樁基托換對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響的有限元分析

彭海松 于文強(qiáng) 劉永峰 茹廣府 趙建華

摘 要：以鄭州地鐵樁基托換為項(xiàng)目依托，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法，建立三維數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)模型中的土體、橋墩基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、托換梁?jiǎn)卧退淼绬卧O(shè)置合理的模型參數(shù)，分析兩次樁基托換中托換梁的位移變化。計(jì)算結(jié)果表明：托換梁在第一次樁基托換前后應(yīng)力和位移發(fā)生明顯變化。

關(guān)鍵詞：樁基托換;數(shù)值計(jì)算;Abaqus

1 概述

當(dāng)結(jié)構(gòu)物下布設(shè)的樁基侵入地鐵隧道界限，需采用樁基托換技術(shù)將障礙樁清除。馮衛(wèi)星[1]對(duì)廣州地鐵2號(hào)線隧道下穿建筑物進(jìn)行基礎(chǔ)托換，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的托換方案。任振甲[2]改進(jìn)了基礎(chǔ)托換過程中的基礎(chǔ)加寬的施工工藝。張兆為[3]提出地基注漿結(jié)合鋼管樁基的基礎(chǔ)托換技術(shù)。張?jiān)璠4]將鋼筋混凝土梁式轉(zhuǎn)換層和鉆孔灌注樁的托換結(jié)構(gòu)應(yīng)用于廣州1號(hào)線中的樁基托換中。謝婉麗[5]等總結(jié)了相關(guān)的基礎(chǔ)托換技術(shù)。潘明亮[6]利用樁基托換技術(shù)對(duì)廣州地鐵的淺埋暗挖隧道上建筑物進(jìn)行沉降控制。唐貴和[7]改進(jìn)了廣州地鐵6號(hào)線的鉆孔灌注樁和托換梁的施工工藝。王海東[8]采用樁基托換技術(shù)，對(duì)軟弱地層中的建筑物下穿地鐵隧道施工進(jìn)行處理，控制建筑物的沉降。鄧濤等[9]結(jié)合數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析了福州地鐵1號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿橋梁的樁基托換。文穎文[10]提出錨桿靜壓樁托換變形控制技術(shù)控制建筑物下增層施工。李德超[11]等利用有限元計(jì)算分析開挖施工對(duì)開挖區(qū)域內(nèi)托換樁影響。采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)鄭州市107輔道快速化工程樁基托換的影響進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)兩次樁基托換對(duì)托換梁的影響。

2 工程概況

本工程涉及商鼎路高架橋1個(gè)墩臺(tái)的樁基托換，存在兩次托換受力體系轉(zhuǎn)換，多次同步頂升施工。設(shè)計(jì)方案主要為：臨時(shí)托換體系施工：第一次受力體系轉(zhuǎn)換--隧道結(jié)構(gòu)施做（含永久托換梁施做）;第二次受力體系轉(zhuǎn)換--臨時(shí)托換體系拆除。施工完成后如圖1所示。

3 數(shù)值計(jì)算模型

利用ABAQUS有限元軟件建立三維數(shù)值分析模型，土層參數(shù)見表1。根據(jù)實(shí)際情況，建立三維數(shù)值計(jì)算模型，土體模型尺寸為80m×20m×80m，承臺(tái)模型尺寸為5m×5m×2.2m，既有樁基直徑為1.2m，長(zhǎng)60m，托換臨時(shí)樁基直徑為1.5m，長(zhǎng)63m。橋墩模型尺寸為1.5m×1.5m×10.2m，橋梁作用通過在橋墩頂部施加荷載模擬，值為4.5MPa。計(jì)算中所用材料的參數(shù)列于右表。

4 數(shù)值模擬結(jié)果

主要施工順序：生成初始應(yīng)力場(chǎng)→第一次樁基托換→第二次樁基托換。對(duì)于第一次樁基托換，托換前整個(gè)模型的豎向應(yīng)力隨著深度的增加而增加，土體豎向位移沿深度增加而增加，托換梁的位移與土體模型中部的位移基本相等。第二次樁基托換后，該部分土體變形范圍增大。第一次樁基托換后托換梁的位移變化如圖2所示。第一次樁基托換后托換梁變形基本對(duì)稱，中間變形最大，即橋墩作用位置處，最大變形約為6mm，兩端變形約為4-5mm。因此，在橋墩作用在托換梁前，應(yīng)先將托換梁向上頂升6mm左右。第二次樁基托換后托換梁的位移變化如圖3所示。從圖3可以看出，第二次樁基托換后，隧道結(jié)構(gòu)頂梁的變形并不均勻，兩端位移較小，左側(cè)約為2.7mm，右側(cè)約為4.1mm，最大位移為橋墩作用位置處，約為8mm。

5 結(jié)論

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，提出相應(yīng)的建議，主要得到如下結(jié)論：托換梁在第一次樁基托換前后的應(yīng)力和位移發(fā)生了較為明顯的變化。托換后，發(fā)生了明顯的應(yīng)力集中和位移較大的部位，該部位均位于橋墩作用點(diǎn)附近。第二次樁基托換后，隧道結(jié)構(gòu)頂梁的變形并不均勻，兩端位移較小，最大位移為橋墩作用位置處。

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