盾构掘进对高架桥桩基变形影响的研究

张召，鲍凯，张文一，贾龙飞，王文慧

（北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082）

1 引言

城市轨道交通对于城市经济发展和解决城市拥堵问题具有较好的促进作用，可以有效加快城市的发展进程，同时地下轨道交通也提升了人们出行的效率。而地铁建造过程中不可避免地要遇到建筑物或桥梁的桩基，在无法更改地铁线路走向的情况下，主要采用的施工方法为托换桩基技术，但目前我国对于托换桩基技术的研究处于发展阶段。

目前，已经有较多的专家学者在托换桩基技术的研究中取得了较为丰硕的成果。丁红军等[1]以广州地铁工程为研究对象，提出了小桩遂距状况下加固、桩基托换的施工技术，并结合实际的施工现状提出了相应的施工对策；边浩[2]以济南地铁工程为研究对象，采用数值模拟的方法分析了托换桩基施工后系统的受力及变形状况；何文锋[3]以实际地铁工程为研究对象，采用数值模拟的方法分析了被动式托换桩基时的桩体受力和变形状况，得出了考虑原桩体承载力和土体的压缩性的情况下更接近实际的工程应用；周诗俊[4]结合广州、深圳和香港地区的托换桩基工程，分析了托换桩基技术的施工要点，提出了托换桩基较为详尽的施工方案；唐新权[5]以西安北客站至机场城际轨道项目为研究对象，对大轴力的桩基托换工程施工方案进行分析，详细描述了大轴力的桩基托换工程的施工工艺及监测管理要求。周海军[6]以南京地铁工程为研究对象，分析了该工程桩基托换设计与施工的重点与难点，并通过现场监测验证了该方案的可行性；周济民[7]以北京地铁项目为研究对象，提出了桩基托换以及盾构直接切桩的施工工艺，并采用三维数值模型分析对桥梁桩基的影响规律。

基于前人的研究，本文利用Midas 有限元软件构建高架桥托换桩基的数值分析模型，分析盾构施工对地面、高架桥原桩基、托换桩基变形的影响规律。

2 工程概况

本文以某地铁隧道工程下穿高架桥工程为研究对象。由于地铁隧道工程下穿高架桥桩基部分，需要采用托换桩技术进行施工。具体施工步骤如下：

1）钻孔灌注桩施工。在桩基周围埋设护筒，将绑扎预制好的钢筋通过吊机吊入，再进行浇筑混凝土施工，进而完成钻孔灌注桩的施工。

2）基坑开挖。将基坑分为3 个施工段，并使用钢筋网和混凝土支护。

3）桩基托换施工。在原桩基周围绑扎连接钢筋并铺设钢筋网浇筑混凝土，形成支撑托换梁，并将托换梁与托换桩基进行固结施工。

4）截桩施工。待托换梁与托换桩基达到设计强度后，采用机械拆除原有高架桥桩基，上部传递的荷载由托换梁和托换桩基承担。

5）基坑回填。待施工完成后在托换梁体上布设防水材料，进而将回填土回填入基坑内，完成托换桩的整体施工。

3 三维有限元模型

利用有限元软件构建高架桥托换桩基的数值模型，模型使用M-C 准则，依据实际工程特点，建立的模型尺寸分别为：长90 m、宽20 m、高41 m，隧道结构埋深11.03 m，盾构隧道直径5.0 m，注浆层厚0.15 m，利用直径2 m 的桩基托换原直径1.5 m 的桩基，建立的承台结构尺寸为6 m×3 m×1.5 m（长×宽×高），设置了以下4 种工况：托换桩基与隧道边缘水平距离为1.0 m（工况一）、1.5 m（工况二）、2.0 m（工况三）、4.0 m（工况四）。有限元模型示意图如图1 所示。

图1 有限元模型示意图

4 数值结果分析

当原桩基截断后，对于4 种工况下的托换桩基的竖向、水平位移变化云图如图2～图5 所示。

图2 桩洞水平距离为1.0 m 的托换桩基竖向、水平位移图

图3 桩洞水平距离为1.5 m 的托换桩基竖向、水平位移图

图4 桩洞水平距离为2.0 m 的托换桩基竖向、水平位移图

图5 桩洞水平距离为4.0 m 的托换桩基竖向、水平位移图

4.1 对托换桩基的影响

分析图2～ 图5 可以发现，工况一中，托换桩基的最大水平位移值为5.6 mm，最大竖向位移为2.0 mm；工况二中，托换桩基的最大水平位移值为5.4 mm，最大竖向位移为2.2 mm；工况三中，托换桩基的最大水平位移值为5.0 mm，最大竖向位移为2.4 mm；工况四中，托换桩基的最大水平位移值为3.7 mm，最大竖向位移为2.3 mm。对比分析以上模拟结果可以发现，不同桩洞距条件下托换桩基竖向位移值相差较小，原因在于托换桩基为端承型桩，因而，不同桩洞距条件下桩体的竖向位移差别较小。不同桩洞距条件下托换桩基水平向位移值相差较大，随着桩洞距的增大，桩体的水平位移值逐渐减小，而规范规定桩体的水平位移值应当保证在6.0 mm 以下，因而在经济等因素的控制下，合理地布置桩洞间距可以有效减小托换桩基的水平位移。

4.2 对原有桩基的影响

分析图2～图5，不同工况条件下也会引起原有原桩基的位移，工况一中，原桩基的最大水平位移值为3.0 mm，最大竖向位移为2.0 mm；工况二中，原桩基的最大水平位移值为2.8 mm，最大竖向位移为1.7 mm；工况三中，原桩基的最大水平位移值为2.7 mm，最大竖向位移为2.3 mm；工况四中，原桩基的最大水平位移值为2.8 mm，最大竖向位移为3.2 mm。分析变化的数据可以发现，随着桩洞距的增大。桩体的位移值呈现增大的变化趋势，但各工况原桩体位移之间的差异较小，原桩体在截断后有向内的位移变化趋势，这主要是由于托换桩基变形对土体的挤压作用进而引起原桩体向内的位移。

不同桩洞距对于桩体、地表的差异化影响主要体现在托换桩基的水平位移，而换桩体的竖向位移、原桩体位移受桩洞距的影响较小。桩洞距越大，托换桩基的水平位移值越小，但增大桩洞距的同时会增加上部托换梁的面积，随之增大工程的造价。综合经济性和托换桩体、原桩体的位移，当桩洞距为1.5 m 时，不仅可以有效减小托换桩体、原桩体的沉降值，还可以保证工程的经济性原则，因而，桩洞距为1.5 m 时具有较好的质量保证与工程效益。

5 结论

通本研究基于有限元软件构建高架桥托换桩基的数值分析模型，主要得到以下结论：

1）桩洞距对托换桩基水平位移的影响较大，桩洞距越大，桩体的水平位移越小，不同桩洞距对桩体竖向位移的影响较小；

2）原桩基随着盾构隧道的开挖逐渐向内产生位移，随着桩洞距的增大，原桩基的位移逐渐增大，但位移的影响较小；

3）综合考虑经济性和桩体的位移等因素，当桩洞距为1.5 m 时具有较好的效果。