盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)高架橋樁基變形影響的研究

張召，鮑凱，張文一，賈龍飛，王文慧

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100082）

1 引言

城市軌道交通對(duì)于城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和解決城市擁堵問題具有較好的促進(jìn)作用，可以有效加快城市的發(fā)展進(jìn)程，同時(shí)地下軌道交通也提升了人們出行的效率。而地鐵建造過程中不可避免地要遇到建筑物或橋梁的樁基，在無(wú)法更改地鐵線路走向的情況下，主要采用的施工方法為托換樁基技術(shù)，但目前我國(guó)對(duì)于托換樁基技術(shù)的研究處于發(fā)展階段。

目前，已經(jīng)有較多的專家學(xué)者在托換樁基技術(shù)的研究中取得了較為豐碩的成果。丁紅軍等[1]以廣州地鐵工程為研究對(duì)象，提出了小樁遂距狀況下加固、樁基托換的施工技術(shù)，并結(jié)合實(shí)際的施工現(xiàn)狀提出了相應(yīng)的施工對(duì)策；邊浩[2]以濟(jì)南地鐵工程為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法分析了托換樁基施工后系統(tǒng)的受力及變形狀況；何文鋒[3]以實(shí)際地鐵工程為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法分析了被動(dòng)式托換樁基時(shí)的樁體受力和變形狀況，得出了考慮原樁體承載力和土體的壓縮性的情況下更接近實(shí)際的工程應(yīng)用；周詩(shī)俊[4]結(jié)合廣州、深圳和香港地區(qū)的托換樁基工程，分析了托換樁基技術(shù)的施工要點(diǎn)，提出了托換樁基較為詳盡的施工方案；唐新權(quán)[5]以西安北客站至機(jī)場(chǎng)城際軌道項(xiàng)目為研究對(duì)象，對(duì)大軸力的樁基托換工程施工方案進(jìn)行分析，詳細(xì)描述了大軸力的樁基托換工程的施工工藝及監(jiān)測(cè)管理要求。周海軍[6]以南京地鐵工程為研究對(duì)象，分析了該工程樁基托換設(shè)計(jì)與施工的重點(diǎn)與難點(diǎn)，并通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了該方案的可行性；周濟(jì)民[7]以北京地鐵項(xiàng)目為研究對(duì)象，提出了樁基托換以及盾構(gòu)直接切樁的施工工藝，并采用三維數(shù)值模型分析對(duì)橋梁樁基的影響規(guī)律。

基于前人的研究，本文利用Midas 有限元軟件構(gòu)建高架橋托換樁基的數(shù)值分析模型，分析盾構(gòu)施工對(duì)地面、高架橋原樁基、托換樁基變形的影響規(guī)律。

2 工程概況

本文以某地鐵隧道工程下穿高架橋工程為研究對(duì)象。由于地鐵隧道工程下穿高架橋樁基部分，需要采用托換樁技術(shù)進(jìn)行施工。具體施工步驟如下：

1）鉆孔灌注樁施工。在樁基周圍埋設(shè)護(hù)筒，將綁扎預(yù)制好的鋼筋通過吊機(jī)吊入，再進(jìn)行澆筑混凝土施工，進(jìn)而完成鉆孔灌注樁的施工。

2）基坑開挖。將基坑分為3 個(gè)施工段，并使用鋼筋網(wǎng)和混凝土支護(hù)。

3）樁基托換施工。在原樁基周圍綁扎連接鋼筋并鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)澆筑混凝土，形成支撐托換梁，并將托換梁與托換樁基進(jìn)行固結(jié)施工。

4）截樁施工。待托換梁與托換樁基達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，采用機(jī)械拆除原有高架橋樁基，上部傳遞的荷載由托換梁和托換樁基承擔(dān)。

5）基坑回填。待施工完成后在托換梁體上布設(shè)防水材料，進(jìn)而將回填土回填入基坑內(nèi)，完成托換樁的整體施工。

3 三維有限元模型

利用有限元軟件構(gòu)建高架橋托換樁基的數(shù)值模型，模型使用M-C 準(zhǔn)則，依據(jù)實(shí)際工程特點(diǎn)，建立的模型尺寸分別為：長(zhǎng)90 m、寬20 m、高41 m，隧道結(jié)構(gòu)埋深11.03 m，盾構(gòu)隧道直徑5.0 m，注漿層厚0.15 m，利用直徑2 m 的樁基托換原直徑1.5 m 的樁基，建立的承臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸為6 m×3 m×1.5 m（長(zhǎng)×寬×高），設(shè)置了以下4 種工況：托換樁基與隧道邊緣水平距離為1.0 m（工況一）、1.5 m（工況二）、2.0 m（工況三）、4.0 m（工況四）。有限元模型示意圖如圖1 所示。

圖1 有限元模型示意圖

4 數(shù)值結(jié)果分析

當(dāng)原樁基截?cái)嗪螅瑢?duì)于4 種工況下的托換樁基的豎向、水平位移變化云圖如圖2～圖5 所示。

圖2 樁洞水平距離為1.0 m 的托換樁基豎向、水平位移圖

圖3 樁洞水平距離為1.5 m 的托換樁基豎向、水平位移圖

圖4 樁洞水平距離為2.0 m 的托換樁基豎向、水平位移圖

圖5 樁洞水平距離為4.0 m 的托換樁基豎向、水平位移圖

4.1 對(duì)托換樁基的影響

分析圖2～ 圖5 可以發(fā)現(xiàn)，工況一中，托換樁基的最大水平位移值為5.6 mm，最大豎向位移為2.0 mm；工況二中，托換樁基的最大水平位移值為5.4 mm，最大豎向位移為2.2 mm；工況三中，托換樁基的最大水平位移值為5.0 mm，最大豎向位移為2.4 mm；工況四中，托換樁基的最大水平位移值為3.7 mm，最大豎向位移為2.3 mm。對(duì)比分析以上模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不同樁洞距條件下托換樁基豎向位移值相差較小，原因在于托換樁基為端承型樁，因而，不同樁洞距條件下樁體的豎向位移差別較小。不同樁洞距條件下托換樁基水平向位移值相差較大，隨著樁洞距的增大，樁體的水平位移值逐漸減小，而規(guī)范規(guī)定樁體的水平位移值應(yīng)當(dāng)保證在6.0 mm 以下，因而在經(jīng)濟(jì)等因素的控制下，合理地布置樁洞間距可以有效減小托換樁基的水平位移。

4.2 對(duì)原有樁基的影響

分析圖2～圖5，不同工況條件下也會(huì)引起原有原樁基的位移，工況一中，原樁基的最大水平位移值為3.0 mm，最大豎向位移為2.0 mm；工況二中，原樁基的最大水平位移值為2.8 mm，最大豎向位移為1.7 mm；工況三中，原樁基的最大水平位移值為2.7 mm，最大豎向位移為2.3 mm；工況四中，原樁基的最大水平位移值為2.8 mm，最大豎向位移為3.2 mm。分析變化的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著樁洞距的增大。樁體的位移值呈現(xiàn)增大的變化趨勢(shì)，但各工況原樁體位移之間的差異較小，原樁體在截?cái)嗪笥邢騼?nèi)的位移變化趨勢(shì)，這主要是由于托換樁基變形對(duì)土體的擠壓作用進(jìn)而引起原樁體向內(nèi)的位移。

不同樁洞距對(duì)于樁體、地表的差異化影響主要體現(xiàn)在托換樁基的水平位移，而換樁體的豎向位移、原樁體位移受樁洞距的影響較小。樁洞距越大，托換樁基的水平位移值越小，但增大樁洞距的同時(shí)會(huì)增加上部托換梁的面積，隨之增大工程的造價(jià)。綜合經(jīng)濟(jì)性和托換樁體、原樁體的位移，當(dāng)樁洞距為1.5 m 時(shí)，不僅可以有效減小托換樁體、原樁體的沉降值，還可以保證工程的經(jīng)濟(jì)性原則，因而，樁洞距為1.5 m 時(shí)具有較好的質(zhì)量保證與工程效益。

5 結(jié)論

通本研究基于有限元軟件構(gòu)建高架橋托換樁基的數(shù)值分析模型，主要得到以下結(jié)論：

1）樁洞距對(duì)托換樁基水平位移的影響較大，樁洞距越大，樁體的水平位移越小，不同樁洞距對(duì)樁體豎向位移的影響較小；

2）原樁基隨著盾構(gòu)隧道的開挖逐漸向內(nèi)產(chǎn)生位移，隨著樁洞距的增大，原樁基的位移逐漸增大，但位移的影響較小；

3）綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和樁體的位移等因素，當(dāng)樁洞距為1.5 m 時(shí)具有較好的效果。