張召，鮑凱，張文一，賈龍飛，王文慧

（北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082）

1 引言

城市軌道交通對于城市經(jīng)濟發(fā)展和解決城市擁堵問題具有較好的促進作用，可以有效加快城市的發(fā)展進程，同時地下軌道交通也提升了人們出行的效率。而地鐵建造過程中不可避免地要遇到建筑物或橋梁的樁基，在無法更改地鐵線路走向的情況下，主要采用的施工方法為托換樁基技術，但目前我國對于托換樁基技術的研究處于發(fā)展階段。

目前，已經(jīng)有較多的專家學者在托換樁基技術的研究中取得了較為豐碩的成果。丁紅軍等[1]以廣州地鐵工程為研究對象，提出了小樁遂距狀況下加固、樁基托換的施工技術，并結(jié)合實際的施工現(xiàn)狀提出了相應的施工對策；邊浩[2]以濟南地鐵工程為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法分析了托換樁基施工后系統(tǒng)的受力及變形狀況；何文鋒[3]以實際地鐵工程為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法分析了被動式托換樁基時的樁體受力和變形狀況，得出了考慮原樁體承載力和土體的壓縮性的情況下更接近實際的工程應用；周詩俊[4]結(jié)合廣州、深圳和香港地區(qū)的托換樁基工程，分析了托換樁基技術的施工要點，提出了托換樁基較為詳盡的施工方案；唐新權[5]以西安北客站至機場城際軌道項目為研究對象，對大軸力的樁基托換工程施工方案進行分析，詳細描述了大軸力的樁基托換工程的施工工藝及監(jiān)測管理要求。周海軍[6]以南京地鐵工程為研究對象，分析了該工程樁基托換設計與施工的重點與難點，并通過現(xiàn)場監(jiān)測驗證了該方案的可行性；周濟民[7]以北京地鐵項目為研究對象，提出了樁基托換以及盾構(gòu)直接切樁的施工工藝，并采用三維數(shù)值模型分析對橋梁樁基的影響規(guī)律。

基于前人的研究，本文利用Midas 有限元軟件構(gòu)建高架橋托換樁基的數(shù)值分析模型，分析盾構(gòu)施工對地面、高架橋原樁基、托換樁基變形的影響規(guī)律。

2 工程概況

本文以某地鐵隧道工程下穿高架橋工程為研究對象。由于地鐵隧道工程下穿高架橋樁基部分，需要采用托換樁技術進行施工。具體施工步驟如下：

1）鉆孔灌注樁施工。在樁基周圍埋設護筒，將綁扎預制好的鋼筋通過吊機吊入，再進行澆筑混凝土施工，進而完成鉆孔灌注樁的施工。

2）基坑開挖。將基坑分為3 個施工段，并使用鋼筋網(wǎng)和混凝土支護。

3）樁基托換施工。在原樁基周圍綁扎連接鋼筋并鋪設鋼筋網(wǎng)澆筑混凝土，形成支撐托換梁，并將托換梁與托換樁基進行固結(jié)施工。

4）截樁施工。待托換梁與托換樁基達到設計強度后，采用機械拆除原有高架橋樁基，上部傳遞的荷載由托換梁和托換樁基承擔。

5）基坑回填。待施工完成后在托換梁體上布設防水材料，進而將回填土回填入基坑內(nèi)，完成托換樁的整體施工。

3 三維有限元模型

利用有限元軟件構(gòu)建高架橋托換樁基的數(shù)值模型，模型使用M-C 準則，依據(jù)實際工程特點，建立的模型尺寸分別為：長90 m、寬20 m、高41 m，隧道結(jié)構(gòu)埋深11.03 m，盾構(gòu)隧道直徑5.0 m，注漿層厚0.15 m，利用直徑2 m 的樁基托換原直徑1.5 m 的樁基，建立的承臺結(jié)構(gòu)尺寸為6 m×3 m×1.5 m（長×寬×高），設置了以下4 種工況：托換樁基與隧道邊緣水平距離為1.0 m（工況一）、1.5 m（工況二）、2.0 m（工況三）、4.0 m（工況四）。有限元模型示意圖如圖1 所示。

圖1 有限元模型示意圖

4 數(shù)值結(jié)果分析

當原樁基截斷后，對于4 種工況下的托換樁基的豎向、水平位移變化云圖如圖2～圖5 所示。

圖2 樁洞水平距離為1.0 m 的托換樁基豎向、水平位移圖

圖3 樁洞水平距離為1.5 m 的托換樁基豎向、水平位移圖

圖4 樁洞水平距離為2.0 m 的托換樁基豎向、水平位移圖

圖5 樁洞水平距離為4.0 m 的托換樁基豎向、水平位移圖

4.1 對托換樁基的影響

分析圖2～ 圖5 可以發(fā)現(xiàn)，工況一中，托換樁基的最大水平位移值為5.6 mm，最大豎向位移為2.0 mm；工況二中，托換樁基的最大水平位移值為5.4 mm，最大豎向位移為2.2 mm；工況三中，托換樁基的最大水平位移值為5.0 mm，最大豎向位移為2.4 mm；工況四中，托換樁基的最大水平位移值為3.7 mm，最大豎向位移為2.3 mm。對比分析以上模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不同樁洞距條件下托換樁基豎向位移值相差較小，原因在于托換樁基為端承型樁，因而，不同樁洞距條件下樁體的豎向位移差別較小。不同樁洞距條件下托換樁基水平向位移值相差較大，隨著樁洞距的增大，樁體的水平位移值逐漸減小，而規(guī)范規(guī)定樁體的水平位移值應當保證在6.0 mm 以下，因而在經(jīng)濟等因素的控制下，合理地布置樁洞間距可以有效減小托換樁基的水平位移。

4.2 對原有樁基的影響

分析圖2～圖5，不同工況條件下也會引起原有原樁基的位移，工況一中，原樁基的最大水平位移值為3.0 mm，最大豎向位移為2.0 mm；工況二中，原樁基的最大水平位移值為2.8 mm，最大豎向位移為1.7 mm；工況三中，原樁基的最大水平位移值為2.7 mm，最大豎向位移為2.3 mm；工況四中，原樁基的最大水平位移值為2.8 mm，最大豎向位移為3.2 mm。分析變化的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著樁洞距的增大。樁體的位移值呈現(xiàn)增大的變化趨勢，但各工況原樁體位移之間的差異較小，原樁體在截斷后有向內(nèi)的位移變化趨勢，這主要是由于托換樁基變形對土體的擠壓作用進而引起原樁體向內(nèi)的位移。

不同樁洞距對于樁體、地表的差異化影響主要體現(xiàn)在托換樁基的水平位移，而換樁體的豎向位移、原樁體位移受樁洞距的影響較小。樁洞距越大，托換樁基的水平位移值越小，但增大樁洞距的同時會增加上部托換梁的面積，隨之增大工程的造價。綜合經(jīng)濟性和托換樁體、原樁體的位移，當樁洞距為1.5 m 時，不僅可以有效減小托換樁體、原樁體的沉降值，還可以保證工程的經(jīng)濟性原則，因而，樁洞距為1.5 m 時具有較好的質(zhì)量保證與工程效益。

5 結(jié)論

通本研究基于有限元軟件構(gòu)建高架橋托換樁基的數(shù)值分析模型，主要得到以下結(jié)論：

1）樁洞距對托換樁基水平位移的影響較大，樁洞距越大，樁體的水平位移越小，不同樁洞距對樁體豎向位移的影響較??；

2）原樁基隨著盾構(gòu)隧道的開挖逐漸向內(nèi)產(chǎn)生位移，隨著樁洞距的增大，原樁基的位移逐漸增大，但位移的影響較小；

3）綜合考慮經(jīng)濟性和樁體的位移等因素，當樁洞距為1.5 m 時具有較好的效果。