隧道開挖對非對稱托換樁基工程特性的影響研究

史策輝

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州510010）

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

國內(nèi)學者結合實際工程對樁基托換技術在工程實踐中的應用作了一定的研究[8-15]。李文等[10]基于實際工程介紹了高架橋墩樁基托換工程施工監(jiān)測技術的應用情況；潘明亮[11]基于三維數(shù)值有限元軟件ABAQUS驗證了主動托換方案在高層建筑物地下室樁基托換工程中的可靠性;張文強等[12]研究了交叉重疊隧道施工對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號線盾構區(qū)間建筑物樁基托換工程，研究了樁基托換設計、施工的全過程特性；周冠南等[14]基于成都地鐵盾構隧道近距離穿越某短樁基-框架結構工程，采用三維數(shù)值有限元軟件研究了隧道穿越施工對房屋樁基及框架結構的影響。

綜合目前國內(nèi)樁基托換工程的研究現(xiàn)狀，既有文獻所報道的樁基托換工程多基于對稱性樁基托換工程，即托換荷載位于或基本處于托換樁基的中間位置。對于該類型的樁基托換工程，由于兩側托換樁基所受荷載相對均勻，因此托換樁基間的差異沉降可以忽略。而對于非對稱情況下樁基托換工程，由于托換荷載嚴重偏向一側，將導致靠近托換荷載的樁基其所承擔的荷載要遠高于另一側，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構的正常使用。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稱情況下，由于隧道開挖引起的托換樁基變形及內(nèi)力分布特性，并分析樁-隧距離對托換樁基工程特性的影響，相關研究結果可供實際工程借鑒參考。

1 工程概況

1.1 項目概述

八一橋是南昌市重要的交通樞紐，橋身為雙獨塔雙索面扇形密索體系鋼筋混凝土預應力斜拉橋。工程由主橋、引橋、引道三部分組成，全長約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。八一橋南引橋為城市互通式立體交叉系統(tǒng)。八一橋南引橋共有三層，首層為原地面。匝道的上部結構主要為現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱梁，跨度在15～22m之間，下部結構墩身以圓柱形為主，樁基采用Φ1.2～Φ1.5m鉆孔灌注樁，為端承樁，樁尖嵌入中風化巖層。因在建地鐵2號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，需托換原八一橋南引橋部分樁基，在建2號線與八一橋南引橋平面關系如圖1所示。

圖1 在建地鐵線與八一橋南引橋平面關系圖

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）鋼筋砼大梁。托換樁樁端比隧道底深不小于1m，且進入微風化巖層不少于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計主要通過它們相互之間的咬合、界面處理和植筋實現(xiàn)。安裝千斤頂預頂前托換梁和樁頂均預留鋼筋，待預頂完成后，將樁、梁預留鋼筋焊接，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匝道在樁基托換過程中存在較大的荷載偏心情況，即上部橋墩荷載嚴重靠近一側托換樁基，導致兩側托換樁基受力不均衡，有可能導致托換梁產(chǎn)生一定的傾斜變形，從而影響上部橋梁結構的正常使用，因此本文將重點研究F9匝道非對稱托換下樁基內(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～壓實，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，局部含少量粉細砂，粘性一般，切面較光滑，韌性中等。

＜3-2＞細砂：淺黃色、灰黃色、灰白色，飽和，稍密～中密，礦物成分以石英為主，長石次之，級配一般，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，磨圓度好，礦物成分以石英為主，長石次之，含少量圓礫。

＜5-1-2＞中風化泥質(zhì)粉砂巖：紫紅、暗紅、褐紅色，巖石風化強烈，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，局部夾有少量中風化碎塊，巖體破碎、巖質(zhì)軟。單軸天然抗壓強度為8.74 MPa，軟化系數(shù)0.32。巖體基本質(zhì)量等級為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研究非對稱條件下地鐵隧道開挖對托換樁基內(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強度準則。托換樁基、連梁及隧道襯砌結構為鋼筋混凝土結構，剛度較大，應力應變基本符合彈性關系，其所采用的本構模型為彈性模型。模型各部件及相關材料參數(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，同時為了研究托換樁與隧道間距離對托換樁內(nèi)力及變形特性的影響，分別設置了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-隧道相對尺寸及影響范圍，確定模型尺寸為長×寬×深=50m×11.6m×45m，模型計算結果表明該尺寸滿足邊界條件要求。模型的邊界條件設定如下：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體單元，類型為8節(jié)點減縮積分單元（C3D8R），共有節(jié)點數(shù)27145，單元數(shù)23492。

圖4 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分圖

2.3 數(shù)值模擬過程

采用有限元模擬襯砌等支護結構時，襯砌單元的激活時機很重要，若在開挖區(qū)域移除之前激活，不符合真實工況，若在單元移除后進行，則土體變形過大，起不到支護的作用。通常而言，解決這個問題有兩種方式。第一種是在襯砌施工前，降低開挖區(qū)土體的模量，以此來模擬應力釋放效應，第二種是事先對開挖區(qū)施加節(jié)點約束，地應力平衡后逐步放松約束，將節(jié)點力加到相應節(jié)點上，并隨時間遞減，遞減到某一程度時激活襯砌單元。本文選用第一種方式建模。具體的分析步如下：

分析步1：初始地應力平衡（包括托換樁基部分）。

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

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挖，研究托換樁基內(nèi)力及變形變化特性。

3 有限元計算結果分析

3.1 變形云圖

如圖5所示為樁隧距離為1m時隧道開挖結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)為明顯的不對稱性，在靠近托換荷載一側的樁基其變形大小要大于另外一側變形情況，從而使得在托換梁上會產(chǎn)生一定程度的傾斜變形，因此對于非對稱條件下的樁基托換工程，尤其應當注意由于荷載分布不均勻所導致的傾斜變形。

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，其中水平位移正負號與模型整體坐標一致，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際工程要求。對于位于隧道開挖深度附近范圍內(nèi)，左右兩側樁基均表現(xiàn)為朝隧道外側的“擠出”變形特點，這可能是因為由于隧道豎直方向上荷載較大，導致隧道兩側產(chǎn)生側向擠脹變形。此外，從圖中可以看出，樁-隧距離越小，樁身側向水平變形越大，但增長幅度有限。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)濟性，本工程實際采用的1m樁-隧間距方案能較好符合實際工程需要。

圖6 不同工況下樁身水平位移圖（a）左側；（b）右側

3.3 樁頂差異沉降

如前所述，對于非對稱條件下樁基托換工程，由于托換樁頭所承擔的荷載差異，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)，按照托換梁平均長度11.6m計算，其傾斜度為0.8‰，滿足工程實際要求。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，這可能是因為隨著樁間距的增大，托換梁重量也逐漸增大，導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。隧道兩側樁身最大彎矩值均大致位于600～800kN·m之間，當樁-隧距離小于1m時，樁身最大彎矩值有著較為明顯的增長。

圖8 不同工況下樁身彎矩分布圖（a）左側；（b）右側

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，從圖中可以看出對于靠近托換荷載一側的樁基（左側），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，應當布置足夠的連接構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；（b）右側

4 結論

本文基于南昌市八一橋南引橋樁基托換工程，通過數(shù)值有限元程序研究了非對稱條件下地鐵隧道開挖對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)值模擬結果主要有以下幾點結論：

（1）在非對稱荷載托換條件下，托換樁基樁頭會產(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的樁頭會產(chǎn)生較大的彎矩及剪力分布，在設計中應當布置可靠的橫向連接構件以保證托換樁基與托換梁之間的可靠連接。