既有城市高架橋梁樁基托換方案實用性研究

摘要 隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，地鐵隧道與公路、市政橋梁等建構(gòu)物的基礎(chǔ)交叉已經(jīng)無法避免，樁基托換的技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用與，托換技術(shù)已經(jīng)非常成熟［1-3］。根據(jù)類似的案例，橋樁托換對既有橋梁的影響也是可控的。以廣州市軌道交通十三號線二期工程西松區(qū)間段廣清立交進城高架橋43#墩橋梁樁基托換為背景，詳細論述了地鐵隧道施工過程對既有高架橋的影響，同時從托換聯(lián)橋梁上部結(jié)構(gòu)受力、托換樁基承載力及不均勻沉降實測值對橋梁樁基托換方案合理性論證，最終確定適用于本項目的橋梁樁基托換方案。

關(guān)鍵詞 軌道交通； 地鐵隧道； 樁基托換； 承載力； 不均勻沉降

中圖分類號 U452.2+5 文獻標志碼 A

0引言

隨著城鎮(zhèn)化水平不斷提高，我國地下軌道建設(shè)事業(yè)取得了顯著的成果，城市地鐵運營里程飛速增長。也正是因為這樣，在城市建設(shè)用地稀缺的背景下，新建地鐵路線方案多選用地下區(qū)間隧道方案。在建及規(guī)劃的地鐵線路與既有城市高架橋梁樁基沖突的案例正逐年增多，本文主要研究了地鐵隧道下穿對既有臨近橋梁樁基的影響及樁基主動托換方案［4-7］。

1工程概況

廣州市軌道交通十三號線二期工程西松區(qū)間屬于城市地下隧道，采用盾構(gòu)法施工。在K6+869.4處廣清進城高架橋43#橋墩A樁與區(qū)間左線相沖突。進城高架橋第十二聯(lián)（42～48#）（6×25+2.95）m采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋面寬度9.5 m，左腹板高1.71 m，右腹板高1.6 m。混凝土C50，鋼束均采用標準強度為1 860 MPa，腹板束15Φ15.24 mm，頂板束、底板束均采用5Φ15.24 mm，張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa。荷載采用汽超20，掛-120。既有樁基為承臺樁基礎(chǔ)，樁長25.8 m，樁徑1.3 m，承臺尺寸為2.5 m×2.5 m×2 m。需對此部分樁基進行托換，樁基托換采用主動托換方式處理。托換結(jié)構(gòu)形式采用技術(shù)較成熟的“托換新樁+托換大梁”組成的“門字架托換體系”。托換樁采用鉆孔灌注樁，樁徑1.3 m、樁長28 m、端承樁，共2根。隧道埋深17.884 m，無軟基處理，隧道左線與廣清進城高架橋的夾角為11.1°，隧道右線與廣清立交進城高架橋的夾角為7.3°，廣清進城高架橋梁既有樁基與地鐵隧道平立面及剖面關(guān)系如圖1～圖3所示。

擬采用對既有廣清立交進城高架橋43#墩A樁樁基進行托換加固。托換承臺與隧道中心線方向夾角為100°，分別采用2根直徑Φ1.3 m樁，樁帽尺寸為2.5 m×2.5 m ×1.5 m，托換梁尺寸為長13.4 m×寬2.5 m×厚2.8 m，托換梁頂標高為4.8。

2有限元計算模型

2.1隧道施工對高速橋梁影響有限元模型

本文采用巖土工程領(lǐng)域研發(fā)的通用大型有限元分析軟件MIDAS/GTS NX分別對西松區(qū)間隧道穿越前后高架橋樁的基軸向應(yīng)力、豎向及水平位移、路基沉降和承載能力驗算。計算模型中土體、承臺、盾殼、注漿層采用實體單元，管片、鋼板樁采用2D板單元，鋼支撐、樁基采用1D梁單元。其中管片厚度為0.3 m，鋼板樁按抗彎剛度等效為均勻厚度0.16 m的鋼板，鋼支撐采用直徑0.4 m、壁厚8 mm的鋼管。三維有限元數(shù)值計算中的地層和相關(guān)結(jié)構(gòu)的具體幾何參數(shù)為實際設(shè)計值，物理力學(xué)參數(shù)的選取參考地勘、設(shè)計文件和設(shè)計資料獲得。計算中，各土層采用修正摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型，回彈模量均取為彈性模量的3倍；隧道襯砌采用彈性模型，各材料的具體參數(shù)見表1。

計算模型中不建立上部結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，橋墩、橋面及路面荷載以集中力或均布荷載的形式施加在樁基承臺上，經(jīng)上部結(jié)構(gòu)計算分析，43#墩處上部結(jié)構(gòu)荷載為5 669.8 kN，橋墩自重為504.4 kN，計算模型中，盾構(gòu)掘進過程產(chǎn)生的施工荷載主要包括掘進推力，注漿壓力和千斤頂推力，其中掘進推力作用于盾構(gòu)隧道開挖面，取為120 kN/m²；注漿壓力作用于盾尾后的第一個節(jié)段，取120 kN/m²；千斤頂推力作用于管片側(cè)面，取1 200 kN/m。

為模擬盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿廣清高速的施工過程，本次數(shù)值計算中的施工過程為：

（1）激活土層，模型的四周和底部的邊界條件為法向約束，地表為自由邊界條件，在自重條件下求解至平衡，位移清零。

（2）施工樁基及承臺，施加上部結(jié)構(gòu)荷載，求解至平衡，位移清零。

（3）施工基坑鋼板樁圍護結(jié)構(gòu)。

（4）施工支撐與基坑開挖體系。

（5）施工托換樁、托換承臺、樁帽等。

（6）進行盾構(gòu)開挖工序。

圖4為建立完成的三維計算模型圖；圖5為橋梁與隧道相對位置關(guān)系，基坑圍護結(jié)構(gòu)與隧道相對位置關(guān)系及隧道下穿橋梁樁位如圖6、圖7所示。其中X軸方向為水平方向、Y軸正方向為隧道開挖方向、Z正方向豎直向上。考慮到隧道埋深較淺，模型建立時依據(jù)隧道力學(xué)知識，考慮隧道開挖的影響范圍及盡量減少邊界效應(yīng)，確定模型尺寸為60 m×50 m×60 m。模型中地層及厚度自上而下依次為素填土1.4 m，強風(fēng)化粉細砂巖、石英砂巖9.4 m，全風(fēng)化炭質(zhì)頁巖、泥巖、粉細砂巖6.0 m，強風(fēng)化炭質(zhì)頁巖、泥巖17.2 m，微風(fēng)化石灰?guī)r11.0 m。最終計算模型共劃分為37 266個單元，16 031個節(jié)點。

2.2托換聯(lián)所屬上部橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型

通過隧道施工對既有橋梁樁基產(chǎn)生的豎向位移作為不均勻沉降對橋梁上部結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行驗算，驗算指標均按原設(shè)計規(guī)范JTJ 021-89《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》執(zhí)行，采用橋梁博士V3建立上部結(jié)構(gòu)計算模型，在驗算模型中，節(jié)點數(shù)量為94個，梁單元數(shù)量均為93個，有限元模型如圖8所示。

3計算結(jié)果分析

本文主要分析了托換前橋梁樁基受力、托換后橋梁樁基受力、托換前后橋梁墩頂變形。

3.1托換前橋梁樁基受力

圖9為三維計算中進城高架橋42#～44#原有樁基在托換前的最大軸向應(yīng)力圖，圖中受壓區(qū)應(yīng)力值為負。

根據(jù)圖9計算結(jié)果可知，42#橋墩樁基的最大軸向應(yīng)力為1.26 MPa，43#橋墩樁基的最大軸向應(yīng)力為0.92 MPa，44#橋墩樁基的最大軸向應(yīng)力為1.62 MPa。

3.2托換后橋梁樁基受力分析

圖10所示為三維計算中，進城高架橋42#～44#原有樁基在托換后的最大軸向應(yīng)力圖，圖中受壓區(qū)應(yīng)力值為負。

圖11所示為三維計算中，盾構(gòu)隧道通過后，進城高架橋42#～44#樁基的最大軸向應(yīng)力圖，圖中受壓區(qū)應(yīng)力值為負。

從圖9～圖11中可以看出，原有樁基托換前后橋樁最大軸向應(yīng)力變化不大，各組橋墩下橋樁應(yīng)力分布較均勻，均小于5 MPa，滿足要求，詳見表2。

3.3托換前后橋梁墩頂變形分析

圖12、圖13分別為三維計算中，進城高架橋42#～44#原有樁基的豎向位移云圖和水平位移云圖。圖14、圖15分別為隧道通過后，進城高架橋42#～44#樁基的豎向位移云圖和水平位移云圖，圖中沉降變形值為負。

根據(jù)以上結(jié)果進行匯總，可知樁頂各階段最大豎向位移值，詳見表3。

從上述計算結(jié)果可知，進城高架橋42#-44#樁頂最大豎向位移為-1.650 mm，發(fā)生在43#樁頂，最大水平位移為0.242 mm，發(fā)生在44#樁頂。隧道施工后，縱向相鄰墩臺不均勻沉降差最大值為1.455 mm，小于2 mm，滿足要求。

3.4托換聯(lián)上部結(jié)構(gòu)驗算

按JTJ 023-85《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》計算托換聯(lián)原橋上部現(xiàn)澆箱梁承載能力極限狀態(tài)強度和正常使用極限狀態(tài)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。同時通過現(xiàn)場實測43#橋墩支座不均勻沉降：附加2 mm（監(jiān)測不均勻沉降控制值）進行驗算，計算結(jié)果如表4～表7所示。

（1）進城高架橋第十二聯(lián)（托換樁43#所屬聯(lián)）原橋上部結(jié)構(gòu)驗算結(jié)果（表4、表5）。

（2）進城高架橋第十二聯(lián)（43#樁附加監(jiān)測值不均勻沉降2 mm）上部結(jié)構(gòu)驗算結(jié)果（表6、表7）。

4結(jié)論

根據(jù)廣州市軌道交通十三號線二期工程西松區(qū)間隧道下穿/側(cè)穿廣清高速橋梁段的相對位置關(guān)系，建立了三維計算模型，通過模擬隧道開挖施工全過程，分析了隧道掘進過程中樁基受力與變形等，得出幾點結(jié)論：

（1）樁基最大軸向應(yīng)力：托換前后橋樁最大軸向應(yīng)力變化不大，各組橋墩下橋樁應(yīng)力分布較均勻，均小于5 MPa，滿足要求。

（2）樁頂位移：樁頂最大豎向位移為-1.650 mm，發(fā)生在43#樁頂。最大水平位移為0.242 mm，發(fā)生在44#樁頂。隧道施工后，縱向相鄰墩臺不均勻沉降差最大值為1.455 mm，小于2 mm，滿足要求。

通過對廣清高速43#墩托換樁基對應(yīng)上部結(jié)構(gòu)第十二聯(lián)承載能力及正常使用極限狀態(tài)驗算結(jié)果可知：考慮43#樁基不均勻沉降2 mm工況后，上部主梁跨中抗彎承載能力幾乎沒有變化，而墩頂抗彎承載力降低約5%。正常使用階段主梁正截面拉應(yīng)力增加約0.45 MPa，主拉應(yīng)力幾乎未發(fā)生變化，在荷載組合Ⅱ作用下法向壓應(yīng)力和主壓應(yīng)力均增大0.43 MPa，均在但是均能滿足85規(guī)范拉應(yīng)力限值。

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