盾構(gòu)隧道下穿既有建筑基礎(chǔ)加固方法研究

劉宗族 （中鐵二十四局集團(tuán)安徽工程有限公司，安徽 合肥 230001）

1 引言

隨著地鐵的大規(guī)模修建，地鐵下穿既有建筑物的情況越來越多。為保證人民生命及財(cái)產(chǎn)安全，地鐵下穿既有建筑時(shí)，需要控制盾構(gòu)施工對(duì)周圍環(huán)境的擾動(dòng)，保持既有建筑的穩(wěn)定性，因此需要對(duì)既有建筑基礎(chǔ)進(jìn)行加固[1]。對(duì)于使用獨(dú)立基礎(chǔ)的既有建筑，常采用樹根樁、錨桿靜壓樁、樁梁托換等加固方式。每種加固方式的施工速度、成本及對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響各不相同[2-3]，對(duì)各種基礎(chǔ)加固方式的研究已有一些成果。對(duì)于樹根樁，王輝等[5]通過對(duì)地基承載力不足和建筑荷載增加兩種情況下的樹根樁基礎(chǔ)加固進(jìn)行復(fù)合樁基受力分析，發(fā)現(xiàn)樹根樁穿過基礎(chǔ)并在基礎(chǔ)底部擴(kuò)大樁徑能有效改善加固效果；王文宇等[4]對(duì)某房屋地基的樹根樁加固設(shè)計(jì)及施工工藝進(jìn)行研究，結(jié)果表明樹根樁對(duì)房屋的加固效果良好。對(duì)于錨桿靜壓樁，吳江斌等[6]研究了低凈空條件下錨桿靜壓樁對(duì)筏板基礎(chǔ)加固的施工方法和影響效果，驗(yàn)證了錨桿靜壓樁對(duì)筏板基礎(chǔ)加固的有效性；劉冬[7]對(duì)某鄰近深基坑的歷史保護(hù)建筑基礎(chǔ)采用錨桿靜壓樁加固的方式進(jìn)行了有限元分析，并將分析數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比，說明了采用錨桿靜壓樁加固方法進(jìn)行基礎(chǔ)加固能夠保證建筑的穩(wěn)定性。對(duì)于樁梁托換方法的研究則更加深入，王浩[8]從托換方案選擇、設(shè)計(jì)要點(diǎn)、施工工藝、結(jié)構(gòu)的監(jiān)控等方面對(duì)國內(nèi)最大托換軸力的深圳地鐵下穿百貨廣場工程進(jìn)行了介紹，為國內(nèi)類似工程建設(shè)提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)；祝玉麒[9]通過理論分析、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)及有限元分析等方法對(duì)樁梁托換技術(shù)中被托換樁與托換梁連接界面的粘結(jié)滑移機(jī)理、托換結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能以及截樁順序?qū)ν袚Q結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)等方面進(jìn)行了研究，厘清了樁基托換中一些力學(xué)機(jī)制問題；金方方等[10]對(duì)某地鐵盾構(gòu)穿越橋梁樁基進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，橋面和筏板的最大變形發(fā)生在中跨，并得到了能夠使結(jié)構(gòu)剛性增強(qiáng)和能量消耗達(dá)到理性平衡的筏板厚度。

不同的基礎(chǔ)加固方法已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，相較其他幾種方法，樁梁托換在地鐵隧道下穿既有建筑時(shí)對(duì)既有建筑基礎(chǔ)加固的應(yīng)用已相對(duì)成熟，而加大基礎(chǔ)尺寸、樹根樁、錨桿靜壓樁對(duì)此類工程的應(yīng)用較少。本文針對(duì)合肥地鐵1 號(hào)線下穿合肥站項(xiàng)目特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，對(duì)樹根樁、錨桿靜壓樁以及樁梁托換加固方式進(jìn)行比較，分析三種不同方法在地鐵盾構(gòu)下穿既有建筑時(shí)應(yīng)用的可行性和加固效果。

2 工程概況

合肥市軌道交通1 號(hào)線三期工程瑤海公園站～合肥站區(qū)間，采用盾構(gòu)法施工。線路出瑤海公園站后，沿二環(huán)路下穿香江國際佳元7 棟居民樓后，再下穿合肥火車站無柱雨棚、站場股道及合肥火車站站房到達(dá)合肥站。區(qū)間起點(diǎn)里程為K16+052.901，終點(diǎn)里程為K16+858.170，長約805.3m，采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間隧道從1 號(hào)線一、二期已建成的合肥火車站出站后，直接下穿合肥站房，在隧道下穿影響范圍內(nèi)的站房基礎(chǔ)一共55 座，其中獨(dú)立基礎(chǔ)32 座、人工挖孔擴(kuò)底墩基23 座，下穿樁基6 根，位于盾構(gòu)區(qū)間影響區(qū)域內(nèi)的樁共有12 根（影響區(qū)域按區(qū)間往外6m 考慮），區(qū)間隧道與站房基礎(chǔ)平面圖如圖1所示。

圖1 隧道與站房基礎(chǔ)平面圖

站房內(nèi)盾構(gòu)隧道下穿時(shí)需加固的獨(dú)立基礎(chǔ)底埋深為5.1～7.5m，隧道頂部距離需加固的獨(dú)立基礎(chǔ)底部5.84～7.62m，隧道直徑6m，隧道與獨(dú)立基礎(chǔ)的位置關(guān)系剖面示意圖如圖2所示。

圖2 隧道與獨(dú)立基礎(chǔ)位置剖面圖

3 加固方案比選

3.1 模型尺寸及參數(shù)

采用ABAQUS 有限元模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比三種加固方法下盾構(gòu)隧道開挖對(duì)獨(dú)立基礎(chǔ)的擾動(dòng)影響，通過綜合對(duì)比獨(dú)立基礎(chǔ)的受力情況以及豎向和水平位移來優(yōu)選最佳的加固方案。在受盾構(gòu)隧道擾動(dòng)影響范圍內(nèi)需加固的獨(dú)立基礎(chǔ)中，底面尺寸最小為2.0m×2.4m，最大為8.0m×10.5m，多數(shù)基礎(chǔ)的長度與寬度尺寸集中在4±1m 范圍內(nèi)，因此獨(dú)立基礎(chǔ)底面尺寸取4m×4m，高度1m，立柱尺寸為1m×1m。土體尺寸為長30m、寬30m、深60m，避免土體邊界效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，土體四個(gè)側(cè)面約束水平位移，底面固定。參考圖2盾構(gòu)隧道與獨(dú)立基礎(chǔ)的相對(duì)位置關(guān)系，基礎(chǔ)埋深5m，盾構(gòu)隧道直徑6m，隧道頂面距離獨(dú)立基礎(chǔ)底面7m。獨(dú)立基礎(chǔ)材料采用C40 混凝土，獨(dú)立基礎(chǔ)上部立柱與土體表面平齊，立柱頂面施加10MPa 的壓強(qiáng)模擬基礎(chǔ)受力。土體依照工程勘測報(bào)告分為5 層，分別為雜填土、粉質(zhì)黏填土、黏土、粉質(zhì)黏土以及全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，土體使用Mohr-Coulomb 彈塑性屈服準(zhǔn)則模擬，土體、獨(dú)立基礎(chǔ)以及各種加固結(jié)構(gòu)均用實(shí)體單元模擬，所設(shè)置的各土層深度及各材料參數(shù)如表1所示。

表1 土層及材料參數(shù)

3.2 擬使用的加固方案

3.2.1 樹根樁

擬使用的樹根樁加固方案，樹根樁采用豎直樁體，樁徑0.3m，共計(jì)16 根樹根樁均勻排布于獨(dú)立基礎(chǔ)立柱四周，樁中心距離獨(dú)立基礎(chǔ)幾何中心的X 與Y 方向的水平距離均為1.2m，樁頂平齊獨(dú)立基礎(chǔ)上表面，穿過基礎(chǔ)插入土中。由于下方即是盾構(gòu)隧道，應(yīng)使樁與隧道保持安全距離，樹根樁穿過基礎(chǔ)后向下插入土體4m，樁底距離隧道頂部豎向距離3m。樹根樁使用實(shí)體單元模擬，材料為C40，樹根樁與基礎(chǔ)接觸部分進(jìn)行綁定約束，與土體為摩擦接觸。模型示意圖如圖3所示。

圖3 模型示意圖

3.2.2 錨桿靜壓樁

擬使用的錨桿靜壓樁加固方案，由于錨桿靜壓樁施工過程中，在獨(dú)立基礎(chǔ)上開設(shè)壓樁孔洞后需要將樁體壓入土體中，考慮到土體的擠土效應(yīng)，相關(guān)規(guī)范中控制了布設(shè)樁的數(shù)量以及位置要求，因此方案采用四根邊長為0.3m 的方形樁進(jìn)行基礎(chǔ)加固，四根樁分布于基礎(chǔ)的四個(gè)角，樁中心距離獨(dú)立基礎(chǔ)幾何中心的X 與Y 方向的水平距離均為1.2m，樁的材料、插入土體深度以及樁與土體的接觸均與上述樹根樁保持一致，不再贅述。模型示意圖如圖3所示。

3.2.3 樁梁托換

擬使用的樁梁托換加固方案，在地面以下1m 進(jìn)行托換，托換梁尺寸為長10m、寬2m、高1.2m，托換樁樁徑0.4m，樁長44m，樁頂中心距離基礎(chǔ)幾何中心水平距離4m，托換梁與托換樁均用C40材料模擬。托換梁與基礎(chǔ)立柱進(jìn)行綁定約束，托換梁與托換樁設(shè)置硬接觸，除此之外，立柱、基礎(chǔ)、托換梁與托換樁和土體之間均為摩擦接觸。模型示意圖如圖3所示。

4 模擬數(shù)據(jù)分析

4.1 應(yīng)力分析

圖4 為分別在不進(jìn)行加固、樹根樁加固、錨桿靜壓樁以及樁梁托換加固下基礎(chǔ)的應(yīng)力情況，在樹根樁和錨桿靜壓樁加固的情況下。立柱相比不加固的情況下稍有增大，最大應(yīng)力分別為10.08MPa 和10.35MPa。而在樁梁托換加固的情況下，立柱所受壓力向托換梁傳遞，再由托換梁向托換樁傳遞，基礎(chǔ)承受的應(yīng)力急劇下降，立柱與托換梁均在材料受力的安全范圍內(nèi)，托換樁由于與土體的摩擦作用，其受力均位于樁的中上部，而由于托換梁受壓產(chǎn)生向下的撓度，使得樁頂部應(yīng)力主要集中在樁的內(nèi)側(cè)，樁頂內(nèi)側(cè)最大應(yīng)力達(dá)到了33.90MPa，未超過混凝土材料強(qiáng)度。

圖4 模型應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4.2 位移分析

模型計(jì)算結(jié)果顯示在盾構(gòu)開挖過程中基礎(chǔ)的水平位移均控制在10-5m 尺度內(nèi)，三種加固方法下基礎(chǔ)在水平方向受到的擾動(dòng)較小、豎直方向受到的擾動(dòng)較大。以基礎(chǔ)在盾構(gòu)掘進(jìn)方向的法向上基礎(chǔ)底面中軸線各個(gè)節(jié)點(diǎn)距離基礎(chǔ)底面中點(diǎn)的距離為橫坐標(biāo)，以節(jié)點(diǎn)的豎向位移為縱坐標(biāo)，將結(jié)果繪制于圖5 并分析基礎(chǔ)在不同加固方式下的沉降情況。

圖5 模型位移計(jì)算結(jié)果

圖5（a）為基礎(chǔ)在不進(jìn)行加固、樹根樁加固以及錨桿靜壓樁加固的情況下，基礎(chǔ)在盾構(gòu)掘進(jìn)方向的法向上基礎(chǔ)底面中軸線各個(gè)節(jié)點(diǎn)的豎向位移。可以看出，若不對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行加固就進(jìn)行盾構(gòu)開挖，基礎(chǔ)將產(chǎn)生較大的沉降（接近26.5mm），因此對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行加固是有必要的。而使用樹根樁和錨桿靜壓樁對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行加固后，基礎(chǔ)的沉降有所改善，但沉降仍然較大，錨桿靜壓樁加固后基礎(chǔ)沉降減小到25.8mm 左右，樹根樁加固后基礎(chǔ)沉降減小到24.2mm 左右，遠(yuǎn)達(dá)不到穩(wěn)定性要求。圖5（b）為樁梁托換加固下基礎(chǔ)的沉降情況，可以看出，使用樁基托換加固后，基礎(chǔ)的沉降明顯下降，沉降最大不到1mm，同時(shí)基礎(chǔ)的邊緣沉降會(huì)略小于基礎(chǔ)中心，可以滿足基礎(chǔ)穩(wěn)定性的要求。由于用樹根樁和錨桿靜壓樁受到基礎(chǔ)下方盾構(gòu)隧道的位置限制，因此無法增大樁伸入土體的深度，同時(shí)基礎(chǔ)將一部分應(yīng)力傳遞到樁基，再由樁基傳遞到下方土體，隧道上方的土體沉降后會(huì)引起上部結(jié)構(gòu)整體沉降，而樁梁托換通過將基礎(chǔ)受到的力傳遞給托換梁再傳遞給盾構(gòu)隧道兩側(cè)和下方的土體，因此能夠有效減小基礎(chǔ)的沉降。

5 結(jié)論

本文依托合肥軌道1 號(hào)線下穿合肥火車站項(xiàng)目基礎(chǔ)加固工程，使用數(shù)值模擬的方法對(duì)比了不加固、樹根樁加固、錨桿靜壓樁加固以及樁梁托換加固這4 種情況下盾構(gòu)開挖對(duì)上部既有結(jié)構(gòu)包括應(yīng)力與位移的擾動(dòng)影響，主要結(jié)果如下。

①對(duì)比未加固基礎(chǔ)的情況，樹根樁與錨桿靜壓樁兩種加固方法，上部立柱與基礎(chǔ)的受力狀態(tài)基本相同，均在安全范圍內(nèi)。而使用樁梁托換進(jìn)行基礎(chǔ)加固后，上部立柱與基礎(chǔ)的受力均大幅減小，上部荷載轉(zhuǎn)由下部托換樁承受，由于托換樁與土體存在摩擦，托換樁受力集中在樁身中上部，且由于托換梁受力，梁中部產(chǎn)生向下的撓度，兩端擠壓托換樁使托換樁內(nèi)側(cè)應(yīng)力大于外側(cè)，最大應(yīng)力（33.90MPa）出現(xiàn)在樁頂內(nèi)側(cè)，在安全范圍內(nèi)。

②盾構(gòu)開挖將不會(huì)在基礎(chǔ)的水平方向產(chǎn)生太大的擾動(dòng)，若不對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行加固，盾構(gòu)開挖時(shí)基礎(chǔ)將產(chǎn)生較大沉降。使用樹根樁與錨桿靜壓樁進(jìn)行加固，可以降低基礎(chǔ)的沉降，但效果不明顯，而使用樁梁托換進(jìn)行加固可以有效降低基礎(chǔ)的沉降。

③由于樹根樁加固和錨桿靜壓樁加固無法有效控制基礎(chǔ)的沉降，而樁梁托換在減小立柱與基礎(chǔ)受力的同時(shí)還能很好地控制基礎(chǔ)的沉降，因此推薦在合肥軌道1 號(hào)線下穿合肥火車站項(xiàng)目基礎(chǔ)加固工程中使用樁梁托換技術(shù)對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行加固。