摘要 隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，地鐵隧道與公路、市政橋梁等建構(gòu)物的基礎(chǔ)交叉已經(jīng)無(wú)法避免，樁基托換的技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用與，托換技術(shù)已經(jīng)非常成熟［1-3］。根據(jù)類(lèi)似的案例，橋樁托換對(duì)既有橋梁的影響也是可控的。以廣州市軌道交通十三號(hào)線(xiàn)二期工程西松區(qū)間段廣清立交進(jìn)城高架橋43#墩橋梁樁基托換為背景，詳細(xì)論述了地鐵隧道施工過(guò)程對(duì)既有高架橋的影響，同時(shí)從托換聯(lián)橋梁上部結(jié)構(gòu)受力、托換樁基承載力及不均勻沉降實(shí)測(cè)值對(duì)橋梁樁基托換方案合理性論證，最終確定適用于本項(xiàng)目的橋梁樁基托換方案。

關(guān)鍵詞 軌道交通； 地鐵隧道； 樁基托換； 承載力； 不均勻沉降

中圖分類(lèi)號(hào) U452.2+5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0引言

隨著城鎮(zhèn)化水平不斷提高，我國(guó)地下軌道建設(shè)事業(yè)取得了顯著的成果，城市地鐵運(yùn)營(yíng)里程飛速增長(zhǎng)。也正是因?yàn)檫@樣，在城市建設(shè)用地稀缺的背景下，新建地鐵路線(xiàn)方案多選用地下區(qū)間隧道方案。在建及規(guī)劃的地鐵線(xiàn)路與既有城市高架橋梁樁基沖突的案例正逐年增多，本文主要研究了地鐵隧道下穿對(duì)既有臨近橋梁樁基的影響及樁基主動(dòng)托換方案［4-7］。

1工程概況

廣州市軌道交通十三號(hào)線(xiàn)二期工程西松區(qū)間屬于城市地下隧道，采用盾構(gòu)法施工。在K6+869.4處廣清進(jìn)城高架橋43#橋墩A樁與區(qū)間左線(xiàn)相沖突。進(jìn)城高架橋第十二聯(lián)（42～48#）（6×25+2.95）m采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋面寬度9.5 m，左腹板高1.71 m，右腹板高1.6 m?；炷罜50，鋼束均采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa，腹板束15Φ15.24 mm，頂板束、底板束均采用5Φ15.24 mm，張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa。荷載采用汽超20，掛-120。既有樁基為承臺(tái)樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)25.8 m，樁徑1.3 m，承臺(tái)尺寸為2.5 m×2.5 m×2 m。需對(duì)此部分樁基進(jìn)行托換，樁基托換采用主動(dòng)托換方式處理。托換結(jié)構(gòu)形式采用技術(shù)較成熟的“托換新樁+托換大梁”組成的“門(mén)字架托換體系”。托換樁采用鉆孔灌注樁，樁徑1.3 m、樁長(zhǎng)28 m、端承樁，共2根。隧道埋深17.884 m，無(wú)軟基處理，隧道左線(xiàn)與廣清進(jìn)城高架橋的夾角為11.1°，隧道右線(xiàn)與廣清立交進(jìn)城高架橋的夾角為7.3°，廣清進(jìn)城高架橋梁既有樁基與地鐵隧道平立面及剖面關(guān)系如圖1～圖3所示。

擬采用對(duì)既有廣清立交進(jìn)城高架橋43#墩A樁樁基進(jìn)行托換加固。托換承臺(tái)與隧道中心線(xiàn)方向夾角為100°，分別采用2根直徑Φ1.3 m樁，樁帽尺寸為2.5 m×2.5 m ×1.5 m，托換梁尺寸為長(zhǎng)13.4 m×寬2.5 m×厚2.8 m，托換梁頂標(biāo)高為4.8。

2有限元計(jì)算模型

2.1隧道施工對(duì)高速橋梁影響有限元模型

本文采用巖土工程領(lǐng)域研發(fā)的通用大型有限元分析軟件MIDAS/GTS NX分別對(duì)西松區(qū)間隧道穿越前后高架橋樁的基軸向應(yīng)力、豎向及水平位移、路基沉降和承載能力驗(yàn)算。計(jì)算模型中土體、承臺(tái)、盾殼、注漿層采用實(shí)體單元，管片、鋼板樁采用2D板單元，鋼支撐、樁基采用1D梁?jiǎn)卧Ｆ渲泄芷穸葹?.3 m，鋼板樁按抗彎剛度等效為均勻厚度0.16 m的鋼板，鋼支撐采用直徑0.4 m、壁厚8 mm的鋼管。三維有限元數(shù)值計(jì)算中的地層和相關(guān)結(jié)構(gòu)的具體幾何參數(shù)為實(shí)際設(shè)計(jì)值，物理力學(xué)參數(shù)的選取參考地勘、設(shè)計(jì)文件和設(shè)計(jì)資料獲得。計(jì)算中，各土層采用修正摩爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型，回彈模量均取為彈性模量的3倍；隧道襯砌采用彈性模型，各材料的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

計(jì)算模型中不建立上部結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，橋墩、橋面及路面荷載以集中力或均布荷載的形式施加在樁基承臺(tái)上，經(jīng)上部結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，43#墩處上部結(jié)構(gòu)荷載為5 669.8 kN，橋墩自重為504.4 kN，計(jì)算模型中，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程產(chǎn)生的施工荷載主要包括掘進(jìn)推力，注漿壓力和千斤頂推力，其中掘進(jìn)推力作用于盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面，取為120 kN/m²；注漿壓力作用于盾尾后的第一個(gè)節(jié)段，取120 kN/m²；千斤頂推力作用于管片側(cè)面，取1 200 kN/m。

為模擬盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿廣清高速的施工過(guò)程，本次數(shù)值計(jì)算中的施工過(guò)程為：

（1）激活土層，模型的四周和底部的邊界條件為法向約束，地表為自由邊界條件，在自重條件下求解至平衡，位移清零。

（2）施工樁基及承臺(tái)，施加上部結(jié)構(gòu)荷載，求解至平衡，位移清零。

（3）施工基坑鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

（4）施工支撐與基坑開(kāi)挖體系。

（5）施工托換樁、托換承臺(tái)、樁帽等。

（6）進(jìn)行盾構(gòu)開(kāi)挖工序。

圖4為建立完成的三維計(jì)算模型圖；圖5為橋梁與隧道相對(duì)位置關(guān)系，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與隧道相對(duì)位置關(guān)系及隧道下穿橋梁樁位如圖6、圖7所示。其中X軸方向?yàn)樗椒较?、Y軸正方向?yàn)樗淼篱_(kāi)挖方向、Z正方向豎直向上。考慮到隧道埋深較淺，模型建立時(shí)依據(jù)隧道力學(xué)知識(shí)，考慮隧道開(kāi)挖的影響范圍及盡量減少邊界效應(yīng)，確定模型尺寸為60 m×50 m×60 m。模型中地層及厚度自上而下依次為素填土1.4 m，強(qiáng)風(fēng)化粉細(xì)砂巖、石英砂巖9.4 m，全風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖、泥巖、粉細(xì)砂巖6.0 m，強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖、泥巖17.2 m，微風(fēng)化石灰?guī)r11.0 m。最終計(jì)算模型共劃分為37 266個(gè)單元，16 031個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2托換聯(lián)所屬上部橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型

通過(guò)隧道施工對(duì)既有橋梁樁基產(chǎn)生的豎向位移作為不均勻沉降對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算指標(biāo)均按原設(shè)計(jì)規(guī)范JTJ 021-89《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》執(zhí)行，采用橋梁博士V3建立上部結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，在驗(yàn)算模型中，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為94個(gè)，梁?jiǎn)卧獢?shù)量均為93個(gè)，有限元模型如圖8所示。

3計(jì)算結(jié)果分析

本文主要分析了托換前橋梁樁基受力、托換后橋梁樁基受力、托換前后橋梁墩頂變形。

3.1托換前橋梁樁基受力

圖9為三維計(jì)算中進(jìn)城高架橋42#～44#原有樁基在托換前的最大軸向應(yīng)力圖，圖中受壓區(qū)應(yīng)力值為負(fù)。

根據(jù)圖9計(jì)算結(jié)果可知，42#橋墩樁基的最大軸向應(yīng)力為1.26 MPa，43#橋墩樁基的最大軸向應(yīng)力為0.92 MPa，44#橋墩樁基的最大軸向應(yīng)力為1.62 MPa。

3.2托換后橋梁樁基受力分析

圖10所示為三維計(jì)算中，進(jìn)城高架橋42#～44#原有樁基在托換后的最大軸向應(yīng)力圖，圖中受壓區(qū)應(yīng)力值為負(fù)。

圖11所示為三維計(jì)算中，盾構(gòu)隧道通過(guò)后，進(jìn)城高架橋42#～44#樁基的最大軸向應(yīng)力圖，圖中受壓區(qū)應(yīng)力值為負(fù)。

從圖9～圖11中可以看出，原有樁基托換前后橋樁最大軸向應(yīng)力變化不大，各組橋墩下橋樁應(yīng)力分布較均勻，均小于5 MPa，滿(mǎn)足要求，詳見(jiàn)表2。

3.3托換前后橋梁墩頂變形分析

圖12、圖13分別為三維計(jì)算中，進(jìn)城高架橋42#～44#原有樁基的豎向位移云圖和水平位移云圖。圖14、圖15分別為隧道通過(guò)后，進(jìn)城高架橋42#～44#樁基的豎向位移云圖和水平位移云圖，圖中沉降變形值為負(fù)。

根據(jù)以上結(jié)果進(jìn)行匯總，可知樁頂各階段最大豎向位移值，詳見(jiàn)表3。

從上述計(jì)算結(jié)果可知，進(jìn)城高架橋42#-44#樁頂最大豎向位移為-1.650 mm，發(fā)生在43#樁頂，最大水平位移為0.242 mm，發(fā)生在44#樁頂。隧道施工后，縱向相鄰墩臺(tái)不均勻沉降差最大值為1.455 mm，小于2 mm，滿(mǎn)足要求。

3.4托換聯(lián)上部結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

按JTJ 023-85《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算托換聯(lián)原橋上部現(xiàn)澆箱梁承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度和正常使用極限狀態(tài)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。同時(shí)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)43#橋墩支座不均勻沉降：附加2 mm（監(jiān)測(cè)不均勻沉降控制值）進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果如表4～表7所示。

（1）進(jìn)城高架橋第十二聯(lián)（托換樁43#所屬聯(lián)）原橋上部結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果（表4、表5）。

（2）進(jìn)城高架橋第十二聯(lián)（43#樁附加監(jiān)測(cè)值不均勻沉降2 mm）上部結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果（表6、表7）。

4結(jié)論

根據(jù)廣州市軌道交通十三號(hào)線(xiàn)二期工程西松區(qū)間隧道下穿/側(cè)穿廣清高速橋梁段的相對(duì)位置關(guān)系，建立了三維計(jì)算模型，通過(guò)模擬隧道開(kāi)挖施工全過(guò)程，分析了隧道掘進(jìn)過(guò)程中樁基受力與變形等，得出幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）樁基最大軸向應(yīng)力：托換前后橋樁最大軸向應(yīng)力變化不大，各組橋墩下橋樁應(yīng)力分布較均勻，均小于5 MPa，滿(mǎn)足要求。

（2）樁頂位移：樁頂最大豎向位移為-1.650 mm，發(fā)生在43#樁頂。最大水平位移為0.242 mm，發(fā)生在44#樁頂。隧道施工后，縱向相鄰墩臺(tái)不均勻沉降差最大值為1.455 mm，小于2 mm，滿(mǎn)足要求。

通過(guò)對(duì)廣清高速43#墩托換樁基對(duì)應(yīng)上部結(jié)構(gòu)第十二聯(lián)承載能力及正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果可知：考慮43#樁基不均勻沉降2 mm工況后，上部主梁跨中抗彎承載能力幾乎沒(méi)有變化，而墩頂抗彎承載力降低約5%。正常使用階段主梁正截面拉應(yīng)力增加約0.45 MPa，主拉應(yīng)力幾乎未發(fā)生變化，在荷載組合Ⅱ作用下法向壓應(yīng)力和主壓應(yīng)力均增大0.43 MPa，均在但是均能滿(mǎn)足85規(guī)范拉應(yīng)力限值。

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