桩基托换技术在地铁施工中的应用及优化分析

　　摘要：结合有限元分析软件abaqus，结合工程实例，通过数值模拟，一方面验证桩基托换技术在实际施工中的应用可行性，并给出在施工过程中的相关危险点;另一方面通过对桩基的优化，认为现有桩基可以满足结构安全，在此基础上，可以减少桩基深度，缩短施工时间，降低施工成本。

　　关键词：abaqus;桩基托换;地铁施工;桩基

　　Abstract: combined with abaqus finite element analysis software, combined with the engineering practice, the numerical simulation, on the one hand, validation pile foundation underpinning technology in actual construction application feasibility, and give in the construction process of related risk point; On the other hand through the optimization of pile foundation, pile foundation that can satisfy the existing security structure, based on this, can reduce the depth of pile foundation, shorten the construction time, reduce the construction cost.

　　Keywords: abaqus; Pile foundation underpinning; The subway construction; Pile foundation

　　中图分类号：U231+.3 文献标识码：A 文章编号：

　　1 引言[1]~ [3]

　　进入21世纪，中国的经济快速发展，城市化进程加快，城市人口快速增长，城市的土地资源变得十分紧缺，因此开发利用城市地下空间就成为城市现代化发展的必然趋势。城市轨道交通也自然而然的成为城市地下空间开发的重要组成部分，成为解决城市交通的重要手段。

　　地铁建设在城市轨道交通工程中担负着支柱作用，而在城市地铁的施工过程中，必然造成地层位移和地表沉陷。当隧道下穿建筑物时，更会对建筑物造成严重影响。

　　桩基托换技术在城市地铁施工中是一种技术难度要求相对较大的特殊施工方法。二十世纪三十年代用于美国纽约的地下铁道建设，六七十年代德国修建地铁工程时，开始采用综合托换技术，而七十年代后，托换技术开始在国内应用，但主要用于建筑物的维修、加固等，在95年广州地铁一号线的建设中桩基托换才开始应用。

　　简单地说，托换是将既有建筑物的部分或整体荷载经托换结构传给基础持力层。以具体工程为例，研究隧道通过建筑物桩基时，托换的可行性及桩基的相关力学变化，对地铁隧道的施工有着重要的实际工程意义。

　　2 工程概况

　　某地铁工程区间穿过某天桥桩基，天桥桩基为A1000钻孔灌注桩，桩基进入强风化花岗岩。

　　人行天桥桩基进入隧道的有2根桩，其中1号桩为天桥主桥桩基，采用桩基托换进行处理，2号桩为楼梯桩基。盾构施工前，拆除天桥西北角楼梯，采用冲桩法处理2号桩，并对天桥采用临时钢支撑进行支顶，施工期间，禁止人行天桥行人通过。

　　桩基托换采用桩梁式主动托换，通过简支梁将原桩荷载传递至区间隧道两侧的托换桩上;每桩设置托换梁1根，托换桩2根，预顶承台2个;托换桩桩径A1000mm，桩底进入隧道底不少于1m并根据单桩承载力确定。预顶在截桩前完成，预顶主要作用是消除新桩沉降并实现力的转换。

　　3 工程模拟

　　桩基托换模拟利用有限元分析软件Abaqus，采用摩尔-库仑强度准则。地下工程环境具有复杂性及不确定性，尽可能的给出在考虑各种情况下的围岩稳定的定量分析。

　　3.1 模型相关参数

　　模型计算截面为某地铁段天桥桩基处，各个岩土层假定为均质、可变形、各向同性的岩土体，研究其在开挖过程中的平面应变。计算区域为开挖结构3倍，确定最终计算模型为宽度(X方向)80m，深度(Y方向)60m。

　　模型中地质分层是根据此天桥处及附近钻孔地质勘察资料，简化而来，将实际地层简化为计算模型中的六种地层：填土(2.5m)、粉砂(2.8m)、含砂砾土(3.1m)、粉砂质粘土(9m)、全风化花岗岩(1.8m)、强风化花岗岩(3.5m)、中风化花岗岩(3.9m)、微风化花岗岩(33.4m);表1 模型物理力学参数

　　在模拟过程中，衬砌混凝土采用C35混凝土。模型荷载，除了重力作用外，根据实际天桥概况，通过计算将天桥传递给桩基的荷载等效为250KN的均布荷载。

　　在模型模拟及分析过程中，所需相关物理力学参数如表1。

　　3.2 相关计算方案

　　现阶段而言，虽然数值模拟有着很多的问题，但也有着很大的工程应用优势。一方面可以验证相关设计的可行性，并给出可能的危险点及相关结构变化规律;另一方面进行相关的优化模拟分析，可以对相关设计进行最大程度的优化，降低施工成本。

　　因此在分析过程中，首先模拟原先设计，验证原有设计的稳定程度，并分析隧道周边围岩变化规律，并在此基础上，对桩深进行优化，每缩短1m，作为一个模拟方案，共5个模拟方案，研究围岩的变化规律，桩深的减少对隧道安全的影响等。

　　4 模拟结果分析

　　围岩结构的稳定性分析主要表现在围岩及结构的沉降、塑性区、主应力等方面;对于复杂的地下结构通过研究围岩这几方面规律变化，可以更好的预测围岩稳定性的变化趋势。

　　4.1 设计稳定性分析

　　数值模拟首先验证了工程实例设计的稳定性，地表沉降可以作为地下工程数值模拟最直观的表征。

　　桩基托换设计的沉降变形云图，从图2中可以看出，地表沉降最大值出现在上方隧道的底部，但数值上不是很大，在9mm左右，在托换梁左边稍微出现微沉降，从云图来看，上方隧道由于围岩条件较差，出现较大变形，下方隧道围岩条件较好，没有太大的位移变化。

　　桩基托换设计的最大主应力云图，从图3中可以看出，上方隧道结构受力相对比较大，最大主应力还是出现在上方隧道的底部，而下方隧道受力相对较小。

　　从地表沉降及相关主应力可以对比看出，数值模拟的结果可以满足结构稳定性的要求，预测桩基托换的相关设计可以满足安全要求。

　　4.2 优化稳定性分析

　　桩基承受的荷载保证了结构的稳定性，但是现有设计相对趋于保守，因此对桩基进行优化，可以大大减少施工时间，降低施工成本。

　　方案5，桩基深减少5m，

　对桩基优化5m模拟引起的地表沉降云图。从图4可以看出，最大沉降位移依然出现在上方隧道的底部，结合图2及图4，托换梁左右都出现了相关沉降变化，并且从优化结果来看，随着桩基的减少，托换梁左右的沉降逐渐变大，但数值并不是很大。

　　围岩结构最大主应力出现的位置及数值都没有太大变化，主应力上可以满足优化要求。

　　4 小结

　　数值模拟可以为后续的施工设计提供理论依据：

　　(1)通过数值模拟，结合地表沉降及最大主应力分析，可以判断围岩结构稳定性，认为设计结构的稳定性可以满足要求。

　　(2)从数值模拟结果可以看出，围岩结构最差点出现在上方隧道底部，上方隧道相对比较危险，可以根据需要稍微增加结构厚度。下方隧道由于围岩条件较好，基本没有太大问题。

　　(3)通过优化模拟结果来看，现有桩深在保证安全的前提下，可以减少3-5m，降低施工成本，减少施工时间。

　　参考文献(References)：

　　[1]尹京.超静定结构主动桩基托换过程模拟与控制及其工程应用 2008

　　[2]Miura S;Takahama F The construction of railway culvert by

　　underpinning another railway bridge 19992.Miura S;Takahama F The

　　construction of railway culvert by underpinning another railway bridge 1999

　　[3]吕剑英.我国地铁工程建筑物基础托换技术综述,施工技术 2010(9)