蘭州地鐵1號線橋梁樁基托換技術模型試驗研究

朱金涌

(蘭州鐵道設計院有限公司，730000，蘭州∥高級工程師)

樁基托換結構體系憑借著自身的優點，在地鐵建設中得以廣泛應用。目前針對樁基托換技術的研究方法主要有現場試驗法、模型試驗法和數值模擬法。文獻[1]結合上海軌道交通10 號線下穿橋梁群樁基礎工程，對板式基礎托換技術進行了研究。文獻[2]結合深圳地鐵5號線下穿立交橋施工監測數據和數值計算結果，對樁基托換體系的受力和變形情況進行了研究。文獻[3]對地鐵隧道開挖過程中橋樁與樁周土間的滑移和脫空現象進行了研究，并發現注漿加固方法可顯著控制橋梁變形。文獻[4]對主動托換與盾構磨樁下穿橋梁樁基的施工方法和工藝參數進行了研究。文獻[5]對樁基托換技術和托換結構的地震響應問題進行了探討。文獻[6]采用FLAC 3D數值軟件對地鐵盾構隧道下穿既有橋梁樁基產生的影響進行了研究，發現盾構施工使樁體產生側彎變形。文獻[7]利用數值軟件，對樁基托換過程中地上、地下結構物剛度差異對樁身軸力的影響進行了研究。文獻[8-11]結合蘭州市軌道交通1號線樁基托換工程，利Midas/GTS軟件對托換前后樁基的承載特性進行了分析。隧道施工對已有樁基力學行為的影響主要是通過地層媒介傳播的，且施工擾動將使地層產生二次應力及變形。當應力傳遞到樁基位置時，將通過樁土相互作用使樁基礎產生附加變形及應力。因此在研究隧道近接施工對既有樁基的影響時，分析隧道施工對地層附加應力及變形的影響是前提和基礎。本文以蘭州地鐵1號線穿越魚兒溝橋工程為研究背景，在室內開展模型試驗，對黃土隧道開挖過程中近接既有樁基的承載特性開展研究。

1 工程概況

魚兒溝橋位于蘭州市城關區，是一跨20 m的預應力混凝土空心板梁橋，全橋共設22片中梁和2片邊梁，梁高0.9 m，每片中梁和邊梁的寬度分別為1.25 m和1.50 m。下部結構采用樁接蓋梁式橋臺，樁徑1.2 m，樁長17 m，每個橋臺下設8根基樁。如圖1所示，區間隧道在橋址處下穿，與既有魚兒溝橋樁基發生沖突，因此需選用樁基托換方案對既有橋梁進行改造。

圖1 地鐵隧道穿越橋梁樁基位置示意圖

2 模型試驗概況

2.1 模型樁與承臺制作

1)模型樁設計：根據樁基托換方案和模型相似比，選用樁徑為5 cm、樁長為80 cm的21根模型樁，模擬地鐵穿越既有橋梁的群樁基礎。模型樁為裝配式有機玻璃柱，樁頂、樁端和一半樁身處布置荷載傳感器，樁身粘貼細砂粗糙處理。為了降低試驗的操作難度，減小截樁過程對其他樁和樁周土體的影響，單獨設計阻礙地鐵隧道掘進的3根模型樁。

2)承臺設計：為方便加載，降低群樁模型試驗難度，在群樁樁頂設置153 cm(長)×48 cm(寬)×8 cm(高)的有機玻璃承臺，并按照樁基托換方案中的布樁形式，在承臺下部挖直徑為5 cm、深度為4 cm的圓柱形孔，并采用環氧樹脂膠粘貼牢固，使樁體與承臺緊密接觸。

2.2 模型填筑及控制

群樁模型箱尺寸為240 cm(長)×120 cm(寬)×120 cm(高)的模型箱，反力架采用16#工字鋼焊接而成，并通過螺栓與模型箱連接。模型試驗全貌如圖2所示。模型箱采用最大干密度為1.78 g/cm3、最優含水率為14.6%的蘭州黃土填筑，控制壓實度為0.75～0.80;分層填筑，分層夯實;在模型樁底部鋪設30 cm碎石作為樁端持力層。

圖2 模型試驗全貌

圖3為群樁平面布置示意圖，3號、4號和8號為截樁布置位置，選用中間截斷處理的模型樁。

圖3 群樁布樁示意圖

由單樁模型試驗可知，單樁的極限承載力和承載力特征值分別為1.8 kN和1.0 kN。綜合考慮群樁效應與承臺反力，取21根模型樁組成群樁基礎的承載力極限值和設計值分別60 kN和30 kN。

2.3 試驗方案與過程控制

將標定準確的荷載傳感器置于千斤頂下方以讀取荷載，每級荷載的加載量為極限值的1/10。由于試驗中需加均布荷載，因此在群樁承臺上放置150 cm(長)×15 cm(寬)×3 cm(厚)鋼板。群樁模型試驗過程主要分為以下3個階段：

1)截樁：試驗準備就緒后開始加載至預定值30 kN，待沉降變化穩定后維持荷載，對影響地鐵隧道開挖的既有樁做截樁處理。考慮實際截樁時必須保證上部結構安全有效運行，先對模型右側影響隧道掘進的一根樁做截樁處理，待沉降穩定后，再對模型右側的兩根樁進行截樁處理。

2)模擬開挖：截樁完畢后，維持荷載，待群樁體系沉降穩定后，使用洛陽鏟開挖，模擬隧道掘進。開挖貫通后用外徑200.0 mm、壁厚1.8 mm的PVC(聚氯乙烯)管模擬施作隧道襯砌。為提高PVC管強度，將鐵絲網與塑料網固定裹在PVC管外部。待隧道襯砌結構施作完畢后，將空隙部分填土夯實。

3)加載：隧道施作完畢后，維持荷載，記錄沉降數據。待沉降穩定后繼續加載，確定群樁體系極限承載力。

3 試驗結果分析

3.1 群樁豎向極限承載力分析

根據地鐵穿越既有橋梁群樁基礎模型試驗結果，繪制群樁基礎的Q-s關系曲線圖，如圖4所示。

圖4 群樁基礎的Q-s曲線

由圖4可見：當上部荷載小于18 kN時，群樁基礎整體沉降較小；當上部荷載大于18 kN后，沉降開始逐漸增大；當上部荷載加載至30 kN時，沉降為2.69 mm；維持30 kN上部荷載至沉降穩定時，沉降值發展了0.38 mm。3號、4號和8號樁截樁后至沉降穩定時沉降值分別增大了0.12 mm、0.13 mm和0.09 mm，使得30 kN處Q-s曲線出現了突變。隧道開挖并施作襯砌階段沉降值增大了0.53 mm，且該階段沉降最大值，由此可知隧道開挖對群樁基礎變形的影響大于截樁，在施工工程中應加強監測。當上部荷載為40 kN時，群樁基礎的Q-s曲線在本級荷載下出現突變，出現破壞，樁頂位移為4.19 mm。當上部荷載達到64 kN時，群樁基礎的Q-s曲線出現明顯的拐點，沉降顯著增大，從模型箱外部觀察到承臺下方土體出現裂縫，樁-土整體呈現破壞特征，可由此判斷截樁后群樁基礎的極限承載力為64 kN。

3.2 樁頂樁端軸力對比分析

圖5為1號樁樁頂樁端軸力對比曲線。由圖5可知，當上部荷載為30 kN時，截樁并開挖隧道時，其樁頂軸力會發生突變。隧道施作完畢時1號樁樁頂軸力由截樁前的1.31 kN增加至1.78 kN，增加了35.88%。當上部荷載小于60 kN時，1號樁樁端軸力緩慢增大；當上部荷載大于60 kN時，增長幅度增大。

圖5 1號樁軸力對比圖

圖6為2號樁樁頂樁端軸力對比曲線。由圖6可知，維持上部荷載30 kN時，截樁并開挖隧道時，2號樁樁頂軸力會發生突變。隧道施作完畢時2號樁樁頂軸力由截樁前的1.98 kN增加至3.05 kN，增加了54%，其增加值占截樁時上部荷載比例的3.57%，隨后樁頂軸力隨上部荷載的增大而平穩增加。此外，當上部荷載為40 kN時(5號樁出現破壞)，2號樁樁頂軸力發生較小突變，從之前的3.49 kN增加至4.03 kN，增加了15.47%。

圖6 2號樁軸力對比圖

圖7為5號樁樁頂樁端軸力對比曲線。由圖7可知，上部荷載為30 kN時，截樁并開挖隧道后，5號樁樁頂荷載由3.61 kN突變為4.91 kN，增加了36%，樁頂軸力增加值為截樁時上部荷載的4.33%。當上部荷載為40 kN時，5號樁出現破壞，樁頂荷載由5.63 kN下降至2.27 kN，但5號樁與承臺連為一體，并未完全失效，繼續承擔荷載。

圖7 5號樁樁頂樁端軸力對比曲線

圖8為6號樁樁頂樁端軸力對比曲線。由圖8可知，截樁并開挖隧道后，6號樁樁頂荷載由截樁前的3.16 kN突變至4.54 kN，增加了43.67%，由于6號樁與需要截斷的7號、8號樁與隧道相鄰，其樁頂軸力變化較大。當5號樁破壞時，6號樁樁頂軸力從5.59 kN增加至6.22 kN，增加了11.27%。由于6號樁需分擔5號樁荷載，因此在之后每級荷載下6號樁樁頂分擔荷載明顯增加大。

圖8 6號樁樁頂樁端軸力對比曲線

圖9為7號樁樁頂樁端軸力對比曲線。由圖9可知，同樣在截樁并開挖隧道后，7號樁樁頂荷載發生了突變。隧道施作完畢后，7號樁樁頂軸力由截樁前的3.05 kN增加至3.85 kN，樁頂軸力較截樁前增加了26.23%。由于7號樁緊鄰需要截斷的8號樁和地鐵隧道，故7號樁樁頂軸力變化較大。當上部荷載為40 kN時(5號樁出現破壞)，7號樁樁頂軸力從4.62 kN增加至5.12 kN，增大了10.82%。綜上分析可知，截樁并施做隧道后，1號、2號、5號、6號和7號樁的樁頂軸力分別增大了35.88%、54.00%、36.00%、43.67%和26.23%，且上述樁體樁頂軸力占上部荷載比例和為60.4%。整個施工過程對2號、5號和6號樁的樁頂軸力的影響較大，因此在施工過程中需嚴密監控上部結構的變形。

圖9 7號樁樁頂樁端軸力對比曲線

3.3 樁身軸力及樁身側摩阻力分析

綜上分析可知，當上部荷載小于40 kN時，5號樁樁頂荷載出現衰減，但并未完全失效，且截樁后5號樁樁頂軸力的增大值占上部荷載的比例在未截樁中僅次于6號樁，故本節根據5號和6號樁樁頂、樁身和樁端測試數據(分別見圖10和圖11)，分析隧道開挖時樁體的受力特性。

圖10 5號樁不同荷載下的樁身軸力曲線和側摩阻力曲線

圖11 6號樁不同荷載下的樁身軸力曲線和側摩阻力曲線

由圖10 a)可知：5號樁的樁身軸力呈倒梯形分布；當上部荷載小于30 kN時，每級荷載下其樁身軸力增幅較大；上部荷載為30 kN時，截樁前樁身5 cm、35 cm、70 cm處的樁身軸力占上部荷載的比例分別為12.03%、9.87%和2.70%，截樁后分別占16.37%、11.87%和3.70%；當上部荷載增大為40 kN時，上述3個位置處的樁身軸力占上部荷載的比例分別為14.08%、9.70%和3.78%；當上部荷載增大至50 kN、60 kN和76 kN時，樁身70 cm處軸力變化較小。

由圖10 b)可知：在承臺的影響下，5號樁樁頂處的側摩阻力分布較為集中；上部荷載小于30 kN時，樁身側摩阻力均勻增大，且下半部分側摩阻力增加幅度大于上半部分；截樁后5號樁樁身側摩阻力出現突變，而下半部分的樁身側摩阻力變化較小；上部荷載為50 kN時，其樁身側摩阻力曲線位于上部荷載為20 kN時的樁身側摩阻力曲線左側，整體樁身側摩阻力丟失，說明樁土界面發生破壞，5號樁主要依靠上半部分側摩阻力承擔上部荷載。

由圖11 a)可知：上部荷載為30 kN時，截樁前6號樁身5 cm、35 cm和70 cm處的樁身軸力占上部荷載的比例分別為10.53%、8.63%和2.13%，截樁后分別變為15.13%、10.60%和2.63%，表明6號樁樁身軸力發生了突變；當上部荷載分別為40 kN、50 kN、60 kN和76 kN時，5 cm處的樁身軸力占上部荷載的比例分別為13.98%、14.38%、13.70%和11.33%，35 cm處占上部荷載的比例分別為10.15%、9.80%、8.63%和8.12%，70 cm處占上部荷載的比例分別為2.33%、2.58%、2.75%和2.93%。由此可知，上部荷載增大時，5 cm和35 cm處樁身軸力承擔上部荷載的比例減小。

由圖11 b)可知：上部荷載為10 kN、20 kN和30 kN時，樁身側摩阻力均勻增大；上部荷載為30 kN時，下半部分的側摩阻力顯著增大；上部荷載為30 kN截樁后，上半部分側摩阻力增加明顯，而下半部分側摩阻力增加較小。由此可見：在截樁后，6號樁樁頂分擔的荷載主要依靠上半部分的樁身側摩阻力承擔；隨后當上部荷載增大時，下半部樁身側摩阻力顯著增大，而上半部分增幅較小。上部荷載為76 kN時，樁身側摩阻力較60 kN時減小，此時樁周土體已經出現剪切破壞。

4 結論

1)維持30 kN上部荷載，截斷3號、4號和5號樁至沉降穩定時，群樁基礎的沉降值分別為0.12 mm、0.13 mm和0.09 mm；模擬隧道開挖并施作襯砌至沉降穩定時，群樁基礎下沉了0.53 mm，且達到該荷載下的最大值。說明樁基托換過程中，隧道開挖對群樁基礎變形的影響大于截樁。

2)截樁前后，1號、2號、5號、6號和7號樁的樁頂軸力分別增加了35.88%、54.00%、36.00%、43.67%和26.23%。截斷3號和4號樁后，靠近截樁的2號和5號樁體分擔的荷載較大，5號樁破壞后，其將荷載分擔給6號樁。

3)5號和6號樁的樁身軸力均呈倒梯形分布，且隨上部荷載增大樁身軸力和樁側摩阻力逐漸增大。截樁后，5號和6號樁的上半部分側摩阻力顯著增大，承擔上部荷載。上部荷載分別為50 kN和76 kN時，5號和6號樁樁身側摩阻力急劇減小，樁土界面發生剪切破壞。