黃 希,陳 行,晏啟祥
(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)
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地鐵區(qū)間隧道下穿既有橋梁的樁基托換研究
黃 希,陳 行,晏啟祥
(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)
以深圳市地鐵7號(hào)線黃木崗站區(qū)間隧道穿越華強(qiáng)立交橋樁基工程為背景,建立有限元模型,研究隧道下穿既有橋梁時(shí)樁梁式托換樁的主動(dòng)托換和被動(dòng)托換的荷載轉(zhuǎn)化規(guī)律及樁基沉降規(guī)律。結(jié)果表明:被動(dòng)托換的沉降主要由托換梁的撓曲變形引起,而主動(dòng)托換時(shí)千斤頂?shù)捻斏饔每梢杂行У窒袚Q梁的撓曲變形;主動(dòng)托換時(shí),頂升位移為1.68 mm時(shí)為最佳截樁位置,此時(shí)截樁能有效減小托換工藝對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)影響;被動(dòng)托換的總體施工前后橋墩柱頂面有較大隆起,不能滿足橋面板平順的要求。研究成果直接用于指導(dǎo)黃木崗站區(qū)間隧道現(xiàn)場(chǎng)施工,并可為今后類似工程提供參考。
地鐵隧道;樁基托換;荷載轉(zhuǎn)換;沉降;數(shù)值模擬
隨著城市軌道交通的快速發(fā)展,由于時(shí)間和空間上的局限性,地鐵線路會(huì)不可避免地穿越既有建(構(gòu))筑物。當(dāng)樁端侵入隧道或距隧道較近時(shí),為控制樁基沉降,確保上部結(jié)構(gòu)的使用安全,一般采用樁基托換的方法對(duì)建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理,在實(shí)踐中取得了良好的效果[1-5]。
目前,對(duì)于托換樁施工技術(shù)研究層出不窮,結(jié)合實(shí)際工程的樁梁式托換樁的荷載轉(zhuǎn)化規(guī)律和樁基沉降規(guī)律方面的研究則少見(jiàn)報(bào)道。徐前衛(wèi)等[6]對(duì)樁基托換施工過(guò)程中樁基合理開(kāi)挖暴露長(zhǎng)度、樁-筏體系受力轉(zhuǎn)換機(jī)理以及盾構(gòu)切樁對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究;王莉平[7]對(duì)斷面跨度較大的廣州市某市政道路交通隧道工程的樁基托換進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)、計(jì)算及優(yōu)化;丁紅軍[8]以廣州地鐵5號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間建筑物樁基托換為例,研究了樁基托換設(shè)計(jì)、施工的全過(guò)程;朱金涌[9]研究了飽和黃土地區(qū)的樁基托換設(shè)計(jì),并建立三維有限元模型,對(duì)進(jìn)行蘭州市軌道交通1號(hào)線地鐵隧道下穿既有市政橋梁工程進(jìn)行了數(shù)值分析;唐新權(quán)[10]基于西安北客站至機(jī)場(chǎng)城際軌道項(xiàng)目,介紹了大軸力情況下的樁基托換思路、托換梁設(shè)計(jì)及托換體系轉(zhuǎn)換。
以深圳市地鐵7號(hào)線黃木崗站區(qū)間隧道穿越華強(qiáng)立交橋樁基為工程實(shí)例,展開(kāi)主動(dòng)托換與被動(dòng)托換的荷載轉(zhuǎn)化規(guī)律與樁基沉降規(guī)律的研究。
深圳市地鐵7號(hào)線三期工程,線路起自南山區(qū)麗水路,終至羅湖區(qū)太安路,線路長(zhǎng)度約29.962 km,設(shè)29座車站,均為地下站。黃木崗站位于黃木崗立交橋下,車站南北向布置。臺(tái)地地貌,地面高程為18.97~24.22 m,車站總長(zhǎng)232 m,寬度為21.45~27.2 m,開(kāi)挖深度為27.4~29.3 m。既有深圳市華強(qiáng)立交橋主橋總長(zhǎng)222 m,北主橋由西向東共3聯(lián);南主橋由西向東共3聯(lián),需進(jìn)行托換處理的S8號(hào)、N8號(hào)橋墩均位于第3聯(lián)。
南、北主橋墩柱為φ1.6 m圓柱,基礎(chǔ)采用φ1.2 m鉆孔樁,均為兩樁承臺(tái),以微風(fēng)化花崗巖為樁端持力層,南橋S8號(hào)橋墩樁基承臺(tái)底高程+17.50 m,樁底高程-14.70 m,樁長(zhǎng)32.2 m,隧道與橋梁及樁基的相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。
圖1 隧道與橋梁及樁基的相對(duì)位置關(guān)系
2.1 工程地質(zhì)
根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告,隧區(qū)內(nèi)從上至下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、雜填土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粗砂、含礫黏土、礫質(zhì)黏性土。各土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 各土體物理力學(xué)參數(shù)
2.2 水文地質(zhì)
黃木崗車站地下水主要為第四系孔隙水、潛水及基巖裂隙水??紫端饕x存在沖洪積粗砂層中。基巖裂隙水主要賦存在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及中等風(fēng)化花崗巖中,具有微承壓性。地下水位埋深2.1~7.2 m,水位高程為+14.36~+18.68 m。地下水的排泄途徑主要是蒸發(fā)和徑流,主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水。
深圳市華強(qiáng)立交橋南側(cè)S8號(hào)、北側(cè)N8號(hào)橋墩樁基均需托換??紤]2處樁基位置靠近,其結(jié)構(gòu)類型和地層情況基本相同,為簡(jiǎn)化建模節(jié)省計(jì)算資源,僅計(jì)算分析南側(cè)S8號(hào)橋墩樁基托換過(guò)程。通過(guò)ANSYS單元“生死”來(lái)模擬樁基托換的過(guò)程,模型結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu),單元類型采用SOLID45實(shí)體單元。因樁基礎(chǔ)為端承樁,樁端受地基沉降影響可忽略不計(jì),故不對(duì)地基土單獨(dú)建模??紤]橋梁自重,城A級(jí)設(shè)計(jì)車輛荷載和三車道的車輛荷載橫向折減,忽略汽車制動(dòng)力、沖擊力影響,樁基礎(chǔ)底部施加三向位移全約束,經(jīng)計(jì)算后施加到單個(gè)墩柱上的平均荷載為3 590.93 kN/m2。為便于描述分析,對(duì)樁基進(jìn)行編號(hào),其中1~4為托換樁,5~6為原樁基礎(chǔ),A為橋梁墩柱。模型主要計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2,原樁基和托換后樁基數(shù)值模型見(jiàn)圖2。
表2 模型主要計(jì)算參數(shù)
圖2 原樁基和托換后樁基數(shù)值模型
4.1 荷載轉(zhuǎn)化規(guī)律分析4.1.1 主動(dòng)托換
主動(dòng)托換是在原樁切斷之前,采用頂升工藝,消除部分新的沉降變形和將要被托換結(jié)構(gòu)的既有變形,從而遏制托換結(jié)構(gòu)的變形,使其控制在很小的變化范圍內(nèi)[11-12]。在頂升過(guò)程中,由于千斤頂荷載的施加,會(huì)微量頂升上部結(jié)構(gòu),從而消除大部分初始沉降,而同時(shí)也可檢驗(yàn)托換節(jié)點(diǎn)是否可靠。該法適用于大噸位和控制變形嚴(yán)格的情況[13]。
通過(guò)托換樁底施加向上位移值,從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)托換千斤頂?shù)捻斏Mㄟ^(guò)多次模擬試算的方法確定其位移值,找到被托換樁基礎(chǔ)應(yīng)力由壓力轉(zhuǎn)變?yōu)槔r(shí)的位移值為1.68 mm時(shí),即被托換樁5號(hào)、6號(hào)由受壓狀態(tài)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài),此時(shí)截樁,對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)影響最小,能最大限度的保證行車安全。托換樁頂升位移為1.68 mm時(shí),各個(gè)施工時(shí)段的豎向位移云圖見(jiàn)圖3。截樁前后各樁頂豎向應(yīng)力值見(jiàn)表3。
表3 截樁前后各樁頂豎向應(yīng)力 MPa
圖3 各施工流程豎向應(yīng)力云圖
由圖3、表3可知,在進(jìn)行托換前,原樁基、墩柱和承臺(tái)交接處出現(xiàn)了較明顯的應(yīng)力集中。當(dāng)托換樁完成施工但未施加頂升位移時(shí),托換樁基體系和原樁基體系的共同受力,但被托換樁樁頂豎向應(yīng)力有了一定程度的增加。分析認(rèn)為由于托換梁體積較大,其自重較大,雖然托換樁基體系和原樁基體系的共同受力,但仍會(huì)一定程度的增大被托換樁樁頂豎向應(yīng)力。當(dāng)施加試算得到的頂升位移1.68 mm時(shí),截樁前被托換樁的樁頂受到較小的拉應(yīng)力作用,最大拉應(yīng)力0.47 MPa,滿足《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003—2005)中C40混凝土的抗拉強(qiáng)度1.80 MPa,此時(shí)截樁可以最大限度減小截樁對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響。同時(shí),由于千斤頂?shù)捻斏饔?,被托換樁豎向應(yīng)力明顯減小,托換樁豎向應(yīng)力有較大幅度的增加,5號(hào)被托換樁豎向應(yīng)力從-5.06 MPa減小至0.42 MPa,1~4號(hào)托換樁樁頂豎向應(yīng)力約為頂升前的2倍。當(dāng)截樁后,托換樁樁頂豎向應(yīng)力有較小程度的增加,2號(hào)托換樁豎向壓應(yīng)力增加了0.21 MPa,被截樁體完全退出工作,故無(wú)應(yīng)力。由于千斤頂?shù)捻斏饔茫沟猛袚Q梁上承受的荷載主要傳遞給托換樁,因此截樁后各托換樁樁頂豎向應(yīng)力與托換前相差無(wú)幾,截樁后結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定。
參考計(jì)算的樁基應(yīng)力圖可繪制出原樁基體系荷載傳遞示意圖,主動(dòng)托換頂升時(shí)的荷載傳遞和截樁后的荷載傳遞示意如圖4所示。由圖4可知,在主動(dòng)托換的頂升過(guò)程中,托換樁將由千斤頂傳來(lái)的荷載傳遞給托換梁,托換梁將其傳遞至橋墩,從而逐步減少被托換樁上的壓應(yīng)力直至其值為0。當(dāng)截除被托換樁后,被托換樁不再參與工作,橋墩傳來(lái)的荷載經(jīng)托換梁傳至托換樁,從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)樁基托換。
圖4 主動(dòng)托換各階段荷載傳遞示意
4.1.2 被動(dòng)托換
被動(dòng)托換中沒(méi)有采用頂升工藝,其托換原理是在原樁切斷過(guò)程中,將上部荷載通過(guò)托換梁傳遞到新樁上,托換后的結(jié)構(gòu)變形沉降包括既有沉降和新增沉降兩部分[14-15]。通過(guò)在數(shù)值計(jì)算中設(shè)置千斤頂位移為0的方法來(lái)模擬被動(dòng)托換的切樁過(guò)程,從而得到被動(dòng)托換各施工過(guò)程結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5。
圖5 各施工流程豎向應(yīng)力云圖
由圖5可知,加入托換結(jié)構(gòu)后,托換樁基體系和原樁基體系的共同受力,被托換樁樁頂豎向應(yīng)力有了一定程度的增加。分析認(rèn)為由于托換梁體積較大,自重較大,雖然托換樁基體系和原樁基體系的共同受力,但仍會(huì)一定程度的增大被托換樁樁頂豎向應(yīng)力。截樁后,托換樁樁頂豎向應(yīng)力有較小程度的增加,結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。
參考計(jì)算得到的樁基應(yīng)力圖可繪制出原樁基體系荷載傳遞示意圖,被動(dòng)托換截樁前和截樁后的荷載傳遞規(guī)律如圖6所示。在托換樁施工完成后,被托換樁通過(guò)托換梁將部分荷載轉(zhuǎn)移到兩側(cè)的托換樁中,使得被托換樁的軸力有所減小。截樁后,全部荷載轉(zhuǎn)移到兩側(cè)的托換樁中,托換梁跨中產(chǎn)生較大的撓度。
圖6 被動(dòng)托換截樁后荷載傳遞示意
4.2 樁基沉降規(guī)律分析
現(xiàn)有的對(duì)樁梁式基礎(chǔ)托換的設(shè)計(jì)和研究中,多單純地從托換結(jié)構(gòu)的受力角度進(jìn)行分析和研究。但對(duì)樁梁式托換而言,僅進(jìn)行承載力研究是不充分的。鑒于此,在荷載轉(zhuǎn)化規(guī)律分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究基礎(chǔ)托換沉降規(guī)律。這對(duì)于優(yōu)化托換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),確定基礎(chǔ)托換沉降規(guī)律具有十分重要的意義。
通過(guò)數(shù)值計(jì)算,得到主動(dòng)托換和被動(dòng)托換各施工步驟下各樁基樁頂?shù)呢Q向位移,見(jiàn)表4。
表4 截樁前后各樁頂豎向位移 mm
從表4可知,當(dāng)采用主動(dòng)托換方法時(shí),橋墩柱頂面沉降較均勻,頂升后和截樁后的沉降差相差不大,僅為0.96 mm??傮w施工前后橋墩柱頂面有輕微隆起,位移為1.21 mm,但可以滿足橋面板的平順的要求。由于千斤頂頂升作用,頂升后被托換樁沉降有了較為明顯的減小,1~4號(hào)托換樁樁頂位移變化較大,由頂升前豎直向下位移變?yōu)轫斏蟮呢Q直向上位移,且橋墩的沉降位移隨之減小。截樁前后,托換樁的豎向位移未出現(xiàn)顯著變化,最大僅為0.55 mm。截樁之后橋梁上部荷載會(huì)全部轉(zhuǎn)移到1~4號(hào)托換樁,1~4號(hào)托換樁產(chǎn)生了少量壓縮形變,最大壓縮差值為0.55 mm。當(dāng)采用被動(dòng)托換方法時(shí),施工前和截樁前橋墩柱頂面的沉降差相差為1.45 mm。由于采用被動(dòng)托換,截樁后橋墩柱頂面沉降突然加大,總體施工前后墩柱頂面的沉降位移增大至4.79 mm,超過(guò)橋墩柱頂面預(yù)警值3.5 mm,不能保證橋面板的平順。同時(shí)1~4號(hào)托換樁樁頂有較大程度的沉降,約為1.51 m。
圖7為主動(dòng)托換和被動(dòng)托換下托換梁沿長(zhǎng)度方向的豎向沉降位移曲線。從圖7可知,托換梁沉降最大值均在跨中位置。當(dāng)采用主動(dòng)托換時(shí),頂升前最大沉降為4.28 mm,截樁后最大沉降為3.11 mm。由于千斤頂?shù)捻斏饔?,托換梁的沉降較為明顯的減小,并伴有較小程度的隆起,頂升前和截樁后的最大沉降值僅為3.65 mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于托換梁撓度預(yù)警值10.4 mm,主動(dòng)托換滿足施工要求。當(dāng)采用被動(dòng)托換時(shí),在施工前最大沉降為4.28 mm,截樁后最大沉降為9.11 mm。由于沒(méi)有千斤頂?shù)捻斏饔茫袚Q梁的沉降極為明顯,施工前和截樁后的最大沉降值為4.83 mm,這相對(duì)于主動(dòng)托換沉降較大。
圖7 托換梁的沉降位移曲線
分析認(rèn)為樁梁式托換時(shí)被托換樁上部的沉降位移主要是由托換梁的撓曲變形引起,其通過(guò)主動(dòng)托換的主動(dòng)頂升位移可以較好地改善,從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)托換的良好沉降控制效果。采用被動(dòng)托換工法時(shí),各結(jié)構(gòu)的沉降均較大,尤其橋墩柱頂面的沉降大幅度增加,沉降控制效果極差,不能滿足施工要求。因此,通過(guò)被動(dòng)托換控制結(jié)構(gòu)位移,尤其是橋墩柱頂面的位移是不可取的。故針對(duì)本工程,建議采用主動(dòng)托換技術(shù)進(jìn)行施工。
針對(duì)深圳市地鐵7號(hào)線黃木崗站區(qū)間隧道穿越華強(qiáng)立交橋樁基這一典型工程案例,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,輔以理論分析和數(shù)值模擬計(jì)算,研究了主動(dòng)托換和被動(dòng)托換施工工藝的荷載轉(zhuǎn)化規(guī)律和沉降規(guī)律,得到主要結(jié)論如下。
(1)通過(guò)多次模擬試算的方法得到被托換樁基礎(chǔ)由受壓狀態(tài)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)時(shí)的位移值為1.68 mm,即為本工程的主動(dòng)托換的頂升位移。主動(dòng)托換千斤頂頂升至1.68 mm時(shí)截?cái)啾煌袚Q樁,能最大限度地減小托換工藝對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)影響,保證行車安全。
(2)當(dāng)托換樁完成施工但未施加頂升位移時(shí),由于托換梁體積較大,其自重較大,被托換樁樁頂豎向應(yīng)力有一定程度的增加。實(shí)際施工時(shí)應(yīng)對(duì)此處進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)和分析。
(3)樁梁式托換變形沉降主要由托換梁的撓曲變形引起。被動(dòng)托換的沉降主要由托換梁的撓曲變形引起,主動(dòng)托換時(shí)千斤頂?shù)捻斏饔每梢缘窒袚Q梁的撓曲變形,從而減小其對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響。
(4)因被動(dòng)托換時(shí),總體施工前后橋墩柱頂面有較大隆起,不能滿足橋面板的平順的要求。故建議本工程采用主動(dòng)托換施工工藝進(jìn)行托換施工。
(5)托換過(guò)程是分為托換前、托換后、截樁3個(gè)施工步進(jìn)行的。運(yùn)用ANSYS有限元程序的“單元生死”技術(shù),可以有效地模擬樁梁式托換過(guò)程中托換結(jié)構(gòu)進(jìn)入和被托換樁退出工作的過(guò)程。
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Research on Pile Foundation Underpinning of Subway Running Tunnel Passing under Existing Bridge
HUANG Xi, CHEN Hang, YAN Qi-xiang
(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)
Based on the pile foundation project where Shenzhen Metro Line 7 Huangmugang station tunnel passes under Huaqiang overpass, a finite element model is established to study the load transformation rule and pile foundation settlement laws of passive and active underpinning of pile and beam underpinned pile. The results show that the passive underpinning settlement is mainly caused by the bending deformation of underpinning beam, but the jacking effects of the jack can effectively offset bending deformation of the underpinning beam at the time of active underpinning; the top displacement of 1.68 mm is the best position to cut the pile at the time of active underpinning, and it is the best time to effectively reduce the influence of underpinning process on the upper structure of the bridge; there is great uplift on the bridge pier column surface before and after the overall construction of passive underpinning, which fails to satisfy the requirement for smooth bridge deck. The research results are directly used to guide the Huangmugang station tunnel construction, and may provide reference for future similar projects.
Metro tunnel; Pile foundation underpinning; Load transformation; Settlement; Numerical simulation
2016-04-21;
2016-05-08
國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2013BAB10B04);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178400,51278425);中國(guó)鐵路總公司科技計(jì)劃重點(diǎn)課題(2014G004-H)
黃 希(1991—),男,碩士研究生,主要從事隧道工程相關(guān)研究工作,E-mail:626738411@qq.com;
陳 行(1993—),男,碩士研究生,主要從事隧道工程相關(guān)研究工作,E-mail:chenhangssd@163.com。
1004-2954(2016)12-0089-05
U455.43
A
10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.020