盾构隧道下穿既有建筑基础加固方法研究

刘宗族 （中铁二十四局集团安徽工程有限公司，安徽 合肥 230001）

1 引言

随着地铁的大规模修建，地铁下穿既有建筑物的情况越来越多。为保证人民生命及财产安全，地铁下穿既有建筑时，需要控制盾构施工对周围环境的扰动，保持既有建筑的稳定性，因此需要对既有建筑基础进行加固[1]。对于使用独立基础的既有建筑，常采用树根桩、锚杆静压桩、桩梁托换等加固方式。每种加固方式的施工速度、成本及对围岩稳定性的影响各不相同[2-3]，对各种基础加固方式的研究已有一些成果。对于树根桩，王辉等[5]通过对地基承载力不足和建筑荷载增加两种情况下的树根桩基础加固进行复合桩基受力分析，发现树根桩穿过基础并在基础底部扩大桩径能有效改善加固效果；王文宇等[4]对某房屋地基的树根桩加固设计及施工工艺进行研究，结果表明树根桩对房屋的加固效果良好。对于锚杆静压桩，吴江斌等[6]研究了低净空条件下锚杆静压桩对筏板基础加固的施工方法和影响效果，验证了锚杆静压桩对筏板基础加固的有效性；刘冬[7]对某邻近深基坑的历史保护建筑基础采用锚杆静压桩加固的方式进行了有限元分析，并将分析数据与监测数据对比，说明了采用锚杆静压桩加固方法进行基础加固能够保证建筑的稳定性。对于桩梁托换方法的研究则更加深入，王浩[8]从托换方案选择、设计要点、施工工艺、结构的监控等方面对国内最大托换轴力的深圳地铁下穿百货广场工程进行了介绍，为国内类似工程建设提供了丰富的经验；祝玉麒[9]通过理论分析、结构试验及有限元分析等方法对桩梁托换技术中被托换桩与托换梁连接界面的粘结滑移机理、托换结构的力学性能以及截桩顺序对托换结构的力学响应等方面进行了研究，厘清了桩基托换中一些力学机制问题；金方方等[10]对某地铁盾构穿越桥梁桩基进行研究发现，桥面和筏板的最大变形发生在中跨，并得到了能够使结构刚性增强和能量消耗达到理性平衡的筏板厚度。

不同的基础加固方法已经得到了广泛应用，相较其他几种方法，桩梁托换在地铁隧道下穿既有建筑时对既有建筑基础加固的应用已相对成熟，而加大基础尺寸、树根桩、锚杆静压桩对此类工程的应用较少。本文针对合肥地铁1 号线下穿合肥站项目特点，结合现场实际情况，对树根桩、锚杆静压桩以及桩梁托换加固方式进行比较，分析三种不同方法在地铁盾构下穿既有建筑时应用的可行性和加固效果。

2 工程概况

合肥市轨道交通1 号线三期工程瑶海公园站～合肥站区间，采用盾构法施工。线路出瑶海公园站后，沿二环路下穿香江国际佳元7 栋居民楼后，再下穿合肥火车站无柱雨棚、站场股道及合肥火车站站房到达合肥站。区间起点里程为K16+052.901，终点里程为K16+858.170，长约805.3m，采用盾构法施工。区间隧道从1 号线一、二期已建成的合肥火车站出站后，直接下穿合肥站房，在隧道下穿影响范围内的站房基础一共55 座，其中独立基础32 座、人工挖孔扩底墩基23 座，下穿桩基6 根，位于盾构区间影响区域内的桩共有12 根（影响区域按区间往外6m 考虑），区间隧道与站房基础平面图如图1所示。

图1 隧道与站房基础平面图

站房内盾构隧道下穿时需加固的独立基础底埋深为5.1～7.5m，隧道顶部距离需加固的独立基础底部5.84～7.62m，隧道直径6m，隧道与独立基础的位置关系剖面示意图如图2所示。

图2 隧道与独立基础位置剖面图

3 加固方案比选

3.1 模型尺寸及参数

采用ABAQUS 有限元模拟软件进行数值模拟，对比三种加固方法下盾构隧道开挖对独立基础的扰动影响，通过综合对比独立基础的受力情况以及竖向和水平位移来优选最佳的加固方案。在受盾构隧道扰动影响范围内需加固的独立基础中，底面尺寸最小为2.0m×2.4m，最大为8.0m×10.5m，多数基础的长度与宽度尺寸集中在4±1m 范围内，因此独立基础底面尺寸取4m×4m，高度1m，立柱尺寸为1m×1m。土体尺寸为长30m、宽30m、深60m，避免土体边界效应对结构产生影响，土体四个侧面约束水平位移，底面固定。参考图2盾构隧道与独立基础的相对位置关系，基础埋深5m，盾构隧道直径6m，隧道顶面距离独立基础底面7m。独立基础材料采用C40 混凝土，独立基础上部立柱与土体表面平齐，立柱顶面施加10MPa 的压强模拟基础受力。土体依照工程勘测报告分为5 层，分别为杂填土、粉质黏填土、黏土、粉质黏土以及全风化泥质砂岩，土体使用Mohr-Coulomb 弹塑性屈服准则模拟，土体、独立基础以及各种加固结构均用实体单元模拟，所设置的各土层深度及各材料参数如表1所示。

表1 土层及材料参数

3.2 拟使用的加固方案

3.2.1 树根桩

拟使用的树根桩加固方案，树根桩采用竖直桩体，桩径0.3m，共计16 根树根桩均匀排布于独立基础立柱四周，桩中心距离独立基础几何中心的X 与Y 方向的水平距离均为1.2m，桩顶平齐独立基础上表面，穿过基础插入土中。由于下方即是盾构隧道，应使桩与隧道保持安全距离，树根桩穿过基础后向下插入土体4m，桩底距离隧道顶部竖向距离3m。树根桩使用实体单元模拟，材料为C40，树根桩与基础接触部分进行绑定约束，与土体为摩擦接触。模型示意图如图3所示。

图3 模型示意图

3.2.2 锚杆静压桩

拟使用的锚杆静压桩加固方案，由于锚杆静压桩施工过程中，在独立基础上开设压桩孔洞后需要将桩体压入土体中，考虑到土体的挤土效应，相关规范中控制了布设桩的数量以及位置要求，因此方案采用四根边长为0.3m 的方形桩进行基础加固，四根桩分布于基础的四个角，桩中心距离独立基础几何中心的X 与Y 方向的水平距离均为1.2m，桩的材料、插入土体深度以及桩与土体的接触均与上述树根桩保持一致，不再赘述。模型示意图如图3所示。

3.2.3 桩梁托换

拟使用的桩梁托换加固方案，在地面以下1m 进行托换，托换梁尺寸为长10m、宽2m、高1.2m，托换桩桩径0.4m，桩长44m，桩顶中心距离基础几何中心水平距离4m，托换梁与托换桩均用C40材料模拟。托换梁与基础立柱进行绑定约束，托换梁与托换桩设置硬接触，除此之外，立柱、基础、托换梁与托换桩和土体之间均为摩擦接触。模型示意图如图3所示。

4 模拟数据分析

4.1 应力分析

图4 为分别在不进行加固、树根桩加固、锚杆静压桩以及桩梁托换加固下基础的应力情况，在树根桩和锚杆静压桩加固的情况下。立柱相比不加固的情况下稍有增大，最大应力分别为10.08MPa 和10.35MPa。而在桩梁托换加固的情况下，立柱所受压力向托换梁传递，再由托换梁向托换桩传递，基础承受的应力急剧下降，立柱与托换梁均在材料受力的安全范围内，托换桩由于与土体的摩擦作用，其受力均位于桩的中上部，而由于托换梁受压产生向下的挠度，使得桩顶部应力主要集中在桩的内侧，桩顶内侧最大应力达到了33.90MPa，未超过混凝土材料强度。

图4 模型应力计算结果

4.2 位移分析

模型计算结果显示在盾构开挖过程中基础的水平位移均控制在10-5m 尺度内，三种加固方法下基础在水平方向受到的扰动较小、竖直方向受到的扰动较大。以基础在盾构掘进方向的法向上基础底面中轴线各个节点距离基础底面中点的距离为横坐标，以节点的竖向位移为纵坐标，将结果绘制于图5 并分析基础在不同加固方式下的沉降情况。

图5 模型位移计算结果

图5（a）为基础在不进行加固、树根桩加固以及锚杆静压桩加固的情况下，基础在盾构掘进方向的法向上基础底面中轴线各个节点的竖向位移。可以看出，若不对基础进行加固就进行盾构开挖，基础将产生较大的沉降（接近26.5mm），因此对基础进行加固是有必要的。而使用树根桩和锚杆静压桩对基础进行加固后，基础的沉降有所改善，但沉降仍然较大，锚杆静压桩加固后基础沉降减小到25.8mm 左右，树根桩加固后基础沉降减小到24.2mm 左右，远达不到稳定性要求。图5（b）为桩梁托换加固下基础的沉降情况，可以看出，使用桩基托换加固后，基础的沉降明显下降，沉降最大不到1mm，同时基础的边缘沉降会略小于基础中心，可以满足基础稳定性的要求。由于用树根桩和锚杆静压桩受到基础下方盾构隧道的位置限制，因此无法增大桩伸入土体的深度，同时基础将一部分应力传递到桩基，再由桩基传递到下方土体，隧道上方的土体沉降后会引起上部结构整体沉降，而桩梁托换通过将基础受到的力传递给托换梁再传递给盾构隧道两侧和下方的土体，因此能够有效减小基础的沉降。

5 结论

本文依托合肥轨道1 号线下穿合肥火车站项目基础加固工程，使用数值模拟的方法对比了不加固、树根桩加固、锚杆静压桩加固以及桩梁托换加固这4 种情况下盾构开挖对上部既有结构包括应力与位移的扰动影响，主要结果如下。

①对比未加固基础的情况，树根桩与锚杆静压桩两种加固方法，上部立柱与基础的受力状态基本相同，均在安全范围内。而使用桩梁托换进行基础加固后，上部立柱与基础的受力均大幅减小，上部荷载转由下部托换桩承受，由于托换桩与土体存在摩擦，托换桩受力集中在桩身中上部，且由于托换梁受力，梁中部产生向下的挠度，两端挤压托换桩使托换桩内侧应力大于外侧，最大应力（33.90MPa）出现在桩顶内侧，在安全范围内。

②盾构开挖将不会在基础的水平方向产生太大的扰动，若不对基础进行加固，盾构开挖时基础将产生较大沉降。使用树根桩与锚杆静压桩进行加固，可以降低基础的沉降，但效果不明显，而使用桩梁托换进行加固可以有效降低基础的沉降。

③由于树根桩加固和锚杆静压桩加固无法有效控制基础的沉降，而桩梁托换在减小立柱与基础受力的同时还能很好地控制基础的沉降，因此推荐在合肥轨道1 号线下穿合肥火车站项目基础加固工程中使用桩梁托换技术对基础进行加固。