郝文海

（北京地鐵工程管理有限公司，北京 100079）

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施的不斷建設(shè)，地鐵隧道與高架橋基礎(chǔ)之間的工程沖突不可避免。因此，在不影響高架橋運(yùn)行安全的情況下，控制隧道施工任務(wù)的方法就顯得尤為重要。目前，樁基礎(chǔ)托換技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，可用來代替原有樁承受的上部荷載。一般而言，隧道開挖的過程會不可避免地擾動圍巖，影響樁基承載力，從而影響隧道的安全。因此，了解托換過程的變形特征至關(guān)重要，與此同時，應(yīng)采取合理的工程措施，確保盾構(gòu)隧道和高架橋的施工安全。本工程采用的方法為樁基托換和盾構(gòu)穿越?，F(xiàn)有研究往往忽略上部結(jié)構(gòu)和托換技術(shù)的影響，結(jié)果僅建立在托換完成的基礎(chǔ)上進(jìn)行。本文以北京地鐵17號線某區(qū)間隧道為研究背景，對敏感環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，并對兩個設(shè)計方法進(jìn)行細(xì)化和連續(xù)模擬。在此基礎(chǔ)上，對斷樁和托換方案進(jìn)行了研究。最后，基于樁基托換的結(jié)果分析了可能會產(chǎn)生的工程風(fēng)險。

1 背景介紹

本文中的研究對象為北京市地鐵17號線。本文選取其中原樁與托換樁尺寸差異較大的路段作為研究對象。該路段是一座高約6m的四孔一環(huán)混凝土連續(xù)箱梁。由于隧道穿過橋墩，因此應(yīng)托換兩個橋梁樁。橋帽下有兩個直徑為1.5m、長度為28.5m的灌注樁。樁基礎(chǔ)中心線與盾構(gòu)隧道之間的夾角為64°。隧道和橋梁的橫斷面圖如圖1所示。

圖1 隧道、橋梁的橫斷面圖

2 樁基托換施工設(shè)計方案

2.1 設(shè)計方案的比較與選擇

本文中研究路段的結(jié)構(gòu)由混凝土連續(xù)箱梁組成，受力復(fù)雜，變形敏感。樁基礎(chǔ)的存在可能會導(dǎo)致發(fā)生不均勻沉降現(xiàn)象，從而致使主梁的應(yīng)力重新分布。過大的應(yīng)力變化將影響主梁的承載力和上部結(jié)構(gòu)的安全。然而，在如此復(fù)雜的地層中，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，調(diào)整工作面壓力和控制掘進(jìn)姿態(tài)是非常困難的。坡道采用主動托換控制樁沉降，減少托換施工對交通的影響，在原橋樁卸載前，通過頂升裝置向托換系統(tǒng)施加荷載。

（1）斷樁方案。本工程采用人工打樁方案。通過在隧道頂部垂直開挖人工軸，將盾構(gòu)隧道范圍內(nèi)的樁基拆除。該設(shè)計方案具有風(fēng)險低、成本可控、不影響盾構(gòu)施工等優(yōu)點。施工順序如下。第一步：根據(jù)周圍地質(zhì)條件，豎井開挖前采用高壓旋噴樁或袖閥管加固周圍地層。第二步：設(shè)置鎖環(huán)梁和格柵墻保護(hù)。第三步：盾構(gòu)隧道頂部的橫通道通過灌漿和拱起雙排小導(dǎo)管進(jìn)行開挖和加固。第四步：盾構(gòu)隧道頂部人工豎井垂直開挖。第五步：使用空氣鎬和氣割機(jī)鑿樁基礎(chǔ)。鑿樁時在豎井內(nèi)回填C15混凝土。

使用盾構(gòu)機(jī)直接切割樁會給工期和成本帶來很大風(fēng)險。此外，必須對切割機(jī)和螺旋輸送機(jī)進(jìn)行改造，否則，可能會導(dǎo)致鋼筋纏繞或切割機(jī)損壞。與此同時，盾構(gòu)機(jī)長期停機(jī)的風(fēng)險相當(dāng)高，可能會影響項目的持續(xù)時間。

（2）施工程序。本項目擬采用以下施工程序。第一步：預(yù)頂進(jìn)施工。第二步：樁切割。第三步：千斤頂拆除及托換梁、樁帽施工。第四步：路面回填和修補(bǔ)。然后，允許盾構(gòu)機(jī)通過。此過程的一種替代方法如下：第一步：樁切割。第二步：盾構(gòu)機(jī)通道。第三步：托換梁和樁帽施工。第四步：路面回填和修復(fù)。然而，該替代方案具有較高的施工安全性要求。此外，它還可能導(dǎo)致大規(guī)模的交通干擾。第二種選擇是在切割樁前拆除千斤頂和固定接頭。當(dāng)預(yù)頂力計算準(zhǔn)確時，第二種方案更安全。但是，由于原始樁會對頂升力產(chǎn)生影響，因此，可能會出現(xiàn)頂升過度或頂升力不足的情況。托換梁有時也會承受偏心荷載，這通常表明實際值和理論值之間存在較大差異。

2.2 樁基托換方案設(shè)計

本文在考慮了隧道開挖對樁基影響的基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的樁基托換方案。隧道與托換樁基礎(chǔ)之間的凈距為1m，托換樁由直徑為1.8m、長度為40m的兩個灌注樁組成。樁托換梁為簡支結(jié)構(gòu)，厚度3m，長15m，寬4m。對原始樁和樁帽施加預(yù)應(yīng)力，以增加扭轉(zhuǎn)、縱向和橫向推力剛度。該樁基結(jié)構(gòu)處的平面示意圖如圖2所示。

圖2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的平面布局

3 數(shù)值分析

3.1 模型描述

本文采用三維巖土有限元分析軟件MIDAS GTS/NX進(jìn)行數(shù)值分析和計算。當(dāng)土壤計算模型與實際結(jié)構(gòu)平面尺寸之比超過3～5時，邊界效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動態(tài)響應(yīng)幾乎沒有影響。因此，模型沿X、Y和Z方向的計算范圍分別為50、45和40m。假設(shè)圍巖和土層均勻且水平分層。計算模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值計算模型

3.2 模擬工況

在托換基礎(chǔ)上，對初始地應(yīng)力和橋墩荷載進(jìn)行了模擬。利用位移清除函數(shù)，保留了橋梁正常運(yùn)行產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)，消除了圍巖的初始變形。隨后，建立托換結(jié)構(gòu)，包括原始樁和隧道開挖。具體施工階段見表2。

表2 模擬施工程序

3.3 橋梁樁的變形分析

一般來說，橋梁下方有地鐵隧洞時，橋梁樁基的存在會改變地層的結(jié)構(gòu)，從而影響地鐵隧道的施工過程。

（1）橋梁樁的豎向變形。部分橋梁荷載通過托換梁轉(zhuǎn)移至下層土層。托換樁承受偏心荷載，樁體隨后承受壓縮變形。因為它與托換梁相連，所以樁頂高度會受該變形影響。樁側(cè)土體的摩阻力隨深度增加而增大，樁身豎向位移從樁頂開始逐漸減小。該樁為嵌巖樁，樁底變形約為樁頂變形的33%。圖4顯示了不同工況下橋梁樁的垂直變形云圖。

圖4 橋樁垂直變形的云圖

由圖5可知，由于樁基礎(chǔ)自重較大，其沉降小于1mm。第三種情況是托換結(jié)構(gòu)垂直變形的主要階段，其沉降約為3.5mm。樁切割后，原樁應(yīng)力釋放，切割處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中。鉆孔后，原始樁會向該位置移動約3mm。

圖5 樁基礎(chǔ)施工中不同工況下樁基垂直變形

（2）橋梁樁的水平變形。托換梁在橋墩荷載作用下出現(xiàn)彎曲變形，托換樁頂部向內(nèi)彎曲。樁身中部的水平位移偏離中心荷載，其變形趨勢隨深度的增加而減小。遠(yuǎn)處橋梁樁結(jié)構(gòu)向托換中心移動。當(dāng)移除原始樁時，托換梁的下部支撐減小，但撓度增大。由于原始樁的應(yīng)力釋放，梁的兩端和樁頂向內(nèi)彎曲，托換樁向外移動。圖6顯示了不同工況下橋梁樁的水平變形云圖。

圖6 橋樁水平變形的云圖

圖7顯示，在建造托換結(jié)構(gòu)的情況下，整體位移會朝向中心。在樁頂內(nèi)側(cè)觀察到最大變形，約為0.4mm。打樁會導(dǎo)致橋梁下部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大水平變形，對周圍支撐系統(tǒng)有很大影響。托換梁兩端的向內(nèi)位移約為1.1mm。鑿位托換樁均向外移動0.6 mm，樁身位移呈弓形。

圖7 樁基礎(chǔ)施工過程中不同工作條件下樁基的水平變形

3.4 地表沉降影響面積

在樁基托換施工和隧道施工過程中，土壤會因為施工過程而導(dǎo)致地表發(fā)生沉降以及相應(yīng)的應(yīng)力重新分布現(xiàn)象。高架橋的正常運(yùn)行也受到這些活動的影響。圖8和圖9顯示，地表沉降基本上符合沉降槽的U形曲線。最大沉降位于現(xiàn)有樁帽附近，約4.8mm。影響范圍為托換梁外4m，范圍外沉降小于0.5mm。

圖8 地表沉降和變形的云圖

圖9 不同條件下地表沉降的變形圖

3.5 隧道穿越托換樁基產(chǎn)生的變形效應(yīng)

在本項目中，托換樁位于隧道拱頂上方沉降曲線拐點附近。因此，由位置關(guān)系可知，隧道開挖會在一定程度上對樁身造成影響。圖10和圖12分別顯示了隧道開挖后樁基在不同方向上的變形云圖。

圖10 隧道開挖后樁基垂直變形云

圖12 隧道開挖后樁基的管道沉降量變化圖

圖11顯示，隧道開挖對垂直方向上橋梁樁基發(fā)生形變的影響不大。在隧道開挖過程中，土壤應(yīng)力重新分布，隧道下部土壤反彈。托換樁向上位移約0.2mm，沉降約4.1mm。

圖11 隧道開挖后樁基水平變形云

圖13顯示，隧道開挖后，橋梁樁的水平變形基本保持不變。但是，由于隧道附近土壤的應(yīng)力釋放和樁體兩側(cè)土壤壓力的不平衡，大多數(shù)樁會向隧道側(cè)移動約0.2mm的距離。在上部土體重量和下部土體回彈的作用下，隧道兩側(cè)的土體會被壓縮。隧道水平軸處的樁進(jìn)一步偏離隧道，向外位移約為0.5mm。根據(jù)要求每個部件的變形不應(yīng)超過5mm。因此，本工程的變形控制滿足這一要求。

圖13 隧道開挖后樁基水平變化圖

數(shù)值分析結(jié)果表明，樁基礎(chǔ)在樁土和隧道開挖過程中，在土壓力作用下會向隧道移動。隧道兩側(cè)可設(shè)置隔離樁，以充分承受土壓力，保護(hù)托換樁。地面沉降峰值出現(xiàn)在托換部位，尤其是管段和圍巖之間。建議在隧道段預(yù)留灌漿孔，并在周邊地層灌漿。

4 結(jié)語

本文研究了地鐵隧道交叉施工條件下高架橋樁托換的力學(xué)行為和變形特征，模擬了樁托換和盾構(gòu)隧道施工過程。然后，基于模擬結(jié)果分析了托換結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并驗證了所提方案的可行性。最后，提出了相應(yīng)的管理措施。本文得到的主要結(jié)論如下：（1）在樁基托換過程中，由于周圍土體的沉降，托換結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。托換結(jié)構(gòu)建立后，樁身位移以弓形發(fā)生，托換梁兩端向橋墩位移。因此，在施工期間，應(yīng)密切監(jiān)測托換梁兩端和樁頂?shù)乃轿灰啤４驑镀陂g，每個結(jié)構(gòu)的垂直位移明顯增加，其值約為3mm。應(yīng)在樁頂和托換梁中心加強(qiáng)沉降監(jiān)測。（2）盾構(gòu)隧道開挖期間，托換結(jié)構(gòu)基本保持相同形狀。隧道開挖引起的樁基礎(chǔ)水平位移比初始狀態(tài)增加約30%，受隧道開挖影響較大。（3）地表沉降曲線呈U形，主要影響區(qū)為托換梁外4m。隧道上方出現(xiàn)最大沉降，約為4.8mm。（4）通過數(shù)值分析驗證了人工打樁的可行性。考慮到樁托換施工的高風(fēng)險性，結(jié)合數(shù)值分析給出了相應(yīng)的管理措施。