1、城市地鐵施工近鄰短樁橋基加固效果研究摘要：結(jié)合北京地鐵10號線國貿(mào)站西北風道施工對鄰近短樁橋基影響的工程問題，運用ABAQUS軟件，在對施工過程進展三維動態(tài)模擬的同時，針對不同的橋基加固方案，重點研究施工過程中橋基的變形和受力性態(tài)以及樁土互相作用機理，并將局部計算結(jié)果與量測結(jié)果進展比較。研究說明，樁基托換可以有效地減少施工期間橋基的沉降；通過地面支撐減載以及在短樁底部進展局部注漿加固處理不能有效地減少施工對橋基的沉降影響。所獲得的研究成果為該工程施工提供決策和指導(dǎo)作用，也可供類似工程參考。關(guān)鍵詞：城市地鐵施工；短樁橋基；加固效果；樁-土互相作用；ABAQUS引言隨著城市地鐵工程在我國的大量修建

2、和快速開展，近鄰橋梁根底進展地鐵施工的工程案例已經(jīng)越來越多，如何確保施工過程中近鄰橋梁的平安，已成為亟待解決的現(xiàn)實難題1。在建的北京地鐵10號線國貿(mào)站位于既有國貿(mào)立交橋下，車站洞室在國貿(mào)橋下根底之間穿過，施工期間橋梁的平安便成為國貿(mào)站工程施工的關(guān)鍵和控制因素，而施工期間橋梁的平安問題主要是由于施工導(dǎo)致橋梁根底變位所引起的，因此，研究國貿(mào)站施工對橋梁的影響主要是研究施工對橋梁根底的變位影響。國貿(mào)站工程影響范圍內(nèi)橋基密布，但就橋基樁長以及與構(gòu)造的相對位置而言，主要分為短樁橋基、中長樁橋基、長樁橋基、長-短樁結(jié)合橋基等4種類型，其中，短樁橋基屬于最不利情況。為了確保施工期間短樁橋基的平安以及控制其變

3、形在允許范圍內(nèi)，參與該工程的各方單位高度重視，制訂了周詳?shù)募庸谭桨?。為理解施工期間橋基所受的響應(yīng)以及選用合理的橋基保護方案，本文運用ABAQUS軟件，就國貿(mào)站西北風道施工對短樁橋基的影響以及不同加固效果進展了相關(guān)的研究和討論。1工程概況1.1設(shè)計簡介北京地鐵10號線國貿(mào)站西北風道構(gòu)造平面以及與近鄰編號為21西的短樁橋基的平面位置關(guān)系見圖1所示，橋基與構(gòu)造的剖面位置關(guān)系以及地層分布情況見圖2所示。圖1、2中單位為。1.2施工簡介西北風道斷面采用洞樁法施工，圖3為洞樁法構(gòu)造斷面施工方案，其主要施工步序為：(1)預(yù)加固左右小導(dǎo)洞(2)開挖和支護左右小導(dǎo)洞(3)小導(dǎo)洞內(nèi)施工鉆孔灌注樁(4)小導(dǎo)洞內(nèi)施做

4、樁頂冠梁以及主體拱部位于小導(dǎo)洞內(nèi)的初期支護構(gòu)造(5)小導(dǎo)洞內(nèi)回填混凝土(6)預(yù)加固主體拱部(7)開挖主洞至開挖面1(8)施做主體拱部初支(9)開挖主洞至開挖面2(10)施做支撐1(11)撤除主洞內(nèi)的導(dǎo)洞初支(12)開挖主洞至開挖面3(13)施做支撐2(14)洞內(nèi)斜向下定向注漿(15)開挖主洞至開挖面4(16)施做支撐3(17)預(yù)加固主洞底部(18)開挖主洞至開挖面5(19)施做二襯1(20)撤除支撐3(21)施做二襯2(22)施做支撐4(23)撤除支撐2(24)施做二襯3(25)撤除支撐1(26)施做二襯4(27)撤除支撐4。1.3橋基保護措施和加固方案由圖1和圖2可知，21西橋基不僅樁短而且

5、與導(dǎo)洞支護外緣的間隔 在平面與剖面上只有1.5，因此，必須采取措施進展保護。鑒于該橋基的施工風險很大，經(jīng)過比選和綜合考慮，初步擬訂了以下幾種主要的加固方案。1.3.1開挖洞室周圍注漿加固即在開挖洞室周圍施行注漿加固地層，改善地層的物理力學指標，主要是增加地層的變形模量E、粘聚力、內(nèi)摩擦角等值，以減少地層的松動范圍，從而到達減少地層變形的目的。詳細措施為：(1)小導(dǎo)洞開挖周邊預(yù)注漿處理，注漿范圍不小于0.8；(2)主體扣拱過程中拱部預(yù)注漿，注漿范圍不小于0.8，采用大管棚配合小導(dǎo)管注漿；(3)主體洞內(nèi)斜向下對樁周土層定向注漿，注漿范圍不小于1.5，開挖過程中樁間土層鋼花管注漿；(4)主洞底部預(yù)加

6、固注漿，注漿范圍不小于1.0；(5)及時進展初期支護后的補充注漿，注漿加固范圍分布見圖2所示。1.3.2樁底地層注漿加固由于樁底地層為圓礫卵石層，此地層可注性較強，通過注漿加固地層可以進步地基的承載才能，也起到減少施工對樁底土層擾動的作用。實際操作過程是，程度方向上從短樁區(qū)域兩側(cè)在導(dǎo)洞內(nèi)向中間進展夯擊注漿鋼管，垂直方向上那么在導(dǎo)洞內(nèi)從仰拱底部向樁基底部呈扇形逐漸靠攏。詳細見圖4及圖2所示。1.3.3橋基托換就是在地面選擇適宜的地點打設(shè)深樁，深樁的長度到達構(gòu)造底板以下的圓礫卵石層，通過后植筋技術(shù)將承臺擴大，并將局部荷載轉(zhuǎn)移至新增設(shè)的深樁上，使之與短樁共同受力，一起抵抗變形。這樣可以大大進步短樁處

7、的承載力，同時可以進一步減小橋基的沉降。托換樁為4根，直徑為1.0，樁長設(shè)計為25.4，持力層剛好在卵石層上，恰好避開了易塌孔的地層?？紤]到承臺、橋樁與墩身的協(xié)調(diào)性，將規(guī)格為5.55.52的原設(shè)計承臺擴成規(guī)格為9.789.782.76的擴大承臺，橋基托換設(shè)計簡圖見圖5。1.3.4支撐減載在地面擴大承臺區(qū)域外搭設(shè)支架，對橋基上部的簡支梁進展支撐，將局部荷載轉(zhuǎn)移至支撐體系上，從而減輕橋基所承受的荷載，到達在后續(xù)施工過程中減小沉降變形的目的。原設(shè)計與短樁相連的墩身向下傳遞的最不利荷載為13280kN，設(shè)計減載3600kN。1.3.5其他方面此外，還考慮了加強風道的施工設(shè)計參數(shù)，譬如，將原設(shè)計400，

8、壁厚10的鋼支撐變更為600，壁厚12的鋼支撐，間距由3變?yōu)?；暗挖施工中格柵密排通過；基坑開挖過程中及時封堵掌子面等措施。2施工對橋基影響的數(shù)值分析2.1計算模型的建立土體和注漿加固區(qū)域的物理行為按hr-ulb屈服準那么考慮，支護構(gòu)造和橋基的物理行為按彈性材料考慮。樁土之間互相作用的接觸行為按有限滑動接觸算法考慮。土體、橋基、加固區(qū)域、二襯等三維幾何拓撲區(qū)域劃分成塊體單元，支護構(gòu)造、邊樁、橫撐等二維幾何拓撲區(qū)域劃分成等效的殼體單元，橋基和土之間的互相作用界面用三維面-面接觸單元來模擬。地層的物理力學參數(shù)按地質(zhì)詳勘報告取值2，開挖、支護、加固等施工參數(shù)按照施工設(shè)計和加固方案取值3-4。支護構(gòu)造

9、的物理力學參數(shù)參閱標準取值5。開挖區(qū)域和托換橋基的空間位置關(guān)系及計算模型見圖6所示。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.2.2計算結(jié)果根據(jù)工程的實際情況和需要，在考慮了洞室周圍和洞內(nèi)加固措施外，分別按樁基不托換(ase-1)、樁基托換(ase-2)、樁基托換+支撐減載(ase-3)、樁底地層注漿加固(ase-4)這4種情況進展計算。目前，實際工程已經(jīng)按工況ase-1完成了導(dǎo)洞施工，下面將局部計算成果與量測成果進展比較，同時對各種加固措施效果進展分析與評價。1地表沉降分析。4種工況地表沉降比照分析說明，加固措施對地表沉降的影響比較小，考慮加固措施后地表沉降最大程度可以減少2。圖7反映了ase-1典型斷面地表沉

10、降在不同施工階段的分布形態(tài)以及與量測值的比較，其中S1對應(yīng)導(dǎo)洞施工完成，S2對應(yīng)導(dǎo)洞內(nèi)回填混凝土和洞內(nèi)樁施工完成，S3對應(yīng)主體扣拱施工完成，S4對應(yīng)主體開挖完成，S5對應(yīng)二襯施工完成，S6對應(yīng)導(dǎo)洞施工完成時地表測點沉降值。導(dǎo)洞施工完成時，地表沉降量測值與計算值根本吻合6，量測最大值為13.46，計算最大值為13.10，施工完成時即S5階段地表沉降最大值為31.56。2橋基沉降分析。圖8反映了ase-1橋基承臺頂面觀測點沉降隨施工階段的變化曲線，其中，QJ1表示觀測點計算值，QJ2表示觀測點的量測值。計算曲線中，1段對應(yīng)導(dǎo)洞施工階段；2段對應(yīng)回填和洞內(nèi)樁階段；3段對應(yīng)主體扣拱階段；4段對應(yīng)主體開

11、挖階段；5段對應(yīng)導(dǎo)洞支護撤除階段；6段對應(yīng)二襯施工階段。導(dǎo)洞施工完成時橋基沉降為7.5；回填和洞內(nèi)樁施工完成時橋基沉降為11；主體扣拱施工完成時橋基沉降為13.1；主體開挖完成時橋基沉降為17.6；二襯施工完成時橋基沉降為22.3。導(dǎo)洞施工完成時觀測點計算值為7.50，而量測值為7.32，吻合較好6。圖9為4種工況下橋基觀測點沉降值比較，計算說明，ase-1ase-4橋基最大沉降分別為22.3、15.1、14.5、17.1。3樁-土互相作用分析。圖10為ase-1樁身和樁周土隨施工階段的沉降分布形態(tài)及樁土相對沉降比較，其中，PS-1為導(dǎo)洞施工完成時樁身沉降，PS-2為主體施工完成時樁身沉降，P

12、S-3為二襯完成時樁身沉降，同理，SS-1、SS-2、SS-3為類似階段樁周土的沉降。由比較分析可知，樁周土的沉降稍大于樁身沉降，樁土相對位移較小，樁身的摩擦力根本為負摩擦力。圖11為ase-2樁身和樁周土隨施工階段的沉降分布形態(tài)及樁-土相對沉降比較。由圖中可知，施工期間樁身出現(xiàn)變形和受力中性點，在中性點以上局部，土的沉降大于樁的沉降，樁身的摩擦力為負摩擦力，相反，在中性點以下局部，土的沉降小于樁的沉降，樁身的摩擦力為正摩擦力。對于ase-1而言，短樁最大端阻力為3682kPa，樁身范圍內(nèi)的負摩擦力很小，最大值約為1.2kPa；對于ase-2而言，短樁最大端阻力為779kPa，樁身范圍內(nèi)的負摩

13、擦力很小，最大值約為0.2kPa；長樁最大端阻力為6813kPa，樁身范圍內(nèi)的摩擦力很小，最大值約為0.6kPa。因此，橋基托換后，承載力主要由長樁提供，但托換前后樁的承載特性均表現(xiàn)為端承樁，這與樁底地基均為圓礫卵石層有直接關(guān)系。由于樁端阻力較大，樁底土體的塑性應(yīng)變也較大。同時，樁周接觸壓力值的分布對后續(xù)施工階段不敏感，其值變化較校3主要結(jié)論1計算分析說明，樁基托換可以很大程度地降低施工對橋基的沉降影響；樁底注漿加固也能有效地改善施工對橋基的沉降影響，但效果不如樁基托換；通過搭設(shè)支架，有限地減輕橋墩向下傳遞的上部載荷，對改善橋基沉降的效果不明顯。此外，這些措施對地表沉降的影響差異都較校2假設(shè)從

14、施工開始就采用樁基托換，效果會更好，施工完成時橋基最大沉降為15.1。由于實際工程只是在導(dǎo)洞施工完成后進展樁基托換，施工完成時橋基最大沉降為17.7，其中，導(dǎo)洞施工完成時橋基沉降為7.5；回填和洞內(nèi)樁施工完成橋基沉降為10.8；主體扣拱施工完成時橋基沉降為12.2；主體開挖完成時橋基沉降為14.8；二襯施工完成時橋基沉降為17.7。同樣，從施工開始就采用樁底注漿加固處理，施工完成時橋基最大沉降為17.1，按實際方案施工完時，橋基沉降為19.7，相對橋基拖換，這種工況風險更大些?？紤]到平安因素最為重要，建議實際工程選用工況ase-2為宜。(3)本文是針對實際工程在導(dǎo)洞開挖完成后，考慮橋基保護措施時，就不同保護措施在后續(xù)施工階段的效果進展了預(yù)測分析，鑒于地下工程的復(fù)雜性，施工前的這種預(yù)測分析應(yīng)該說只是初步的，必要時，施工中還要通過監(jiān)測成果和反分析來不斷修正巖土體的參數(shù)，調(diào)整預(yù)測結(jié)果，必要時，還需要補充采取其他措施。參考文獻1劉寶琛.急待深化研究的地鐵建立中的巖土力學課題J.鐵道建筑技術(shù),2000,20(3):1-32北京城建勘測