摘要：結合有限元分析軟件abaqus，結合工程實例，通過數值模擬，一方面驗證樁基托換技術在實際施工中的應用可行性，并給出在施工過程中的相關危險點;另一方面通過對樁基的優化，認為現有樁基可以滿足結構安全，在此基礎上，可以減少樁基深度，縮短施工時間，降低施工成本。

　　關鍵詞：abaqus;樁基托換;地鐵施工;樁基

　　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

　　中圖分類號：U231+.3 文獻標識碼：A 文章編號：

　　1 引言[1]~ [3]

　　進入21世紀，中國的經濟快速發展，城市化進程加快，城市人口快速增長，城市的土地資源變得十分緊缺，因此開發利用城市地下空間就成為城市現代化發展的必然趨勢。城市軌道交通也自然而然的成為城市地下空間開發的重要組成部分，成為解決城市交通的重要手段。

　　地鐵建設在城市軌道交通工程中擔負著支柱作用，而在城市地鐵的施工過程中，必然造成地層位移和地表沉陷。當隧道下穿建筑物時，更會對建筑物造成嚴重影響。

　　樁基托換技術在城市地鐵施工中是一種技術難度要求相對較大的特殊施工方法。二十世紀三十年代用于美國紐約的地下鐵道建設，六七十年代德國修建地鐵工程時，開始采用綜合托換技術，而七十年代后，托換技術開始在國內應用，但主要用于建筑物的維修、加固等，在95年廣州地鐵一號線的建設中樁基托換才開始應用。

　　簡單地說，托換是將既有建筑物的部分或整體荷載經托換結構傳給基礎持力層。以具體工程為例，研究隧道通過建筑物樁基時，托換的可行性及樁基的相關力學變化，對地鐵隧道的施工有著重要的實際工程意義。

　　2 工程概況

　　某地鐵工程區間穿過某天橋樁基，天橋樁基為A1000鉆孔灌注樁，樁基進入強風化花崗巖。

　　人行天橋樁基進入隧道的有2根樁，其中1號樁為天橋主橋樁基，采用樁基托換進行處理，2號樁為樓梯樁基。盾構施工前，拆除天橋西北角樓梯，采用沖樁法處理2號樁，并對天橋采用臨時鋼支撐進行支頂，施工期間，禁止人行天橋行人通過。

　　樁基托換采用樁梁式主動托換，通過簡支梁將原樁荷載傳遞至區間隧道兩側的托換樁上;每樁設置托換梁1根，托換樁2根，預頂承臺2個;托換樁樁徑A1000mm，樁底進入隧道底不少于1m并根據單樁承載力確定。預頂在截樁前完成，預頂主要作用是消除新樁沉降并實現力的轉換。

　　3 工程模擬

　　樁基托換模擬利用有限元分析軟件Abaqus，采用摩爾-庫侖強度準則。地下工程環境具有復雜性及不確定性，盡可能的給出在考慮各種情況下的圍巖穩定的定量分析。

　　3.1 模型相關參數

　　模型計算截面為某地鐵段天橋樁基處，各個巖土層假定為均質、可變形、各向同性的巖土體，研究其在開挖過程中的平面應變。計算區域為開挖結構3倍，確定最終計算模型為寬度(X方向)80m，深度(Y方向)60m。

　　模型中地質分層是根據此天橋處及附近鉆孔地質勘察資料，簡化而來，將實際地層簡化為計算模型中的六種地層：填土(2.5m)、粉砂(2.8m)、含砂礫土(3.1m)、粉砂質粘土(9m)、全風化花崗巖(1.8m)、強風化花崗巖(3.5m)、中風化花崗巖(3.9m)、微風化花崗巖(33.4m);表1 模型物理力學參數

　　在模擬過程中，襯砌混凝土采用C35混凝土。模型荷載，除了重力作用外，根據實際天橋概況，通過計算將天橋傳遞給樁基的荷載等效為250KN的均布荷載。

　　在模型模擬及分析過程中，所需相關物理力學參數如表1。

　　3.2 相關計算方案

　　現階段而言，雖然數值模擬有著很多的問題，但也有著很大的工程應用優勢。一方面可以驗證相關設計的可行性，并給出可能的危險點及相關結構變化規律;另一方面進行相關的優化模擬分析，可以對相關設計進行最大程度的優化，降低施工成本。

　　因此在分析過程中，首先模擬原先設計，驗證原有設計的穩定程度，并分析隧道周邊圍巖變化規律，并在此基礎上，對樁深進行優化，每縮短1m，作為一個模擬方案，共5個模擬方案，研究圍巖的變化規律，樁深的減少對隧道安全的影響等。

　　4 模擬結果分析

　　圍巖結構的穩定性分析主要表現在圍巖及結構的沉降、塑性區、主應力等方面;對于復雜的地下結構通過研究圍巖這幾方面規律變化，可以更好的預測圍巖穩定性的變化趨勢。

　　4.1 設計穩定性分析

　　數值模擬首先驗證了工程實例設計的穩定性，地表沉降可以作為地下工程數值模擬最直觀的表征。

　　樁基托換設計的沉降變形云圖，從圖2中可以看出，地表沉降最大值出現在上方隧道的底部，但數值上不是很大，在9mm左右，在托換梁左邊稍微出現微沉降，從云圖來看，上方隧道由于圍巖條件較差，出現較大變形，下方隧道圍巖條件較好，沒有太大的位移變化。

　　樁基托換設計的最大主應力云圖，從圖3中可以看出，上方隧道結構受力相對比較大，最大主應力還是出現在上方隧道的底部，而下方隧道受力相對較小。

　　從地表沉降及相關主應力可以對比看出，數值模擬的結果可以滿足結構穩定性的要求，預測樁基托換的相關設計可以滿足安全要求。

　　4.2 優化穩定性分析

　　樁基承受的荷載保證了結構的穩定性，但是現有設計相對趨于保守，因此對樁基進行優化，可以大大減少施工時間，降低施工成本。

　　方案5，樁基深減少5m，

　對樁基優化5m模擬引起的地表沉降云圖。從圖4可以看出，最大沉降位移依然出現在上方隧道的底部，結合圖2及圖4，托換梁左右都出現了相關沉降變化，并且從優化結果來看，隨著樁基的減少，托換梁左右的沉降逐漸變大，但數值并不是很大。

　　圍巖結構最大主應力出現的位置及數值都沒有太大變化，主應力上可以滿足優化要求。

　　4 小結

　　數值模擬可以為后續的施工設計提供理論依據：

　　(1)通過數值模擬，結合地表沉降及最大主應力分析，可以判斷圍巖結構穩定性，認為設計結構的穩定性可以滿足要求。

　　(2)從數值模擬結果可以看出，圍巖結構最差點出現在上方隧道底部，上方隧道相對比較危險，可以根據需要稍微增加結構厚度。下方隧道由于圍巖條件較好，基本沒有太大問題。

　　(3)通過優化模擬結果來看，現有樁深在保證安全的前提下，可以減少3-5m，降低施工成本，減少施工時間。

　　參考文獻(References)：

　　[1]尹京.超靜定結構主動樁基托換過程模擬與控制及其工程應用 2008

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

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　　[3]呂劍英.我國地鐵工程建筑物基礎托換技術綜述,施工技術 2010(9)