关于基坑开挖桥桩托换的数值模拟分析

关于基坑开挖桥桩托换的数值模拟分析

李红亮

中铁第五勘察设计院集团有限公司成都分院四川成都610094

摘要：城市轨道交通日益发展，地铁不可避免会部分穿越既有交通设施。在这种情况下，地铁车站的开挖会对既有建筑物的基础产生扰动，影响既有建筑物的稳定和使用安全。本文用有限元对施工期的桩基托换行为进行了模拟和分析，对设计及施工具有指导及参考价值。

关键词：地铁；深基坑；桩基托换；数值模拟

引言

如今，城市地铁建设面临诸多挑战，当明挖地铁车站周边既有建筑众多、既有建筑基础多样且距离很近时，对车站深基坑开挖的要求颇高。而当深基坑遇到既有桥梁在其中时，对桥梁保护尤为重要。由于城市地铁和公路是城市重要交通基础设施和大众化交通工具，承担着繁重的客运交通和货物运输任务，是社会公共安全的重点领域，交通安全事关人民群众的生命财产安全，事关社会稳定。

近年来，学界开展了较多关于桩基托换的研究。金国海[1]（2004）对暗挖地铁穿越广深铁路桥的托换施技木进行了阐述；阎光明[2]（2005）对桥梁桩基托换中的受力转换技术有所讲解；柯在田[3]（2003）对大轴力桩基托换模型做了试验研究；潘健[3]（2011）对盾构穿越立交桥桩基托换技术做了分析。对于新线穿越既有桥桩，桩基托换能有效控制桥桩沉降。本文利用有限元软件对深基坑中桥梁桩基托换进行三维全过程计算，并讨论了坑内桩基托换的施工要点。

1、工程概况

1.1概况

拟建某站采用站台宽度为13m的双岛四线站台，地下两层多跨箱型框架结构，明挖顺筑法施工。标准段外包总宽50.0m。车站标准段埋深约17.0m，标准段顶板覆土厚度约3m。车站两端端端头井为盾构接收井。车站站位所在的道路为东西向主干道，规划道路宽60m，现状道路宽45m，为双向8车道，车流量大，现状交通繁忙。车站站位所在正好横穿现状道路下方。

1.2高架桥与车站位置关系

高架桥横跨道路上方，车站沿道路敷设于地下，车站约60m长范围位于桥下，桥下段车站覆土约3.2m，基坑深约17.0m，基坑总宽50.0m。立交桥下净空约6.3m，2#墩位于基坑中央，车站在2#桥墩区域镂空，1#、3#号墩分别位于基坑两侧。基坑中央2#号墩承台距离主体结构墙距离分别约2m及2.2m，基坑北侧2#墩桥桩距离基坑围护最近约4.1m，基坑南侧3#墩桥桩距离基坑围护最近约3.4m。

1~3#墩墩柱尺寸为1.8×1.3m，墩柱下承台尺寸为2.3×2.3×1.5m，承台基础采用Φ1.8m钻孔灌注桩，承台间采用系梁连接，系梁尺寸为4.2×1.5×1.5m。主线左、右幅桥2墩桩基长27m；主线左幅桥12#墩桩基长35m，主右幅桥12#墩桩基长36m；主线左幅桥3#墩桩基长38m，主右幅桥14#墩桩基长41m。基坑与桥桩关系如图1所示。

图1基坑与桥桩关系图

2桩基托换设计

1）桩基托换基坑深约4.1m，采用放坡开挖，放坡坡率1：1，面层喷100mm厚C20砼护坡，内置φ8@200X200钢筋网。

2）对2#桥桩进行高桩承台主动托换的方案，即在原被托换桩沿桥方向两侧各新增四根托换桩，托换桩采用嵌岩桩设计，以新增托换桩为基础新建高桩承台，新建高桩承台包裹原承台形成一个整体。

3）托换桩采用C35钻孔灌注桩，直径均为1200mm，桩长为30.86m，且桩底进入<8-2>中风化砂岩不小于2m。桩钢筋笼吊放前，必须对槽底泥浆沉淀物进行置换和清除，其底部沉渣厚度要求≤30mm；且每根桩内沿桩周预埋3根桩端后注浆注浆管。

图2新旧承台平面图图图3新旧承台剖面图

4）新建承台采用C35钢筋混凝土，承台尺寸为13500×7700×3500mm（长×宽×高），新建高桩承台与既有承台之间采用界面处理剂及植筋的方式进行连接。

3深基坑与临近桥桩计算模型

3.1基坑模型

该工程基坑面积比较大，现截取了对桥桩影响范围内的开挖基坑区域进行三维有限元数值模拟。为减小基坑开挖对立交桥的影响，将基坑分为车站部分和托换部分分区域进行开挖。本项目先对桥桩进行桩基托换施工，再进行车站区域的基坑的开挖和支护，最后再进行车站主体结构部分的开挖与支护。由于车站基坑开挖会对桥桩产生重大影响，为了考虑基坑开挖对桥桩的影响程度及影响范围，数值模拟采用了三维数值模拟方法，数值模拟中采用的模型如图所示。计算采用三维模型，数值计算中充分考虑了基坑开挖的影响范围建立计算模型，其中模型长（x方向）120m，宽（y方向）80m，深度方向（z方向）为50m。模型节点数为72192个，单元总数为127600个。数值计算中，其中，土体采用D—P本构模型实体单元模拟；内支撑采用梁单元模拟；地连墙、车站和基坑楼板均采用板单元来模拟；临时和永久立柱均采用梁单元来模拟；以上结构单元都用弹性本构来模拟。

图4基坑网格示意图图5桥桩、车站内支撑和永久立柱

3.2计算工况

由于基坑开挖过程中采用分步、分块进行的开挖方法，因此为了合理的模拟车站基坑开挖过程中对桥桩的影响，数值模拟中将根据基坑的实际施工工况采用多工况连续计算的方法。具体工况如下：

工况一：初始应力场，激活桥桩荷载；

工况二：施作车站的地连墙和车站的临时立柱；

工况三：初挖，施作换拖桩和承台；

工况四：车站第一次开挖，施作冠梁和全部第一道砼支撑；

工况五：车站第二次开挖，施作车站腰梁和第二道砼支撑；

工况六：车站第三次开挖，施作车站腰梁和第三道砼支撑；

工况七：第四次开挖；

工况八：施作底板，下部车站侧墙、下部永久立柱、下部桥桩分割墙；

工况九：拆除桥面下第三道砼支撑；

工况十：施作地下一层板，中间永久立柱、中间侧墙以及中间桥桩保护墙；

工况十二：拆除第二道砼支撑；

工况十三：施作顶板，拆除第一道砼支撑和和临时立柱。

3.3计算结果分析

图6土体初始应力图7桥桩水平向变形（X方向）云图

图8桥桩水平向变形（Y方向）云图图9桥桩水平向变形（Z方向）云图

4结果

由上述结果可知当基坑在拆除第三道支撑时桥桩位移最大，基坑外1#、3桥桩桩基位移竖向为：2.9mm（向上为正），水平向位移X：-0.7mm，水平向位移Y：2.1mm（顺桥向）；

基坑内托换桩桩基位移竖向为：13.5mm，水平向位移X：1.8mm，水平向位移Y：5.0mm（顺桥向）；

既有桥桩桩基位移竖向为：13.0mm，水平向位移X：1.0mm，水平向位移Y：2.8mm（顺桥向）；

5结论及建议

1、桩基托换施工，应采用必要的控制塌孔、防止过大扰动既有桥墩的措施。托换桩和临近基坑桩基在施工期间提供同步顶升系统，这是桥梁正常使用的关键技术措施。施工中应该严格按照设计，根据实际监测情况，进行顶力和位移的控制。

2、在支顶的前提下，托换桩基施工仍然有必要对既有桩基的保护工艺，避免桥墩位移或倾斜过大。

3、对于2#桥墩应制定严格的应急控制预案。

4、在车站基坑施工期间，应对桥梁上部车辆进行限载。

5、桩基托换需注意原桩的植筋，必须保证植筋的长度和植筋面的凿毛处理及采用微膨胀混凝土，另外千斤顶升作为桩基托换最关键部分需按照“等荷载、等变形”原则处理。

桩基托换施工技术，施工难度大，施工精度要求高，在不中断交通的情况下桥梁动载、箱梁温度应力、汽车离心力影响使墩柱受力复杂，顶升、切割难度大。通过计算为工程提供论理论依据，有一定的参考价值。

参考文献：

[1]金国海暗挖地铁穿越广深铁路桥的桩基托换施技木[J]隧道\地下工程，2004

[2]阎光明桥梁桩基托换中的受力转换技术[J]山西建筑，2005

[3]柯在田深圳地铁大轴力桩基托换模型试验研究[J]中国铁道科学，2003

[4]潘健深圳地铁5号线宝安立交桥桩基托换技术[J]城市轨道交通，2011