饱和黄土区地铁隧道穿越桥梁桩基托换技术研究

朱金涌

(兰州铁道设计院有限公司，兰州　730000 )



饱和黄土区地铁隧道穿越桥梁桩基托换技术研究

朱金涌

(兰州铁道设计院有限公司，兰州730000 )

摘要：在城市轨道交通中，地下工程往往需要穿越上部建筑物，为了保证建筑物安全正常使用，托换技术已成为解决城市建设施工的一种有效方法。在饱和黄土地区，由于黄土特殊的工程性质，桩基托换工程实例相对较少。以兰州市轨道交通1号线地铁隧道下穿既有市政桥梁为工程背景，详细介绍桩基托换设计方案，并建立三维有限元模型，进行数值分析。研究隧道开挖和切桩过程中地表沉降、桩基沉降和托换桩基受力机制，验证托换方案的可行性。研究结果表明：地表最大沉降为10.5 mm，桩基最大沉降量为9.7 mm，相邻桩基沉降差最大值为2.2 mm，满足相关规范要求。托换后桩底轴力为1 143.9 kN，小于单桩设计承载力4 739 kN，在初始阶段、新增承台及桩基、切除左右隧道内桩基及最后阶段衬砌左右隧道，托换桩基承载力均满足要求。

关键词：轨道交通；饱和黄土；桩基托换；数值模拟

1概述

随着轨道交通的快速发展，地铁的修建往往会碰到需要下穿或从既有建筑物、桥梁结构或重要的历史建筑物旁边通过的情况，为了保证建筑物安全正常使用，托换技术已成为解决城市建设施工的一种有效方法[1-2]。在地铁工程中，托换技术是一种重要的主动保护建筑物的方法，与其他保护方法相比，基础托换结构体系受力更直接、明确，可定量地解决隧道开挖引起的建筑物沉降问题，在北京、上海、深圳、南京、哈尔滨等城市地铁施工修建过程中已被广泛采用[3-8]。在西安、兰州、西宁等西部城市轨道交通的快速发展中，在黄土地区进行既有建筑物的基础托换已成为科学研究和工程实践的重要课题。但由于托换技术研究在我国起步较晚，在黄土地区工程实践中被托换的对象一般是房屋建筑物，基本上不承受冲击荷载的作用，相关文献报道不多。童明华[9]介绍了在湿陷性黄土地区工业与民用建筑方面，采用托换技术的工程实例。李世伟等[10]简要介绍了西安地铁建设工程的桩基托换技术应用，并对关键技术做了阐述。王寒冰等[11]通过分析某地块的建筑物地基基础沉降原因，采用托换微型桩法对该建筑物进行加固，并对该建筑物进行托换加固设计。

饱和黄土是指饱和度大于80%，湿陷性已退化了的黄土。由于饱和黄土具有孔隙比大、含水率高、强度低、压缩性强、承载力差、呈软塑或流塑状态的物理力学特性，所以在饱和黄土场地进行桩基托换设计与施工，桩基侧阻力更低，承载力也急剧减小，同时，周围土体的塑性变形影响范围更大，增大施工风险和技术难度。

因此，针对兰州市轨道交通1号线下穿既有市政桥梁桩基托换技术，采用有限元数值软件，对托换桩基桩—承台体系受力转换机理进行力学性能分析，研究

地铁开挖过程中地表沉降、桩基沉降变化规律，以期对同类工程的设计及施工提供借鉴和参考。

2工程概况与地质条件

2.1工程概况

兰州市轨道交通1号线拱星墩—焦家湾区间是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，沿东岗东路敷设，穿过鱼儿沟后以R=450 m的曲线向东北偏转，继续沿道路下方敷设，最后进入焦家湾站。区间隧道与既有鱼儿沟桥桩基相影响，故对鱼儿沟桥需进行改造，鱼儿沟桥与地铁区间隧道位置关系如图1及图2所示。鱼儿沟桥为1跨20 m预应力混凝土空心板梁桥，上部结构为预应力混凝土空心板，梁高0.9 m，每片中梁宽度1. 25 m，每片边梁宽度1.5 m，全桥共设22片中梁，2片边梁。下部结构采用桩接盖梁式桥台，桩径1.2 m，桩长17 m，每个桥台下设8根桩基。区间隧道在桥址处下穿，与鱼儿沟桥梁桩基冲突，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。

图1　平面位置示意

图2　地铁与既有鱼儿沟桥相对位置关系(单位：cm)

2.2工程地质条件

土体物理力学指标见表1。

表1　土体物理力学指标

3桩基托换设计

所谓基础托换，就是采用新增加基础工程的方法，对既有建筑物某一部位的基础结构进行部分或者完全替换，并与原有基础共同承担上部荷载，以取得预期的沉降和沉降差控制效果[12]。目前桩基托换技术主要类型有两种，一种是主动托换技术，另一种是被动托换技术[13]。

兰州市轨道交通1号线下穿鱼儿沟桥梁桩基托换选择被动式桩基托换，为减少托换施工对道路交通的影响和降低新旧桩基础的不均匀沉降差，本次托换工程的托换桩均布置于烂泥沟桥下洪道内，桥梁桩基托换采用整体托换，被托换桩的一侧，见图3(图中虚线为新建桩基础，影响部分为被托换的桩基础)，托换桩采用直径1.2 m的钻孔灌注桩，桩长12 m，与既有桩基

础保持一致，同时对托换桩基础进行预压，每个承台下布置13 根，托换桩桩顶设置钢筋混凝土刚性承台将既有桥梁基桩和托换桩连接成整体，让其共同参与受力，托换后桥梁立面布置见图4。

图3　托换后桥梁平面布置(单位：cm)

图4　托换后桥梁立面布置(单位：mm)

4隧道下穿桥梁桩基数值分析

4.1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，对模型做了如下几种假定[14]：

(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，土体为弹塑性体；

(3)土体本构模型采用摩尔—库伦模型(Mohr-Coulomb Model)；

(4)承台以上的土体按照均布荷载考虑。

4.2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，隧道的断面形式为近视圆形，为了建模的方便，取隧道断面为圆形，土层计算参数如表2所示。

表2　黄土状土物理力学参数

4.3边界条件

在有限元建模时，把土层边界方向的位移约束取为水平和竖直方向，而对于桩而言，约束Rz方向，从而防止在求解桩时出现刚体转动。

4.4隧道施工方法及过程

本区间地铁隧道采用矿山法施工，暗挖隧道施工应先降水、后施工。洞内支护采用双层小导管注浆预加固，增设临时仰拱，初期支护钢格栅间距加密为0.5 m。施工时遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的基本原则。

4.5有限元模型的建立

根据以上参数，建立三维有限元模型，模型取烂泥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，土层厚度取烂泥沟沟底至桩底以下6 m的深度范围，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，为了计算的精确，隧道开挖及桩影响区域网格划分采用了局部加密，有限元模型见图5、图6。

图5　土体有限元网格模型

图6　桩与隧道的相对关系模型

4.6计算结果分析

(1)地表沉降

计算结果表明，地表最大沉降发生左右隧道中间的地表，最大沉降为10.5 mm，满足《城市轨道交通工程监测技术规范》[15]关于地铁隧道最大地表沉降不超过20 mm的要求。

(2)桩基沉降

(3)桩基受力分析

桩基受力分以下4种工况进行，即初始阶段、新增承台及桩基、切除左右隧道内桩基及最后阶段衬砌左右隧道，初始阶段桩基轴向应力云图见图7，最后阶段桩基轴向应力云图见8。

图7　初始状态桩基轴向应力云图

图8　最后阶段桩基轴向应力云图

分析图7和图8，可以得出施工完托换桩和承台后，原有桩的荷载通过新增承台传递到托换桩基，托换桩基承担原有桩的一部分荷载，其中分担荷载最大的桩底压力荷载为73.1 kN；在切除完左右隧道桩基后，被切除的4根桩的荷载通过承台传递给托换桩基，荷载在本施工步骤变化最为剧烈，荷载增长最大为304.6 kN，切除完隧道内的桩基后，桩底轴力1 143.9 kN。设计的单桩承载力为4 739 kN，桩基托换后满足承载力要求。

通过以上计算结果可以看出，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时可行的。

5结语

在饱和黄土地区，由于黄土其特殊的工程性质，桩基托换工程实例相对较少。本论文通过数值模拟计算，分析了隧道开挖和切桩过程中地表沉降、桩基沉降和托换桩基受力机制，验证了托换方案的可行性，所取得的相关结论可对同类工程的设计、施工提供技术参考与支持。

参考文献：

[1]王毅才.隧道工程[M].北京:人民交通出版社，2000.

[2]吕剑英.我国地铁工程建筑物基础托换技术综述[J].施工技术，2010，39(9):8-12.

[3]黄欣.北京地铁10号线黄庄站—科南路站桩基托换施工技术[J].铁道标准设计，2009(9):71-74.

[4]徐前卫，朱合华，马险峰，等.地铁盾构隧道穿越桥梁下方群桩基础的托换与除桩技术研究[J].岩土工程学报，2012(7):1217-1226.

[5]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):91-96.

[6]董道海.哈尔滨地铁博龙区间既有地下商场结构托换数值计算分析及施工技术[J].隧道建设，2014，34(10):967-974.

[7]吴筑海，付晋申，余家林.南京南站北广场跨越地铁隧道的基础设计[J].建筑结构，2013，43(16):100-102.

[8]刘建卫.盾构穿越城市建(构)筑物桩基的施工技术研究[J].铁道标准设计，2010(2):113-118.

[9]童明华.托换技术在湿陷性黄土地区的应用实例[J].工业建筑，1989(3):54-56.

[10]李世伟，张长浩.湿陷性黄土隧道桩基托换应用及潜在问题思考[J].中国房地产业，2011(2):28.

[11]王寒冰，魏焕卫，白世和.某基础沉降原因分析及托换加固处理[J].四川建筑科学研究，2015(2):124-128.

[12]崔江余.建筑物托换技术[M].北京：中国建筑工业出版社.2013.

[13]中国工程建设协会.CECS295：2011建(构)筑物托换技术规程[S].北京：中国计划出版社，2011.

[14]王海涛.MIDAS/GTS岩土工程数值分析与设计[M].大连：大连理工大学出版社，2013.

[15]北京城建勘测设计研究院.GB 50911—2013城市轨道交通工程监测技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2013.

[16]中华人民共和国交通运输部.JTG D63—2007公路桥涵地基与基础设计规范[S].北京:人民交通出版社，2007.

Research on Technology of Metro Tunnel Crossing Bridge Pile Foundation Underpinning in Saturated Loess District

ZHU Jin-yong

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

Abstract：During urban rail transit engineering， the underground works need to underpass structures on the ground. In order to ensure the safety and normal service of the buildings， underpinning has become an effective way in urban engineering， but there is only a few such engineering practice due to unique properties of the loess. Based on the engineering of railway tunnel crossing existed municipal bridge of Lanzhou rail transit line 1， pile foundation underpinning design scheme is introduced in detail and the three-dimensional finite element model is established to conduct numerical analysis. The surface subsidence， settlement of pile foundation， and force mechanism of pile foundation underpinning are studied in the process of tunnel excavation and cutting stakes to verify the feasibility of the underpinning program. Research results show that the maximum ground settlement is 10.5 mm， the maximum pile foundation settlement is 9.7 mm and the maximum settlement difference between the adjacent pile foundations is 2.2 mm， which satisfy the requirements of relevant specifications. The pile axial force is 1 143.9 kN after underpinning， less than the designed bearing capacity 4 739 kN for a single pile. The underpinning pile foundation bearing capacities， measured in the initial stage， when new caps and pile foundations are added， pile foundations are cut off in the left and right tunnels and the final tunnel lining is applied， all meet specifications.

Key words：Rail transit; Saturated loess; Pile foundation underpinning; Numerical simulation

中图分类号：U451

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.04.019

文章编号：1004-2954(2016)04-0078-04

作者简介：朱金涌(1983—)，男，工程师，2010年毕业于兰州交通大学桥梁与隧道工程专业，工学硕士，E-mail：149585463@qq.com。

基金项目：中铁第一勘察设计院集团有限公司科研开发计划课题(院科15-33)

收稿日期：2015-08-12； 修回日期：2015-09-07