎托換技術。張原[4]將鋼筋混凝土梁式轉換層和鉆孔灌注樁的托換結構應用于廣州1號線中的樁基托換中。謝婉麗[5]等總結了相關的基礎托換技術。潘明亮[6]利用樁基托換技術對廣州地鐵的淺埋暗挖隧道上建筑物進行沉降控制。唐貴和[7]改進了廣州地鐵6號線的鉆孔灌注樁和托換梁的施工工藝。王海東[8]采用樁基托換技術，對軟弱地層中的建筑物下穿地鐵隧道施工進行處理，控制建筑物的沉降。鄧濤等[9]結合數值計算和現場監測，分析了福州地鐵1號線盾構隧道下穿橋梁的樁基托換。文穎文[10]提出錨桿靜壓樁托換變形控制技術控制建筑物下增層施工。李德超[11]等利用有限元計算分析開挖施工對開挖區域內托換樁影響。采用數值計算方法對鄭州市107輔道快速化工程樁基托換的影響進行分析，評價兩次樁基托換對托換梁的影響。

2 工程概況

本工程涉及商鼎路高架橋1個墩臺的樁基托換，存在兩次托換受力體系轉換，多次同步頂升施工。設計方案主要為：臨時托換體系施工：第一次受力體系轉換--隧道結構施做（含永久托換梁施做）;第二次受力體系轉換--臨時托換體系拆除。施工完成后如圖1所示。

3 數值計算模型

利用ABAQUS有限元軟件建立三維數值分析模型，土層參數見表1。根據實際情況，建立三維數值計算模型，土體模型尺寸為80m×20m×80m，承臺模型尺寸為5m×5m×2.2m，既有樁基直徑為1.2m，長60m，托換臨時樁基直徑為1.5m，長63m。橋墩模型尺寸為1.5m×1.5m×10.2m，橋梁作用通過在橋墩頂部施加荷載模擬，值為4.5MPa。計算中所用材料的參數列于右表。

4 數值模擬結果

主要施工順序：生成初始應力場→第一次樁基托換→第二次樁基托換。對于第一次樁基托換，托換前整個模型的豎向應力隨著深度的增加而增加，土體豎向位移沿深度增加而增加，托換梁的位移與土體模型中部的位移基本相等。第二次樁基托換后，該部分土體變形范圍增大。第一次樁基托換后托換梁的位移變化如圖2所示。第一次樁基托換后托換梁變形基本對稱，中間變形最大，即橋墩作用位置處，最大變形約為6mm，兩端變形約為4-5mm。因此，在橋墩作用在托換梁前，應先將托換梁向上頂升6mm左右。第二次樁基托換后托換梁的位移變化如圖3所示。從圖3可以看出，第二次樁基托換后，隧道結構頂梁的變形并不均勻，兩端位移較小，左側約為2.7mm，右側約為4.1mm，最大位移為橋墩作用位置處，約為8mm。

5 結論

根據數值模擬計算結果，提出相應的建議，主要得到如下結論：托換梁在第一次樁基托換前后的應力和位移發生了較為明顯的變化。托換后，發生了明顯的應力集中和位移較大的部位，該部位均位于橋墩作用點附近。第二次樁基托換后，隧道結構頂梁的變形并不均勻，兩端位移較小，最大位移為橋墩作用位置處。

參考文獻：

[1]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.

[2]任振甲，任白玉.多層磚砌體房屋抗震加固的一些作法[J].建筑技術，2000，31（6）：397-398.

[3]張兆維，紀傳廣.地基加固與基礎托換技術初探[C].江蘇省地基基礎年會，2009.

[4]張原，黃小許，李國雄，等.廣州地鐵一號線樓房樁基托換工程施工[J].施工技術，1998，27（9）.

[5]謝婉麗，張林洪，阮莉.地基處理中的托換技術及應用[J].昆明理工大學學報，2001，26（2）.

[6]潘明亮.高層建筑物地下室底板下的淺埋暗挖隧道內樁基托換技術應用[J].隧道建設，2011，31（3）：369-374.

[7]唐貴和，范雨，黃金林.廣州市地鐵6號線樁基托換工程施工監測[J].施工技術，2012，41（19）.

[8]王海東.淺析軟弱地層中泥水盾構的過樁施工[J].科學之友，2011（5）：43-44.

[9]鄧濤，關振長，陳開良，等.橋梁樁基主動托換中頂升荷載的簡化計算[J].巖土力學，2015（11）：3259-3267.

[10]文穎文，劉松玉，胡明亮，等.既有建筑地下室增設工程中錨桿靜壓樁承載力性狀研究[C].中國建筑學會地基基礎分會2014年學術會議，2014.

[11]李德超，錢建固，吳世明，等.開挖狀態下既有托換樁基變形有限元分析[J].巖土工程學報，2012，34（S1）：238-242.