史策輝

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州510010）

隨著城市的經(jīng)濟(jì)及交通的迅速發(fā)展，地鐵成為解決城市交通壓力問(wèn)題的重要方式。由于地鐵隧道通常會(huì)經(jīng)過(guò)高樓林立、人口密集的地段，因此在地鐵的建設(shè)過(guò)程中會(huì)不可避免地穿越既有建（構(gòu)）筑物。在目前工程實(shí)踐當(dāng)中，當(dāng)既有建（構(gòu)）筑物樁基距隧道較近或侵入隧道內(nèi)部時(shí)，為保證隧道的正常通過(guò)及上部建（構(gòu)）筑物的安全，一般采用樁基托換的方法對(duì)建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行托換處理，并取得了良好的效果[1-7]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者結(jié)合實(shí)際工程對(duì)樁基托換技術(shù)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用作了一定的研究[8-15]。李文等[10]基于實(shí)際工程介紹了高架橋墩樁基托換工程施工監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用情況；潘明亮[11]基于三維數(shù)值有限元軟件ABAQUS驗(yàn)證了主動(dòng)托換方案在高層建筑物地下室樁基托換工程中的可靠性;張文強(qiáng)等[12]研究了交叉重疊隧道施工對(duì)既有托換樁基沉降特性的影響；丁紅軍等[13]基于廣州地鐵5號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間建筑物樁基托換工程，研究了樁基托換設(shè)計(jì)、施工的全過(guò)程特性；周冠南等[14]基于成都地鐵盾構(gòu)隧道近距離穿越某短樁基-框架結(jié)構(gòu)工程，采用三維數(shù)值有限元軟件研究了隧道穿越施工對(duì)房屋樁基及框架結(jié)構(gòu)的影響。

綜合目前國(guó)內(nèi)樁基托換工程的研究現(xiàn)狀，既有文獻(xiàn)所報(bào)道的樁基托換工程多基于對(duì)稱性樁基托換工程，即托換荷載位于或基本處于托換樁基的中間位置。對(duì)于該類型的樁基托換工程，由于兩側(cè)托換樁基所受荷載相對(duì)均勻，因此托換樁基間的差異沉降可以忽略。而對(duì)于非對(duì)稱情況下樁基托換工程，由于托換荷載嚴(yán)重偏向一側(cè)，將導(dǎo)致靠近托換荷載的樁基其所承擔(dān)的荷載要遠(yuǎn)高于另一側(cè)，這樣將使得托換梁產(chǎn)生一定程度的傾斜，從而有可能影響上部結(jié)構(gòu)的正常使用。本文以南昌市八一橋南引橋樁基托換工程為背景，基于三維有限元程序ABAQUS研究了在托換荷載非對(duì)稱情況下，由于隧道開(kāi)挖引起的托換樁基變形及內(nèi)力分布特性，并分析樁-隧距離對(duì)托換樁基工程特性的影響，相關(guān)研究結(jié)果可供實(shí)際工程借鑒參考。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概述

八一橋是南昌市重要的交通樞紐，橋身為雙獨(dú)塔雙索面扇形密索體系鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力斜拉橋。工程由主橋、引橋、引道三部分組成，全長(zhǎng)約6km。其中主橋1040m，南引橋2017m，北橋1314m，大橋于1997年9月29日建成通車。八一橋南引橋?yàn)槌鞘谢ネㄊ搅Ⅲw交叉系統(tǒng)。八一橋南引橋共有三層，首層為原地面。匝道的上部結(jié)構(gòu)主要為現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱梁，跨度在15～22m之間，下部結(jié)構(gòu)墩身以圓柱形為主，樁基采用Φ1.2～Φ1.5m鉆孔灌注樁，為端承樁，樁尖嵌入中風(fēng)化巖層。因在建地鐵2號(hào)線下穿行八一橋南引橋，造成地鐵隧道與部分八一橋南引橋樁基樁位沖突，為保證地鐵隧道的正常建設(shè)，需托換原八一橋南引橋部分樁基，在建2號(hào)線與八一橋南引橋平面關(guān)系如圖1所示。

圖1 在建地鐵線與八一橋南引橋平面關(guān)系圖

托換樁采用二根端承型Φ1200鉆孔樁，托換梁采用2.5m（寬）×3m（高）×12.46m（均長(zhǎng)）鋼筋砼大梁。托換樁樁端比隧道底深不小于1m，且進(jìn)入微風(fēng)化巖層不少于4.5m。托換梁和被托換樁連接：托換梁和被托換樁之間抗剪設(shè)計(jì)主要通過(guò)它們相互之間的咬合、界面處理和植筋實(shí)現(xiàn)。安裝千斤頂預(yù)頂前托換梁和樁頂均預(yù)留鋼筋，待預(yù)頂完成后，將樁、梁預(yù)留鋼筋焊接，然后澆注C35微膨脹混凝土封樁，待后澆混凝土終凝后，截樁完成托換。

由于F9匝道在樁基托換過(guò)程中存在較大的荷載偏心情況，即上部橋墩荷載嚴(yán)重靠近一側(cè)托換樁基，導(dǎo)致兩側(cè)托換樁基受力不均衡，有可能導(dǎo)致托換梁產(chǎn)生一定的傾斜變形，從而影響上部橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用，因此本文將重點(diǎn)研究F9匝道非對(duì)稱托換下樁基內(nèi)力及變形特性，F(xiàn)9匝道樁基托換示意圖如圖2所示。

圖2 F9匝道樁基托換示意圖

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告（詳勘階段），按其巖性及其工程特性，自上而下依次劃分為：

＜1-2＞素填土：稍壓實(shí)～壓實(shí)，呈灰褐色、褐黃色、灰黃色等，稍密～中密，主要由粘性土、砂土及碎石角礫組成。

＜3-1＞粉質(zhì)黏土：灰褐色、褐黃色、深灰色，軟塑～可塑，土質(zhì)較均，局部含少量粉細(xì)砂，粘性一般，切面較光滑，韌性中等。

＜3-2＞細(xì)砂：淺黃色、灰黃色、灰白色，飽和，稍密～中密，礦物成分以石英為主，長(zhǎng)石次之，級(jí)配一般，局部含粘土薄層。

＜3-6＞礫砂：灰黃色、褐黃色、灰白色，飽和，中密～密實(shí)，磨圓度好，礦物成分以石英為主，長(zhǎng)石次之，含少量圓礫。

＜5-1-2＞中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖：紫紅、暗紅、褐紅色，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖芯呈半巖半土狀、碎塊狀，遇水易軟化、崩解，巖塊手可掰斷，局部夾有少量中風(fēng)化碎塊，巖體破碎、巖質(zhì)軟。單軸天然抗壓強(qiáng)度為8.74 MPa，軟化系數(shù)0.32。巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ類。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 材料參數(shù)及模擬工況

本文采用三維有限元程序ABAQUS研究非對(duì)稱條件下地鐵隧道開(kāi)挖對(duì)托換樁基內(nèi)力及變形特性的影響。在數(shù)值模型中，土體假定為各向同性均質(zhì)材料，且滿足Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。托換樁基、連梁及隧道襯砌結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，剛度較大，應(yīng)力應(yīng)變基本符合彈性關(guān)系，其所采用的本構(gòu)模型為彈性模型。模型各部件及相關(guān)材料參數(shù)分別如圖3及表1所示。

表1 材料參數(shù)

圖3 構(gòu)件三維模型圖

樁體、襯砌和土體之間相互作用采用接觸面進(jìn)行模擬，接觸面摩擦系數(shù)μ=0.3。上部托換荷載F=600噸，同時(shí)為了研究托換樁與隧道間距離對(duì)托換樁內(nèi)力及變形特性的影響，分別設(shè)置了3組不同樁隧距離工況，如表2所示。

表2 樁-隧模型尺寸參數(shù)表

2.2 三維數(shù)值模型及邊界條件

考慮到托換樁-隧道相對(duì)尺寸及影響范圍，確定模型尺寸為長(zhǎng)×寬×深=50m×11.6m×45m，模型計(jì)算結(jié)果表明該尺寸滿足邊界條件要求。模型的邊界條件設(shè)定如下：模型表面邊界為自由邊界條件；模型底部邊界僅約束其豎向位移；模型兩側(cè)邊界約束其水平方向上位移。本文分析模型網(wǎng)格如圖4所示。模型所有單元均為實(shí)體單元，類型為8節(jié)點(diǎn)減縮積分單元（C3D8R），共有節(jié)點(diǎn)數(shù)27145，單元數(shù)23492。

圖4 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分圖

2.3 數(shù)值模擬過(guò)程

采用有限元模擬襯砌等支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，襯砌單元的激活時(shí)機(jī)很重要，若在開(kāi)挖區(qū)域移除之前激活，不符合真實(shí)工況，若在單元移除后進(jìn)行，則土體變形過(guò)大，起不到支護(hù)的作用。通常而言，解決這個(gè)問(wèn)題有兩種方式。第一種是在襯砌施工前，降低開(kāi)挖區(qū)土體的模量，以此來(lái)模擬應(yīng)力釋放效應(yīng)，第二種是事先對(duì)開(kāi)挖區(qū)施加節(jié)點(diǎn)約束，地應(yīng)力平衡后逐步放松約束，將節(jié)點(diǎn)力加到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，并隨時(shí)間遞減，遞減到某一程度時(shí)激活襯砌單元。本文選用第一種方式建模。具體的分析步如下：

分析步1：初始地應(yīng)力平衡（包括托換樁基部分）。

分析步2：將開(kāi)挖區(qū)土體單元的彈性模量降低50%，來(lái)模擬襯砌施工前應(yīng)力釋放。

分析步3：激活襯砌單元，模擬襯砌的施工。

分析步4：移除隧道土體單元，模擬地鐵隧道土體的開(kāi)挖，研究托換樁基內(nèi)力及變形變化特性。

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

3.1 變形云圖

如圖5所示為樁隧距離為1m時(shí)隧道開(kāi)挖結(jié)束后土體及托換樁變形分布云圖，從圖中可以看出由于上部荷載存在較大的偏心情況，隧道周邊土體及托換樁基變形也表現(xiàn)為明顯的不對(duì)稱性，在靠近托換荷載一側(cè)的樁基其變形大小要大于另外一側(cè)變形情況，從而使得在托換梁上會(huì)產(chǎn)生一定程度的傾斜變形，因此對(duì)于非對(duì)稱條件下的樁基托換工程，尤其應(yīng)當(dāng)注意由于荷載分布不均勻所導(dǎo)致的傾斜變形。

圖5 模型變形云圖

3.2 樁基水平位移

如圖6所示為隧道左右兩側(cè)托換樁在不同工況條件下樁身水平位移分布圖，其中水平位移正負(fù)號(hào)與模型整體坐標(biāo)一致，即正（＋）位移表示朝右的變形。從圖中可以看出在上述三種樁-隧間距下，樁底水平位基本均為0，表明工程所采用的嵌固深度可以滿足實(shí)際工程要求。對(duì)于位于隧道開(kāi)挖深度附近范圍內(nèi)，左右兩側(cè)樁基均表現(xiàn)為朝隧道外側(cè)的“擠出”變形特點(diǎn)，這可能是因?yàn)橛捎谒淼镭Q直方向上荷載較大，導(dǎo)致隧道兩側(cè)產(chǎn)生側(cè)向擠脹變形。此外，從圖中可以看出，樁-隧距離越小，樁身側(cè)向水平變形越大，但增長(zhǎng)幅度有限。在上述三種工況條件下，樁身最大水平變形均在4～5mm范圍內(nèi)，滿足工程樁基托換要求?？紤]到施工的便宜性及經(jīng)濟(jì)性，本工程實(shí)際采用的1m樁-隧間距方案能較好符合實(shí)際工程需要。

圖6 不同工況下樁身水平位移圖（a）左側(cè)；（b）右側(cè)

3.3 樁頂差異沉降

如前所述，對(duì)于非對(duì)稱條件下樁基托換工程，由于托換樁頭所承擔(dān)的荷載差異，將產(chǎn)生一定程度的差異沉降。為了研究不同樁-隧距離下樁頭差異沉降特性，分別提取了三種工況條件下托換樁間的差異沉降值，如圖7所示。從圖7可以看出，三種工況條件下托換樁差異沉降值均大致在8～9mm范圍內(nèi)，按照托換梁平均長(zhǎng)度11.6m計(jì)算，其傾斜度為0.8‰，滿足工程實(shí)際要求。此外，從圖中可以看出，隨著樁-隧間距離的增大，樁間差異沉降值也逐漸增大，這可能是因?yàn)殡S著樁間距的增大，托換梁重量也逐漸增大，導(dǎo)致樁頭整體沉降值增大。

圖7 不同工況條件下樁頂差異沉降

3.4 樁身內(nèi)力分布

如圖8所示為不同工況條件下樁身彎分布圖，從圖中可以看出在上述三種樁-隧間距下，樁身最大彎矩隨著樁-隧間距的增大而逐漸減小，最大彎矩位置基本位于隧道深度處，這與樁身水平變形分布一致。隧道兩側(cè)樁身最大彎矩值均大致位于600～800kN·m之間，當(dāng)樁-隧距離小于1m時(shí)，樁身最大彎矩值有著較為明顯的增長(zhǎng)。

圖8 不同工況下樁身彎矩分布圖（a）左側(cè)；（b）右側(cè)

如圖9所示為不同工況條件下樁身剪力值分布圖，從圖中可以看出在上述三種工況條件下，樁身剪力值差異主要集中在隧道開(kāi)挖深度范圍內(nèi)。與彎矩分布圖類似，隨著樁-隧間距的增大樁身剪力逐漸減小，最大剪力值為200kN左右。此外，從圖中可以看出對(duì)于靠近托換荷載一側(cè)的樁基（左側(cè)），由于托換荷載的作用，其在樁頭處也有150kN左右的剪力分布，因此為了保證接頭的可靠性，應(yīng)當(dāng)布置足夠的連接構(gòu)件以滿足接頭橫向抗剪要求。

圖9 不同工況下樁身剪力分布圖（a）左側(cè)；（b）右側(cè)

4 結(jié)論

本文基于南昌市八一橋南引橋樁基托換工程，通過(guò)數(shù)值有限元程序研究了非對(duì)稱條件下地鐵隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近托換樁基變形及內(nèi)力的影響，分析了不同樁-隧間距下托換樁基水平、差異沉降及內(nèi)力分布特性，基于數(shù)值模擬結(jié)果主要有以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）在非對(duì)稱荷載托換條件下，托換樁基樁頭會(huì)產(chǎn)生一定程度的差異沉降，且其大小隨著樁-隧間距離的增大而增大，但增長(zhǎng)幅度較小。

（2）托換樁基最大水平位移、彎矩及剪力值均分布在隧道開(kāi)挖深度范圍內(nèi)，且最大值隨著樁-隧距離增大而減小，合理的樁-隧距離為1m左右。

（3）在靠近托換荷載一側(cè)的樁頭會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩及剪力分布，在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)布置可靠的橫向連接構(gòu)件以保證托換樁基與托換梁之間的可靠連接。