地铁车站开挖对桥梁托换桩基变形的影响研究

地铁车站开挖对桥梁托换桩基变形的影响研究

余志刚

天津路桥建设工程有限公司

摘要：为了能够减小地铁车站基坑开挖对桥梁桩基的影响，便于进行车站基坑影响管线的改移，采用了扩大承台的桩基托换技术。该文采用数值模拟技术，通过分析基坑分步开挖过程中桩基沉降、基坑变形和托换桩基的受力机制，验证托换方案的可行性。研究结果表明：采用该方案完成的基坑开挖，保证了上部桥梁结构的安全。

关键词：桩基托换；基坑开挖；地铁车站；桩基变形

引言

为了解决交通拥堵问题，国内各大城市开始了地铁修建，地铁在城区穿越，将会对周边环境产生影响。目前，大多数地面建筑是采用桩基作为基础，而邻近地下工程在开挖过程中，会对桩基的承载力产生不利影响，相关的技术人员也对托换施工过程中的一些关键技术进行了总结。

1工程概况

拟建张槎站为佛山市城市轨道交通二号线一期工程第五座车站，与佛山轨道交通四号线及广佛环线城际铁路换乘。张槎站所在的季华路为东西向主干道，规划道路宽60m，现状道路宽45m，为双向八车道，车流量大，现状交通繁忙。车站横穿禅西大道海口互通立交桥下方。禅西大道立交桥为高架双线曲线公路桥，桥梁分为主线左、右幅桥，每幅桥宽13.25m，左、右幅主桥间净距约1m，11#~15#墩为预应力连续箱梁，桥梁下部结构桥墩均采用矩形四角导圆的截面形式，基础采用ϕ1.8m的钻孔灌注桩，桩长27m。桥下段车站覆土约3.2m，基坑深约17.35m，基坑总宽50.3m。13#墩位于基坑中央，因此13#桥墩下方的桩基在车站基坑的开挖深度范围内将被挖空。

2桩基托换方案

基础托换技术，是指利用新增加的基础，对已有建筑的基础进行部分或者全部替换，以保证上部结构在施工过程中不发生过大的沉降和变形。该项目上部桥梁结构为双线曲线公路桥，受力复杂，结构变形敏感。而拟托换的13#墩桥桩为摩擦端承桩，由于桩身在基坑开挖范围内的土体被移除，使得桩基承载力显著下降，因此采用托换技术消除车站开挖对上部桥梁结构安全的不利影响。为了在车站开挖过程中将上部桥梁结构的变形控制在安全范围内，桩基托换采用主动托换技术，在13#墩柱两侧平行于原桩新增12根托换桩。临时托换桩位置对应于箱梁腹板位置，采用钻孔灌注桩，直径1200mm，桩长30m，采用C30水下混凝土浇筑。由于增加了12根托换桩，所以原有承台需要扩大，作为托换桩与桥梁墩柱的连接结构。扩大的承台和托换桩基布置图如图1所示。

图1临时托换钢立柱布置示意图（单位：mm）

2.1桩基托换实施阶段

此阶段主要施工步骤为：管线迁改及交通疏解→13#墩临时顶升系统及应急顶升系统布置→加强桩施工（钻孔灌注桩）→对称放坡开挖→施工新建高桩承台→完成加强桩的主动加强→撤销应急顶升系统。

2.2地铁车站实施阶段

此阶段主要施工步骤为：地连墙槽壁加固→地下连续墙及临时立柱施工→主体基坑对称开挖（随开挖施工支撑及横系板）→开挖至基坑底→车站主体回筑→回填覆土→恢复桥梁支座→恢复管线及交通。

3基坑开挖对桩基变形影响的数值模拟

3.1托换桩基的三维数值模型

根据地质勘察报告提供的土体参数，以及梁13#墩下部扩大后的承台与托换桩基的实际尺寸构建了三维模型。为了能准确模拟基坑开挖对托换桩基变形的影响并在此基础上兼顾计算效率，桩基周边土体取27m×13.7m×35m（长×宽×高），桩基嵌入中风化层7m，桩基底部到模型下边界取5m。模型的构建过程如下：托换桩基采用实体单元模拟，在土体和桩基的接触面上建立接触单元。承台位于模型中央，承台与桩基设置为刚性连接。模型的上部边界设置为自由边界，各个侧面和底部边界都为法向约束边界。整体模型共46080个单元，51438个节点。模拟过程如下：首先构建整体模型，并分层建立桩与各层土体之间的接触面单元；施加约束条件；将Mo-hr-Coulomb材料属性赋值给围岩，将弹性实体材料属性赋值给承台与桩单元，以及接触面单元成功赋值后进行计算；使其达到初始应力状态下的自重平衡；再将节点的位移和速度清零形成初始应力场，再在承台上施加荷载，进行稳定性运算；最后清除位移和速度，再分3步开挖周边土体模拟基坑开挖的3个工况，分析基坑开挖对桩基的影响。

3.2上部荷载计算

根据JTGD63-2007《公路桥涵地基与基础设计规范》，计算基础沉降时，上部结构传至基础底面的荷载应采用正常使用极限状态下作用长期效应组合值。为了模拟弯矩对桩基变形的影响，将弯矩等效为作用在承台单边的集中力。托换过程中为了减小托换桩变形对桥梁上部结构的不利影响，通过托换桩与承台之间设置千斤顶对托换桩进行预加载。该预加载过程中采用在周边6根桩上部施加预应力来模拟，预应力根据千斤顶设置方案取值。为了准确地模拟开挖前模型的应力状况与实际工程状况保持一致，模型在初始应力计算完成以后，分3步进行荷载施加，加载过程如表1所示。这样的荷载施加方法能使加载后的模型整体状况与实际工程状况保持一致，为下一步模拟计算提供基础。

表1荷载施加表

4计算结果分析

4.1位移分析

车站基坑开挖分3步进行：托换桩施工完成后，根据桥梁沉降变化随时调整千斤顶，保证桥梁变形在允许范围内，开挖第一层土体，施作冠梁和第一道混凝土支撑；待第一道混凝土支撑达到设计强度后，开挖两侧基坑土体至第二道支撑底，浇筑腰梁及第二道混凝土支撑；待第二道混凝土支撑达到设计强度后，继续对称开挖两侧基坑土体至第三道支撑底，浇筑腰梁及第三道混凝土支撑、系梁，待第三道混凝土支撑到达设计强度后，开挖基坑土体至坑底。根据实际基坑开挖步骤，基坑开挖的模拟过程也分3步进行，通过分析开挖过程中桩基和周边土体的位移情况，可以分析托换施工过程中桩基的变形规律。在基坑开挖第一阶段的施工过程中，坑底土体隆起，而托换桩基在此过程中发生了少量的竖向位移，如图2所示。当基坑开挖到第二道支撑底部时，基坑底部的隆起表现为两边大、中间小的形式，而桩基出现了0.3mm的沉降。（如图3）第三步开挖到基坑底部后，坑底的隆起最大值达到了10mm，托换桩基的最大沉降值为4mm，如图4所示。根据设计和施工要求，在托换施工过程中托换桩基的沉降要求控制在5mm以内。因此，从控制承台和桩基沉降的角度来看，托换后桩基沉降满足设计和施工要求。

图2开挖第一阶段竖直方向位移等值图（单位：m）

图3开挖第二阶段竖直方向位移等值线图（单位：m）

图4开挖第三阶段竖直方向位移等值线图（单位：m）

4.2应力分析

托换桩基的受力分析也按照基坑开挖的步骤，分为3个阶段进行分

析。在承台上外荷载以及自重荷载的影响下，桩基础受压，由于承台上的外荷载作用，出现了应力集中的现象。桩基的最大压应力发生在桩基与承台连接部分，说明截面的变化导致应力增加。从基坑开挖三阶段的最大主应力图可以看出：基坑开挖导致桥墩下单桩轴力从开挖前的269.9kN增加到522.5kN。桩基轴力增大的主要原因是：①基坑开挖之前桥梁上部荷载由桥墩、桥台和承台底面土体共同承担；基坑开挖之后，由于承台周边土体被挖除，上部荷载全部传递到桩基上，故单桩轴力急剧上升；②由于基坑开挖范围内的桩侧土体被挖除，使得原本桩身暴露部分的侧摩阻力完全消失，上部结构传递下来的荷载完全由托换桩嵌入土层部分的侧摩阻力和桩底的端承力承担。

结语

综上所述，通过采用数值模拟技术，分析了地铁车站基坑开挖对托换桩基的变形和受力的影响，得出在施工过程中必须加强对桩基的应力监测，防止单桩轴力过大导致桩基破坏。

参考文献：

[1]朱金涌.饱和黄土区地铁隧道穿越桥梁桩基托换技术研究[J].铁道标准设计，2016（4）.

[2]孟庆军.成都地铁河中桥梁桩基托换施工技术[J].隧道建设，2011（1）.

[3]JTGD63-2007公路桥涵地基与基础设计规范[S]