中铁九局集团有限公司大连分公司 辽宁大连 116012
摘要：本文运用ABAQUS软件，结合郑州地铁2号线国基路站西北风道施工对邻近短桩桥基影响的工程问题，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，分析近邻短桩桥基加固效果。研究结果表明，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。
关键词：地铁施工；短桩桥基；加固效果；ABAQUS
1 调查背景及目的
随着城市地铁工程在我国的大量修建和快速发展，地铁施工中应用近邻桥梁基础进行的案例已经越多，如何保证加固效果的安全问题，已成为亟待解决的现实难题。
本文通过研究在建的郑州地铁2号线国基路站，深刻研讨施工对桥梁的基础的变位影响。国基路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。本文运用ABAQUS软件，就国基路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。
2 工程概况
2.1 设计简介
郑州地铁2号线国基路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和桥基与结构的剖面位置关系以及地层分布情况见图1-1、1-2.。
2.2 施工简介
西北风道断面采用洞桩法施工，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）小导洞内施作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）施作主体拱部支护→（9）开挖主洞至开挖面2→（10）施作支撑1→（11）开挖主洞至开挖面3→（12）施作支撑2→（13）洞内斜向下定向注浆→（14）开挖主洞至开挖面4→（15）施作支撑3→（16）预加固主洞底部→（17）开挖主洞至开挖面5→（18）拆除主洞内的导洞初支→（19）施作二衬1→（20）拆除支撑3→（21）施作二衬2→（22）施作支撑4→（23）拆除支撑2→（24）施作二衬3→（25）拆除支撑1→（26）施作二衬4→（27）拆除支撑4。
2.3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，初步拟定了以下几种主要的加固方案。
（1）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。
（2）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[1]。
3施工对桥基影响的数值分析
3.1 计算模型的建立
土体和注浆加固区域的物理行为按Mohr-Cou-lomb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，桥基和土之间的相处作用界面用三维面面接触单元来模拟，承台上部荷载按最不利情况简化成439 kPa的分布载荷作用在承台上。地层的主要物理力学参数按地质详勘报告取值，开挖、支护、加固等施工参数按照施工设计取值。
3.2计算结果
（1）地表沉降分布
目前，该范围已经完成导洞施工，图3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。图3表明，导洞施工完成时，地表沉降量测值与计算值基本吻合，实测最大值为13.46mm，计算最大值为13.10 mm，进一步得出S2阶段地表沉降最大值为17.95 mm，S3阶段地表沉降最大值为22.95mm，S4阶段地表沉降最大值为25.02mm，S5阶段地表沉降最大值为31.56mm。
图3 S1对应导洞施工完成图
（2）桥基沉降分布
图4为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7.5 mm；回填和洞内桩施工完成桥基沉降为11 mm；主体扣拱施工完成桥基沉降为13.1 mm；主体开挖完成桥基沉降17.6 mm；二衬施工完成桥基沉降22.3 mm。其中，导洞施工完成时观测点计算值为7.50 mm，而量测值为7.32 mm，因此，吻合较好。
图4 桥基承台顶面观测点沉降随施工阶段的变化曲线图
（3）桩土相互作用分析
图5为桩身和桩周土随施工阶段的沉降分布态及桩土相对沉降比较，其中，PS 1为导洞施工完成桩身沉降，PS 2为主体施工完成桩身沉降，PS3为二衬完成桩身沉降，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，桩身范围内的负摩擦力很小，最大值约为1.2 kPa，桩身的接触压力由桩顶至桩底逐渐增大，最大为377kPa，桩底接触压力最大为3 899 kPa，由于桩端阻力较大，桩底土体的塑性应变也较大，桩的承载特性表现为摩擦端承桩。但桩周接触压力值的分布对后续施工阶段不敏感，其值变化很小[2]。
图5 桩身和桩周土随施工阶段的沉降分布态及桩土相对沉降比较
4主要结论
（1）导洞施工引起的地表沉降约占42%，洞内桩和回填施工引起的地表沉降约占15%，扣拱施工引起的地表沉降约占17%，主体开挖施工引起的地表沉降约占6%，二衬施工引起的地表沉降约占20%。施工完成时地表沉降最大值为31.56 mm，小于目前的监控限值60 mm[3]。
（2）导洞施工引起的桥基沉降约占34%，洞内桩和回填施工引起的桥基沉降约占15%，扣拱施工引起的桥基沉降约占10%，主体开挖施工引起的桥基沉降约占20%，二衬施工引起的桥基沉降约占21%。施工完成时桥基沉降最大值为22.3 mm，该桥基上部结构形式为预应力混凝土简支T型梁，参考国贸立交桥现状评估和沉降控制标准，拟定的控制标准为20 mm，因此，在后续施工阶段，在加强桥基监控量测的同时，应进一步控制主体开挖以及二衬施作时引起的桥基沉降，由于计算值仅大于规定值2.3 mm，认为通过对现有的施工方案和桥基保护措施进行进一步优化和加强，能够将桥基沉降控制在限值范围内。
参考文献：
[1]广州地铁西村站近接高架桥桩基影响分区及应用研究。王明年，崔光耀，喻波，《岩石力学与工程学报》，2009；
[2]我国地铁工程建筑物基础托换技术综述。吕剑英，《施工技术》，2010。
[3]刘宝深。急待深人研究的地铁建设中的岩土力学课题[J]。铁道建筑技术，2000，20（3）：1-3.。
论文作者:魏立峰
论文发表刊物:《基层建设》2016年6期
论文发表时间:2016/7/5
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