城市地铁施工近邻短桩桥基加固效果研究.docx

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城市地铁施工近邻短桩桥基加固效果研究

城市地铁施工近邻短桩桥基加固效果研究

摘要：

结合地铁站西北风道施工对邻近短桩桥基影响的工程问题，运用ABAQUS软件，在对施工过程进行三维动态模拟的同时，针对不同的桥基加固方案，重点研究施工过程中桥基的变形和受力性态以及桩土相互作用机理，并将部分计算结果与量测结果进行比较。

研究表明，桩基托换能够有效地减少施工期间桥基的沉降；通过地面支撑减载以及在短桩底部进行局部注浆加固处理不能有效地减少施工对桥基的沉降影响。

所取得的研究成果为该工程施工提供决策和指导作用，也可供类似工程参考。

关键词：

城市地铁施工；短桩桥基；加固效果；桩-土相互作用；ABAQUS

引言

随着城市地铁工程在我国的大量修建和快速发展，近邻桥梁基础进行地铁施工的工程案例已经越来越多，如何确保施工过程中近邻桥梁的安全，已成为亟待解决的现实难题［1］。

在建的地铁站位于既有立交桥下，车站洞室在国贸桥下基础之间穿过，施工期间桥梁的安全便成为地铁站工程施工的关键和控制因素，而施工期间桥梁的安全问题主要是由于施工导致桥梁基础变位所引起的，因此，研究地铁站施工对桥梁的影响主要是研究施工对桥梁基础的变位影响。

国贸站工程影响范围内桥基密布，但就桥基桩长以及与结构的相对位置而言，主要分为短桩桥基、中长桩桥基、长桩桥基、长-短桩结合桥基等4种类型，其中，短桩桥基属于最不利情况。

为了确保施工期间短桩桥基的安全以及控制其变形在允许范围内，参与该工程的各方单位高度重视，制订了周详的加固方案。

为了解施工期间桥基所受的响应以及选用合理的桥基保护方案，本文运用ABAQUS软件，就国贸站西北风道施工对短桩桥基的影响以及不同加固效果进行了相关的研究和探讨。

1工程概况

1.1设计简介

地铁10号线国贸站西北风道结构平面以及与近邻编号为21西的短桩桥基的平面位置关系见图1所示，桥基与结构的剖面位置关系以及地层分布情况见图2所示。

图1、2中单位为m。

1.2施工简介

西北风道断面采用洞桩法施工，图3为洞桩法结构断面施工方案，其主要施工步序为：

（1）预加固左右小导洞→

（2）开挖和支护左右小导洞→（3）小导洞内施工钻孔灌注桩→（4）小导洞内施做桩顶冠梁以及主体拱部位于小导洞内的初期支护结构→（5）小导洞内回填混凝土→（6）预加固主体拱部→（7）开挖主洞至开挖面1→（8）施做主体拱部初支→（9）开挖主洞至开挖面2→（10）施做支撑1→（11）拆除主洞内的导洞初支→（12）开挖主洞至开挖面3→（13）施做支撑2→（14）洞内斜向下定向注浆→（15）开挖主洞至开挖面4→（16）施做支撑3→（17）预加固主洞底部→（18）开挖主洞至开挖面5→（19）施做二衬1→（20）拆除支撑3→（21）施做二衬2→（22）施做支撑4→（23）拆除支撑2→（24）施做二衬3→（25）拆除支撑1→（26）施做二衬4→（27）拆除支撑4。

1.3桥基保护措施和加固方案

由图1和图2可知，21西桥基不仅桩短而且与导洞支护外缘的距离在平面与剖面上只有1.5m，因此，必须采取措施进行保护。

鉴于该桥基的施工风险很大，经过比选和综合考虑，初步拟订了以下几种主要的加固方案。

1.3.1开挖洞室周围注浆加固

即在开挖洞室周围实施注浆加固地层，改善地层的物理力学指标，主要是增加地层的变形模量E、粘聚力C、内摩擦角φ等值，以减少地层的松动范围，从而达到减少地层变形的目的。

具体措施为：

（1）小导洞开挖周边预注浆处理，注浆范围不小于0.8m；

（2）主体扣拱过程中拱部预注浆，注浆范围不小于0.8m，采用大管棚配合小导管注浆；（3）主体洞内斜向下对桩周土层定向注浆，注浆范围不小于1.5m，开挖过程中桩间土层钢花管注浆；（4）主洞底部预加固注浆，注浆范围不小于1.0m；（5）及时进行初期支护后的补充注浆，注浆加固范围分布见图2所示。

1.3.2桩底地层注浆加固

由于桩底地层为圆砾卵石层，此地层可注性较强，通过注浆加固地层可以提高地基的承载能力，也起到减少施工对桩底土层扰动的作用。

实际操作过程是，水平方向上从短桩区域两侧在导洞内向中间进行夯击注浆钢管，垂直方向上则在导洞内从仰拱底部向桩基底部呈扇形逐渐靠拢。

具体见图4及图2所示。

1.3.3桥基托换

就是在地面选择合适的地点打设深桩，深桩的长度达到结构底板以下的圆砾卵石层，通过后植筋技术将承台扩大，并将部分荷载转移至新增设的深桩上，使之与短桩共同受力，一起抵抗变形。

这样可以大大提高短桩处的承载力，同时可以进一步减小桥基的沉降。

托换桩为4根，直径为1.0m，桩长设计为25.4m，持力层刚好在卵石层上，恰好避开了易塌孔的地层。

考虑到承台、桥桩与墩身的协调性，将规格为5.5m×5.5m×2m的原设计承台扩成规格为9.78m×9.78m×2.76m的扩大承台，桥基托换设计简图见图5。

1.3.4支撑减载

在地面扩大承台区域外搭设支架，对桥基上部的简支梁进行支撑，将部分荷载转移至支撑体系上，从而减轻桥基所承受的荷载，达到在后续施工过程中减小沉降变形的目的。

原设计与短桩相连的墩身向下传递的最不利荷载为13280kN，设计减载3600kN。

1.3.5其他方面

此外，还考虑了加强风道的施工设计参数，譬如，将原设计Φ400，壁厚10mm的钢支撑变更为Φ600，壁厚12mm的钢支撑，间距由3m变为2m；暗挖施工中格栅密排通过；基坑开挖过程中及时封堵掌子面等措施。

2施工对桥基影响的数值分析

2.1计算模型的建立

土体和注浆加固区域的物理行为按Mohr-Coulomb屈服准则考虑，支护结构和桥基的物理行为按弹性材料考虑。

桩土之间相互作用的接触行为按有限滑动接触算法考虑。

土体、桥基、加固区域、二衬等三维几何拓扑区域划分成块体单元，支护结构、边桩、横撑等二维几何拓扑区域划分成（等效的）壳体单元，桥基和土之间的相互作用界面用三维面-面接触单元来模拟。

地层的物理力学参数按地质详勘报告取值［2］，开挖、支护、加固等施工参数按照施工设计和加固方案取值［3-4］。

支护结构的物理力学参数参阅规范取值［5］。

开挖区域和托换桥基的空间位置关系及计算模型见图6所示。

2.2计算结果

根据工程的实际情况和需要，在考虑了洞室周围和洞内加固措施外，分别按桩基不托换（case-1）、桩基托换（case-2）、桩基托换+支撑减载（case-3）、桩底地层注浆加固（case-4）这4种情况进行计算。

目前，实际工程已经按工况case-1完成了导洞施工，下面将部分计算成果与量测成果进行比较，同时对各种加固措施效果进行分析与评价。

（1）地表沉降分析。

4种工况地表沉降对比分析表明，加固措施对地表沉降的影响比较小，考虑加固措施后地表沉降最大程度可以减少2mm。

图7反映了case-1典型断面地表沉降在不同施工阶段的分布形态以及与量测值的比较，其中S1对应导洞施工完成，S2对应导洞内回填混凝土和洞内桩施工完成，S3对应主体扣拱施工完成，S4对应主体开挖完成，S5对应二衬施工完成，S6对应导洞施工完成时地表测点沉降值。

导洞施工完成时，地表沉降量测值与计算值基本吻合［6］，量测最大值为13.46mm，计算最大值为13.10mm，施工完成时即S5阶段地表沉降最大值为31.56mm。

（2）桥基沉降分析。

图8反映了case-1桥基承台顶面观测点沉降随施工阶段的变化曲线，其中，QJ1表示观测点计算值，QJ2表示观测点的量测值。

计算曲线中，C1段对应导洞施工阶段；C2段对应回填和洞内桩阶段；C3段对应主体扣拱阶段；C4段对应主体开挖阶段；C5段对应导洞支护拆除阶段；C6段对应二衬施工阶段。

导洞施工完成时桥基沉降为7.5mm；回填和洞内桩施工完成时桥基沉降为11mm；主体扣拱施工完成时桥基沉降为13.1mm；主体开挖完成时桥基沉降为17.6mm；二衬施工完成时桥基沉降为22.3mm。

导洞施工完成时观测点计算值为7.50mm，而量测值为7.32mm，吻合较好［6］。

图9为4种工况下桥基观测点沉降值比较，计算表明，case-1～case-4桥基最大沉降分别为22.3mm、15.1mm、14.5mm、17.1mm。

（3）桩-土相互作用分析。

图10为case-1桩身和桩周土随施工阶段的沉降分布形态及桩土相对沉降比较，其中，PS-1为导洞施工完成时桩身沉降，PS-2为主体施工完成时桩身沉降，PS-3为二衬完成时桩身沉降，同理，SS-1、SS-2、SS-3为类似阶段桩周土的沉降。

由比较分析可知，桩周土的沉降稍大于桩身沉降，桩土相对位移较小，桩身的摩擦力基本为负摩擦力。

图11为case-2桩身和桩周土随施工阶段的沉降分布形态及桩-土相对沉降比较。

由图中可知，施工期间桩身出现变形和受力中性点，在中性点以上部分，土的沉降大于桩的沉降，桩身的摩擦力为负摩擦力，相反，在中性点以下部分，土的沉降小于桩的沉降，桩身的摩擦力为正摩擦力。

对于case-1而言，短桩最大端阻力为3682kPa，桩身范围内的负摩擦力很小，最大值约为1.2kPa；对于case-2而言，短桩最大端阻力为779kPa，桩身范围内的负摩擦力很小，最大值约为0.2kPa；长桩最大端阻力为6813kPa，桩身范围内的摩擦力很小，最大值约为0.6kPa。

因此，桥基托换后，承载力主要由长桩提供，但托换前后桩的承载特性均表现为端承桩，这与桩底地基均为圆砾卵石层有直接关系。

由于桩端阻力较大，桩底土体的塑性应变也较大。

同时，桩周接触压力值的分布对后续施工阶段不敏感，其值变化较小。

3主要结论

（1）计算分析表明，桩基托换能够很大程度地降低施工对桥基的沉降影响；桩底注浆加固也能有效地改善施工对桥基的沉降影响，但效果不如桩基托换；通过搭设支架，有限地减轻桥墩向下传递的上部载荷，对改善桥基沉降的效果不明显。

此外，这些措施对地表沉降的影响差别都较小。

（2）如果从施工开始就采用桩基托换，效果会更好，施工完成时桥基最大沉降为15.1mm。

由于实际工程只是在导洞施工完成后进行桩基托换，施工完成时桥基最大沉降为17.7mm，其中，导洞施工完成时桥基沉降为7.5mm；回填和洞内桩施工完成桥基沉降为10.8mm；主体扣拱施工完成时桥基沉降为12.2mm；主体开挖完成时桥基沉降为14.8mm；二衬施工完成时桥基沉降为17.7mm。

同样，从施工开始就采用桩底注浆加固处理，施工完成时桥基最大沉降为17.1mm，按实际方案施工完时，桥基沉降为19.7mm，相对桥基拖换，这种工况风险更大些。

考虑到安全因素最为重要，建议实际工程选用工况case-2为宜。

（3）本文是针对实际工程在导洞开挖完成后，考虑桥基保护措施时，就不同保护措施在后续施工阶段的效果进行了预测分析，鉴于地下工程的复杂性，施工前的这种预测分析应该说只是初步的，必要时，施工中还要通过监测成果和反分析来不断修正岩土体的参数，调整预测结果，必要时，还需要补充采取其他措施。