被动式桥梁桩基托换技术在兰州地铁中的应用

崔爱华

(兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州　730000)



被动式桥梁桩基托换技术在兰州地铁中的应用

崔爱华

(兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州730000)

摘要:兰州市轨道交通1号线是从西向东通过兰州市蜂腰地段的一条主干交通线路，横贯中心城区。1号线地铁隧道下穿既有鱼儿沟桥，与其桩基相互影响，故隧道施工前必须对鱼儿沟桥进行桩基托换。本文采用有限元软件MIDAS/GTS建立三维有限元模型，对隧道下穿鱼儿沟桥的开挖以及切桩过程进行了数值模拟，分析了隧道开挖和切桩过程中桩基和土层的力学行为。计算结果表明:既有鱼儿沟桥通过地面桩基托换，洞内截桩后，地表沉降、桩基沉降、桩基受力均满足规范要求，桩基托换方案合理可行。

关键词:区间隧道桩基托换数值模拟轨道交通

兰州轨道交通1号线下穿既有鱼儿沟桥，为尽量减少对城市主干道的影响，同时减少周围拆迁及管线改移，节省投资，设计采用桩基托换技术。虽然在国内地铁建设中遇到的建筑物桩基托换工程越来越多，但在饱和黄土地区，因黄土具有显著的湿陷性和高压缩性，故桩基托换工程实例相对较少。本文通过数值模拟计算，分析了隧道开挖和切桩过程中桩基和土层的受力状态，研究了桩基托换的可行性，以期为同类工程的设计、施工提供参考。

1　工程概况

兰州市轨道交通1号线拱星墩至焦家湾区间沿兰州市东岗东路铺设，区间隧道采用矿山法施工。区间出拱星墩站后，沿东岗东路铺设，穿过鱼儿沟后以半径450 m的曲线向东北偏转，继续沿道路下方铺设，最后进入焦家湾站。区间隧道与既有鱼儿沟桥桩基相互影响，故需对鱼儿沟桥进行改造。鱼儿沟桥与地铁区间隧道位置关系如图1所示。

图1兰州地铁1号线与鱼儿沟桥相对位置关系(单位: cm)

2　桩基托换设计

桩基托换也就是在原有建筑物施作托换梁，将原有的桩与托换梁连接成整体，使上部结构的荷载传给托换梁，然后再通过托换梁传递到托换新桩上，原有桩被新的托换桩所替代，新桩承受上部结构传递的荷载。换句话说，桩基托换就是把原有桩基承受的荷载有效地转移到新的托换结构上。目前桩基托换技术主要有两类:一种是主动托换技术，另一种是被动托换技术。本次桩基托换选择被动式桩基托换。

被动桩基托换是采用梁包桩的方式进行，新筑承台将既有桩包裹，在新增承台的下方设桩基础将新增承台托起，构成新的受力体系。为了降低新旧桩基础的不均匀沉降差，托换桩采用与既有桩基础一致的桩径及桩长，并在受力前对其进行预压。鱼儿沟桥桩基托换如图2、图3所示。

图2桩基托换后桥梁立面(单位: cm)

图3桩基托换后1号桥台(单位: cm)

3隧道下穿桥梁桩基过程仿真分析

3. 1有限元模型的假定

利用有限元软件MIDAS/GTS建立三维有限元模型，模拟隧道开挖和切桩过程。在计算分析的过程中，对模型做了3种假定:①计算中假定围岩连续均匀、各向同性，不考虑岩土的离散特性;②假定桩和衬砌混凝土材料为线弹性材料，土体为弹塑性材料;③土体本构模型采用摩尔—库伦模型。

3. 2边界条件

建立模型时，对所取土层水平方向和竖直方向的位移进行约束，为了避免桩出现刚体位移，对桩竖直方向的转角进行约束。

3. 3荷载的施加

施加的荷载为各部分结构的自重和每根桩桩顶的轴力。

3. 4施工阶段的实现

MIDAS/GTS中施工阶段主要是通过对网格组的激活与钝化(挖除)实现的，为了准确模拟地面桩基托换施工、隧道开挖以及切桩过程，同时考虑开挖对桩的最不利影响，隧道开挖采用左右隧道同时开挖和支护的方式，开挖一步支护一步。其中一次开挖最长距离为1. 17 m，最短为1 m，开挖方向为从西至东，共分22个施工步骤。

主要施工顺序为:①施工新建桩基;②施工承台;③利用承台对新建桩基进行预压;④将承台与新建桩基进行连接;⑤开挖隧道;⑥截断对隧道有影响的桩基。

3. 5计算参数的选取

根据地质勘察报告及钻孔资料，为了建模计算的方便，本模型对土层进行了简化，忽略了层厚较薄的卵石土，鱼儿沟沟底以下部分均为黄土状土层。隧道的开挖形式为全断面开挖，隧道的断面形式近似圆形，为了建模的方便，取隧道断面为圆形。土层计算参数见表1。

表1黄土状土层的物理参数

3. 6有限元模型的建立

根据以上参数，建立三维有限元模型，模型取鱼儿沟桥梁西侧的桩和土层，所取土层顺桥向长度为18. 94 m，横桥向宽度为50 m，土层厚度取鱼儿沟沟底至桩底以下6 m处，土采用实体单元，桩采用二维线弹性梁单元，衬砌采用板单元。为了精确计算，隧道开挖及桩影响区域网格划分采用了局部加密。

土体有限元网格模型见图4，桩与隧道的相对关系模型见图5。

图4土体有限元网格模型

图5桩与隧道的相对关系模型

3. 7计算结果与分析

1)拱顶沉降

计算结果表明，拱顶最大沉降发生在隧道初期支护完成后，右隧道的拱顶沉降21. 0 mm，在地铁隧道最大预留变形量范围内。

2)地表沉降

计算结果表明，地表最大沉降发生在左右隧道之间的地表，最大沉降10. 5 mm，满足地铁隧道最大地表沉降不超过10 cm的要求。

3)桩基沉降

所有施工步完成之后，沉降最大的桩为既有4'号桩，其桩顶总沉降达到了9. 7 mm。相邻桩顶总沉降差最大的是新增3号、7号桩，总沉降差为2. 2 mm。根据我国《公路桥涵地基与基础设计规范》( JTG D63—2007)中4. 3条对墩台基础沉降的规定，鱼儿沟桥跨径25 m，要求桩顶总沉降不得超过10 cm，相邻桩顶总沉降差不得大于5 cm，因此从控制承台和桩基沉降的角度来看，对该桥采用地面桩基托换、洞内截桩的施工方案是可行的。

4)桩身内力

从实施地面桩基托换至洞内截桩，桩基受力变化主要分为初始阶段、施工新桩及承台阶段、切除左右隧道桩基阶段和施作左右隧道衬砌阶段4种阶段。

在初始阶段，既有桩顶轴向应力最大，桩处于受压状态，最大压应力为2. 77 MPa。

施工新桩及承台后，结构体系发生了变化，既有桩与承台固结，对新增承台施加了偏心荷载，导致新增桩处于受拉状态，最大拉应力为0. 12 MPa。最大压应力发生在既有4'号桩上，压应力为2. 88 MPa。

切除左右隧道桩基后，被切除的4根桩的轴向力通过承台的沉降传递给新增的桩基。应力重新分布后，最大压应力发生在既有4'号桩上，最大压应力为3. 61 MPa。

施作左右隧道衬砌阶段，最大压应力3. 66 MPa，最大拉应力0. 17 MPa，位置与切桩后相同。

托换新桩的混凝土强度等级为C50，既有桩的混凝土强度等级为C25，桩身应力较小，桩基不会发生破坏。

5)桩底轴力

在桩基托换过程中，各阶段的桩底内力见表2～表4。

表2第1排桩关键施工阶段桩底轴力kN

表3第2排新增桩关键施工阶段桩底轴力　kN

表4第3排新增桩关键施工阶段桩底轴力　kN

从表2～表4可以看出，施工完新桩和承台后，原有桩的荷载通过新增承台部分传递到新增桩上，其中分担荷载最大的是第3排的新增10号桩，桩底轴力为73. 9 kN;在切除左右隧道桩基后荷载重新分配，被切除的4根桩的荷载转移到其它桩上，荷载在该施工阶段变化最为剧烈，桩底轴力增长最大的是第2排新增8号桩，增加量为331. 6 kN。切除左右隧道桩基后，桩底轴力最大的为既有4'号桩，其值为1 143. 9 kN。设计的单桩承载力为4 739 kN，桩基托换过程中承载力满足要求。

4　结论

既有鱼儿沟桥通过地面桩基托换，洞内截桩后，地表沉降、桩基沉降、桩基受力均满足规范要求，桩基托换方案从力学性能上分析是可行的。关键技术可供同类工程的设计、施工参考。

参考文献

［1］崔江余，蓝戊已，吴如军，等．建筑物托换技术［M］．北京:中国建筑工业出版社，2013．

［2］周志伟．深圳地铁大轴力桩基托换技术［J］．铁道建设，2003( 4) : 39-41．

［3］中华人民共和国铁道部．TB 10002. 2—2005铁路桥涵地基和基础设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2005．

［4］毛学锋，许智焰，胡京涛．深圳地铁3号线广深铁路桥梁桩基托换设计［J］．铁道工程学报，2012，3( 2) : 91-95．

［5］孙海．桩基预应力平衡托换的理论研究与应用［D］．上海:同济大学，2000．

［6］MASUDA Y，MINOSHIMA T，MAKINO H．Large-scale Underpinning for an Underground Urban Railway Station［J］．Tunneling and Underground Space Technology，1992，7( 2) : 133-140．

［7］杨哲峰．桩基托换技术在广州地铁工程中的应用［J］．铁道建筑，2004( 7) : 50-52．

［8］冯卫星，曹金文．地铁施工中的桩基托换技术［J］，石家庄铁道学院学报，2000，13( 3) : 79-81．

［9］陈玉明．深圳地铁桩基托换［M］．北京:中国铁道出版社，2006．

［10］李勇．地下加层工程中托换基础与上部结构共同作用性能研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2005．

(责任审编葛全红)

Application of passive-type bridge pile foundation underpinning technology in Lanzhou metro

CUI Aihua

( Lanzhou Railway Survey and Design Institute Co．，Ltd．，Lanzhou Gansu 730000，China)

Abstract:As the main transport corridor in Lanzhou，the No．1 transit line extends from the west to the east，running through the most crowded downtown area of the city．As the metro tunnel passes under the existing Yu'ergou bridge，the pile foundations of the two inevitably interplay，in which case enhancement treatment is needed before the construction．Applying the finite-element software M IDAS/GT S，a 3D finite-element model was built to carry out numerical simulation on the mechanical behavior of the piles and the soil layer amid tunnel excavation and pile cutting．T he results indicate that enhancement treatment is a valid solution，which by underpinning ground piles and cutting piles in the tunnel ensures that ground subsidence，foundation settlement and force-bearing of piles all meet the requirement concerned．

Key words:Interzone tunnel; Pile foundation underpinning; Numerical simulation; Urban rail transit

文章编号:1003-1995( 2016) 02-0076-04

作者简介:崔爱华( 1983—)，女，工程师，硕士。

收稿日期:2015-10-10;修回日期: 2015-11-20

中图分类号:U443．16+3

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．19