地下車站下穿高架橋梁樁基托換技術研究

收稿日期：2024-03-13

作者簡介：王偉（1989—），男，碩士研究生，工程師，從事地下結構工程的設計及科研工作。

摘要 為研究樁基托換及后續車站基坑開挖對既有橋梁樁基礎的影響規律，文章以某市地鐵1號線某車站為背景，采用了數值模擬與現場監測相結合的手段進行分析。結果表明：樁基托換完成后，承托梁的最大沉降量為1.10 mm；車站基坑開挖完成后，其最大沉降量增加至1.76 mm，在基坑第一層開挖至基坑第二層開挖過程中，橋面沉降及托換樁軸力均迅速增加，這一階段所產生的豎向沉降約占總沉降量的67.69%，軸力約占總體的55.10%，沉降的分布情況與數值模擬所得結論高度吻合。

關鍵詞 地鐵車站；樁基托換；數值模擬；沉降控制

中圖分類號 TU99文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0085-04

0 引言

由于城市建筑以及地下結構的復雜性，當地鐵線路進行選線時，通常都會面臨地鐵穿越既有樁基的棘手問題，工程中多采用樁基托換的手段進行處置[1-2]。樁基托換工法多應用于控制建筑物的沉降。并且伴隨著施工技術手段的不斷完善，該工法在地鐵車站、地下立體交叉項目以及地下商業街等下穿樁基的工程中得到了廣泛的應用[3-4]，因此相關學者也對其進行了大量的研究。

總結相關研究現狀可以發現，托換完成后的既有樁基礎的沉降和差異沉降是重點關注的對象。而以往關于明挖車站施工引起的樁基托換工程案例較少，多數為地鐵區間暗挖隧道的樁基托換工程案例，故研究立交橋下樁基托換和基坑明挖對既有立交橋的影響規律具有重要意義。該文以某市地鐵1號線某車站基坑下穿交橋為工程依托，建立了Midas GTS三維有限元模型，結合現場施工監測信息反饋，分析了立交橋下樁基托換和基坑開挖后的地表、橋樁和基坑支護結構的受力與變形規律，為保護既有橋梁的安全化施工提供借鑒與指導。

1 工程概述

1.1 工程概況

該站為某市地鐵1號線的標準站，地下雙層單柱雙跨結構，主體長度199.75 m，標準段寬度19.7 m，結構底板埋深約18.70 m。地鐵車站主體結構施作以明挖順作法為主，并在車站基坑四周澆筑厚度為1 m的C30地下連續墻作為支護結構，采用一道混凝土支撐+兩道鋼支撐。

立交為三層半定向苜蓿葉式組合型立交，結構型式主橋為現澆預應力混凝土箱梁，引橋為預制混凝土空心板梁。該次工程需要拖換的橋梁為環形7跨連續梁橋，箱型截面，橋面寬8 m，橋墩墩身截面

1.1 m×1.1 m，墩高9.09 m，承臺澆筑尺寸為5.2 m×2.2 m

×1.5 m，承臺以下由直徑1.2 m的鉆孔灌注樁承托，樁體長度為25 m。橋面、橋墩采用C30混凝土，而下部承臺及樁基則使用C25混凝土。橋梁橋墩侵入車站主體，采用樁基托換技術保護既有橋梁安全，樁基托換概況如圖1所示。

1.2 工程地質條件

場地區屬山前沖洪積平原，地勢平坦。根據現場取樣及室內土工試驗的結果，按場地地層的沉積年代及成因類型，將此次勘察土層依次劃分為人工堆積層（Q4ml）、第四系上更新統—全新統沖洪積層（Q3-4al+pl）、第四系更新統沖湖積層（Q2al+l）。該區域主要可細分為6個土層。各土層的主要物理力學特性如表1所示。

表1 土層物理力學參數

名稱 厚度/m 重度/

（kN/m3） 彈性模量/

MPa 泊松比

雜填土 0.8 14.5 4.5 0.37

素填土 1.4 15.6 5.5 0.35

粉土 6.6 16.8 15.4 0.33

含圓礫黏性土 6 20.8 210 0.30

粉質黏性土 20.2 19.2 78.5 0.31

含砂礫黏性土 10 23.2 320 0.25

2 樁基托換設計

該次施工主要采用主動托換，即利用托換梁及下部的托換樁轉移橋梁的上部荷載，同時，對托換梁施加預應力以及對托換樁實施預頂，以消除結構整體的豎向沉降，連接承臺的方式為錨筋式承臺和包樁式承臺。托換梁的長寬高為27.3 m×6.655 m×2.8 m，所用預應力鋼絞線的抗拉標準值為fpk=1 860 MPa，Ep=1.95×10 MPa，每根鋼絞線錨下張拉噸位為3 187.3 kN。兩端各設置兩根直徑1.4 m，長40 m的托換樁作為新樁基。

托換施工的主要步驟如下：①構造原有橋梁的沉降和變形監測系統。②施工托換處地連墻及冠梁，接著施工圍護樁與托換樁；橋墩采用臨時鋼支架與鋼梁支撐。③進行托換梁基坑防護和開挖。④澆筑托換梁及樁基先澆段的混凝土。⑤張拉托換梁預應力鋼絞線；分級加載，對托換樁進行施壓，當千斤頂加載至設計荷載且沉降逐漸穩定之后，鎖定千斤頂，隨后放置鋼立柱，完成橋梁荷載的轉移工作。⑥截除原有樁基。⑦完成主體基坑及結構。

3 三維數值模型

3.1 模型建立

由于車站整體尺寸規模較大，故重點截取基坑與匝道橋樁相互影響區域的典型段進行計算研究，建立空間三維數值模型。為充分考慮樁基托換與基坑開挖施工過程的影響，同時考慮計算效率，最后模型整體尺寸為80 m×60 m×45 m。樁基托換結構模型如圖2所示。

圖2 計算模型

3.2 結構參數

摩爾庫倫彈塑性模型對模擬基坑砂土開挖具有較好的適應性，故土體采用HS模型。橋樁、托換樁、內支撐、冠梁及腰梁均使用一維梁單元進行模擬；橋面、地連墻由二維板單元實現，土體、承臺和托換梁則使用三維實體單元進行模擬。整體模型邊界采用位移約束條件，荷載為結構與土體的自重。結構計算物理力學參數如表2所示。

3.3 施工工況

為準確得到在樁基托換和基坑開挖過程中，原有立交橋的應力及位移情況，首先對模型展開初始應力計算，得到相應的初始應力場，隨后進行位移清零。位移清零后再進行樁基托換，并依據現場實際施工情況全方位的模擬基坑開挖與支護過程。

4 有限元結果分析

根據有限元計算結果，結構主要以豎向變形為主，因此該文將著重對此方面進行研究討論。通過計算發現，主動托換過程中其最大沉降量為1.76 mm，依據設計要求以及現有的技術規范，此次樁基托換過程中的最大樁基沉降量需控制在3 mm以下。所以，從控制沉降量的角度上看，托換后樁基沉降符合結構設計以及現場施工的需要。由此得知，樁基托換完成后，在施工擾動及橋梁上部荷載的雙重作用下，使得結構產生了較大的豎向沉降，其中承托梁中部的沉降最大，達到了1.10 mm，如圖3所示。在車站基坑開挖后，由于橋梁下方的土體被完全挖出，使得橋墩與橋臺樁喪失了一定程度的支撐力，而樁側的摩阻力也發生了減小的現象，從而導致橋面及承托梁的沉降較之前明顯增加，最大沉降量達到了1.76 mm，同樣也是位于承托梁中部，如圖4所示。

通過計算，從匝道橋施工至基坑第一層開始開挖時，橋面豎向沉降緩慢增加至0.403 mm，約占總沉降量的25.28%。而在基坑第一層開挖至基坑第二層開挖過程中，橋面沉降迅速增加至1.482 mm，這一階段所產生的豎向沉降量也達到了1.079 mm，約占總沉降量的67.69%。并且，在基坑第二層開挖之前，橋面的最大沉降值與差異沉降值表現出相同的增長趨勢，這表明在此階段之前，尤其是基坑第一層開挖至基坑第二層開挖過程中橋面的差異沉降十分明顯。當基坑第二層開挖完畢后，伴隨著施工的持續進行，峰值沉降也在緩慢增加，直至最終定格到1.594 mm，在這一過程中沉降值的增加量約占總沉降量的7.03%。而差異沉降則表現出完全相反的態勢，從最大的1.853 mm減小至0.887 mm。究其原因，則是因為隨著施工開始進入尾聲，其沉降也日益趨于穩定，因此橋面的差異沉降也在逐步減小。橋面沉降及差異沉降曲線如圖5所示。

通過分析可以看出，在基坑第一層開挖至基坑第二層開挖過程中，由于挖掉了既有橋樁，橋梁荷載全部由托換樁承擔，使得橋面沉降以及最大差異沉降都在急劇增加，因此在此過程中尤為注意要加強監控量測，以確保施工安全順利進行。

樁基托換過程中除對橋面沉降進行必要的分析外，還應對下部托換樁進行重點研究。不同施工步驟下托換樁軸力的發展情況如圖6所示。從圖6中可以看出，在整個施工過程中，四根托換樁軸力的發展情況趨于一致，在托換樁施工完畢后，由于此時上部未承擔荷載，因此軸力主要是由自重所引起的。在托換樁開始施作直至基坑第一層開挖前，軸力緩慢增加，此時橋梁荷載由托換樁與既有橋樁共同承擔。而當基坑第一層開挖即挖斷既有橋樁后，托換樁的軸力迅速增加，左下樁體增幅最大，增幅約占總軸力的55.10%。

5 監控量測結果對比分析

施工過程中，為了保證工程的安全進行，在承托梁以及基坑兩側圍護墻上布設測點，以對橋墩承臺的豎向沉降，圍護結構墻體的水平變形進行重點監測，如圖7所示。

依據場地的現場監測結果，托換承臺實際所得最大沉降為1.65 mm，數值模擬所得結果為1.76 mm。承托梁上的豎向沉降的分布情況也與數值分析所得到的結果相吻合。考慮工程現場實際施工的復雜性，可以近似認為明挖地鐵車站深基坑下穿高架橋梁樁基托換的數值模擬結果具有較高的可信度。

圖7 托換承臺測點沉降時程曲線

6 結論

以某市地鐵1號線某車站為背景，通過建立三維有限元分析模型，對樁基托換過程進行技術研究，并與現

場監測相對照，結果表明：

（1）樁基托換完成后，承托梁的最大沉降量為1.10 mm，當車站基坑開挖完成后，其最大沉降量增加至1.76 mm。

（2）根據現場監測結果，承托梁上的豎向沉降的分布情況與數值模擬所得結論高度吻合，可以認為數值模擬所得結論具有較高的可信度。

參考文獻

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