洞內(nèi)大軸力大跨徑拱式樁基托換在地鐵建設(shè)中的研究與應(yīng)用

梁粵華， 翟利華, 2, *， 史海歐

(1. 廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 廣東 廣州 510010; 2. 同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201804)

0 引言

隨著地鐵線網(wǎng)的密集化建設(shè)，新建線路與既有地下結(jié)構(gòu)頻繁交叉沖突的現(xiàn)象更加凸現(xiàn)，造成樁基托換在地鐵建設(shè)中的應(yīng)用不斷增多。然而，受工程特點(diǎn)、計(jì)算難度、施工條件等因素影響，城市中心區(qū)域地鐵工程中的樁基托換，一直是設(shè)計(jì)施工中的高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。近年來，一些專家學(xué)者開展了相關(guān)的研究和實(shí)踐，并取得了一定的成果。呂劍英[1]綜合論述了我國地鐵工程常用的幾種基礎(chǔ)托換方法的原理和適用性，重點(diǎn)闡述了樁基托換的思路、類型及相關(guān)技術(shù)；劉啟峰[2]在對(duì)地面條件進(jìn)行充分研究后, 提出洞內(nèi)托換的設(shè)計(jì)理念并論證了其可行性；涂強(qiáng)[3]以深圳地鐵百貨廣場(chǎng)大廈樁基托換工程為依托, 闡述了樁基托換變形控制值的確定方法；胡瑞青等[4]運(yùn)用有限元方法分析研究了洞內(nèi)托換的施工力學(xué)行為，指出應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)托換節(jié)點(diǎn)處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以應(yīng)對(duì)應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)論證了注漿預(yù)加固能夠顯著減小沉降變形及優(yōu)化托換結(jié)構(gòu)受力。通過對(duì)既有工程案例調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，在托換形式選擇上，洞內(nèi)拱式托換一般只應(yīng)用于樁軸力較小(≤3 000 kN)且托換跨徑不大(≤8 m)的情況，當(dāng)樁軸力或托換跨徑較大時(shí)則少有被采用。

廣州地鐵某新線礦山法隧道位于番禺區(qū)南村萬博CBD核心地段，周邊建(構(gòu))筑物林立，地下空間復(fù)雜擁擠，限制條件繁多。為滿足線站位要求，該隧道需正下方下穿某大型地下商業(yè)空間，并對(duì)侵入隧道洞身范圍的5根大軸力(6 700 kN)灌注端承樁進(jìn)行托換，托換結(jié)構(gòu)中線跨徑達(dá)13.5 m。受地面條件及施工空間限制，工程采用洞內(nèi)拱式托換方案，然而本次托換樁的軸力、隧道的跨徑和現(xiàn)場(chǎng)條件的復(fù)雜程度，均遠(yuǎn)大于一般洞內(nèi)托換工程案例。本文以該樁基托換工程為依托，對(duì)托換方案擬定及設(shè)計(jì)過程中的一些關(guān)鍵問題展開論述，通過工程類比的方法總結(jié)出托換結(jié)構(gòu)尺寸初擬的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，并進(jìn)一步通過2D荷載結(jié)構(gòu)法內(nèi)力分析和3D地層結(jié)構(gòu)法變形模擬對(duì)托換結(jié)構(gòu)的承載力和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行了驗(yàn)證。通過對(duì)樁基托換關(guān)鍵技術(shù)的研究，證明了洞內(nèi)拱式托換可適用于大軸力大跨徑情況，驗(yàn)證了拱形托換結(jié)構(gòu)斷面尺寸初擬經(jīng)驗(yàn)規(guī)律的可應(yīng)用性，以期為類似工程提供案例參考。

1 工程概況

1.1 隧道與沖突樁平縱關(guān)系

本段礦山法隧道臨近番禺大道和漢溪大道交匯處，沿線大致平行于番禺大道方向，由南向北依次下穿2個(gè)大型地下商業(yè)空間(乙和甲)及7號(hào)線隧道，在漢溪大道東路口接入新建地鐵站。隧道采用復(fù)合式襯砌，外層采用350 mm厚噴射混凝土并輔以超前加固/支護(hù)措施施作初期支護(hù)，內(nèi)層采用550 mm厚模筑鋼筋混凝土施作永久結(jié)構(gòu)。與地下商業(yè)空間甲樁基沖突影響范圍內(nèi)斷面尺寸(寬×高)為12.0 m×11.6 m(A型下穿斷面)，斷面結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。隧道拱頂埋深25.5～31.5 m，洞身主要位于全-微風(fēng)化混合花崗巖層(〈6Z〉-〈9Z〉)，局部拱頂為混合花崗巖殘積土(〈5Z-2〉)，隧道平縱關(guān)系和地層條件如圖2所示。

圖1 托換斷面結(jié)構(gòu)布置(單位： mm)

(a) 隧道與鄰近結(jié)構(gòu)相對(duì)平面關(guān)系

(b) 隧道右線縱剖面

地下商業(yè)空間甲為3層大型地下框架結(jié)構(gòu)，平面總尺寸約210 m×90 m，平均柱間距8.4 m，頂板覆土約1 m，底面埋深約19 m，上跨既有7號(hào)線隧道。為減小對(duì)7號(hào)線隧道的影響，采用沖鉆孔灌注端承樁基礎(chǔ)，其中5根沿地下空間西側(cè)邊墻布置的樁基與新線隧道右線沖突。樁基直徑為1 m，樁頂埋深約地面以下21 m，樁側(cè)地層由上至下為混合花崗巖殘積土〈5Z〉、全風(fēng)化層〈6Z〉、強(qiáng)風(fēng)化層〈7Z〉和中風(fēng)化層〈8Z〉；端承樁單樁承載力達(dá)6 700 kN(標(biāo)準(zhǔn)組合)。沖突樁(被托換樁)與隧道右線相對(duì)位置如圖3所示，根據(jù)施工記錄，樁底標(biāo)高一般在托換結(jié)構(gòu)底面以下。

1.2 地質(zhì)水文條件

1.2.1 地質(zhì)條件

(a) 相對(duì)平面關(guān)系

(b) 剖面1-1

1)濕化試驗(yàn)指標(biāo)顯示，混合花崗巖殘積土-強(qiáng)風(fēng)化層(〈5Z〉-〈7Z〉)遇水易軟化崩解，最短崩解時(shí)間為4 min，最大崩解量達(dá)100%；

2)混合花崗巖殘積土顆粒組成為"兩頭大、中間小"，相關(guān)土層既有砂土的特征，又有黏性土特征，當(dāng)滲流水力梯度大于臨界梯度時(shí)，在土體內(nèi)部易產(chǎn)生管涌等滲透變形現(xiàn)象；

3)混合花崗巖類殘積土和全/強(qiáng)風(fēng)化層在天然狀態(tài)下具有較好的力學(xué)性質(zhì)，但水理性質(zhì)較差，遇水后強(qiáng)度及承載力驟減，未加固前不宜作為托換結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)持力層；

4)混合花崗巖中/微風(fēng)化層(〈8Z〉/〈9Z〉)承載力較高，持力層厚度較大，基底無軟弱夾層，力學(xué)性質(zhì)及穩(wěn)定性較好，可作為托換結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)持力層；

5)場(chǎng)地內(nèi)土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)及其鋼筋具有微腐蝕性。

表1 廣州地鐵某礦山法隧道區(qū)間地層組成情況及土層關(guān)鍵參數(shù)

1.2.2 水文條件

詳勘期間(2017年底至2018年初)地下水穩(wěn)定水位埋深0.90～14.5 m。地下水按賦存方式可劃分為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。前者主要位于填土之下，黏性土之間： 人工填土中主要為上層滯水，其他松散層孔隙水主要為潛水?？伤苄苑圪|(zhì)黏土層及淤泥質(zhì)土層富水性差、透水性微，為相對(duì)隔水層?；鶐r裂隙水主要賦存于混合花崗巖強(qiáng)風(fēng)化層〈7Z〉及中風(fēng)化層〈8Z〉中，水量較為豐富且具有承壓性。各含水層之間存在一定的水力聯(lián)系。

詳勘報(bào)告同時(shí)指出，受季節(jié)及周邊工地施工影響，本地段水位變化明顯?？紤]到混合花崗巖殘積土及全/強(qiáng)風(fēng)化層遇水易軟化崩解，從嚴(yán)控沉降及建筑物保護(hù)的角度出發(fā)，要求對(duì)掌子面及至開挖輪廓外一定范圍內(nèi)所有殘積土-強(qiáng)風(fēng)化層(〈5Z〉-〈7Z〉)進(jìn)行WSS雙液注漿加固止水。

場(chǎng)地內(nèi)地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)及其鋼筋具有微腐蝕性。

2 樁基托換方案

2.1 樁基托換方式的確定

地鐵工程樁基托換方式的確定大致可以從以下3個(gè)方面進(jìn)行考慮：

1)按托換結(jié)構(gòu)埋深確定?？筛鶕?jù)樁基埋深及地面空間限制情況選擇采用淺層(近地面)托換或深層(洞內(nèi))托換。

2)按變形控制要求確定?？筛鶕?jù)施工條件選擇主動(dòng)托換或被動(dòng)托換。主動(dòng)托換利用千斤頂作為變形補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，通過預(yù)頂升進(jìn)行托換并控制結(jié)構(gòu)沉降，適用于變形控制要求嚴(yán)格的情況。被動(dòng)托換直接將托換結(jié)構(gòu)與沖突樁相連，依靠托換結(jié)構(gòu)剛度抵抗變形。一般而言，主動(dòng)托換可控性強(qiáng)、效果好，但所需工作空間較被動(dòng)托換大[5]。

3)按托換結(jié)構(gòu)形式確定?？筛鶕?jù)環(huán)境條件、托換跨徑及變形控制等要求選擇承臺(tái)托換、梁式托換或拱式托換。承臺(tái)托換采用擴(kuò)大承臺(tái)包樁的方式，一般只適用于托換跨距較小的情況。梁式托換需施作托換結(jié)構(gòu)，所占空間一般較大，若托換位置低于地面且無法明挖時(shí)更需另外施作工作豎井及導(dǎo)洞[2]。拱式托換可通過加厚初期支護(hù)的方式進(jìn)行，特別適用于礦山法施工且地下空間受限的情況，但既有工程案例樁軸力均較小(單樁軸力一般<1 500 kN)。

本次托換位置樁基埋深較大，且影響范圍內(nèi)地面交通繁忙，故無法采用明挖或淺層托換。同時(shí)，考慮到礦山法施工洞內(nèi)條件有限、工作面狹窄，主動(dòng)托換施工難度大、時(shí)間長，故優(yōu)先考慮被動(dòng)托換。此外，由于托換樁軸力和所需跨越隧道洞徑均較大，梁式托換所需空間不易滿足，而外擴(kuò)加厚初期支護(hù)較為容易，故優(yōu)先考慮拱式托換。在綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及施工可行性后，選定洞內(nèi)拱式托換為工程最后實(shí)施方案。

本次托換的原理是在初期支護(hù)和二次襯砌間增設(shè)拱形托換結(jié)構(gòu)，通過其剛度和變形將既有樁力傳遞至基礎(chǔ)持力層(見圖4)，其中，托換結(jié)構(gòu)豎向反力由基巖承載力提供，水平反力由拱腳豎向壓力引起的水平靜摩擦力及拱腳上方側(cè)壁承受的水平向反力提供。由于被動(dòng)托換必然會(huì)引起樁基沉降，其允許沉降指標(biāo)可參照工程類比及GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]，按沉降差限值控制，同時(shí)應(yīng)滿足地下商業(yè)空間結(jié)構(gòu)安全和正常使用的要求。

圖4 洞內(nèi)托換原理

2.2 主要施工工序、實(shí)施前提和控制要點(diǎn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件及工期安排，本次樁基托換的主要施工工序?yàn)椋?/p>

1)施作超前注漿加固及超前支護(hù)措施；

2)施作隧道及托換結(jié)構(gòu)初期支護(hù)，其中，托換結(jié)構(gòu)初期支護(hù)通過植筋與被托換樁相連；

3)在托換節(jié)點(diǎn)處對(duì)被托換樁對(duì)穿植筋，施作托換結(jié)構(gòu)；

4)施作托換結(jié)構(gòu)寬度及其兩側(cè)2 m范圍(預(yù)留施工空間)以外隧道二次襯砌；

5)待上述二次襯砌和托換結(jié)構(gòu)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度后截樁，待穩(wěn)定后施作剩余二次襯砌。

與常規(guī)的初期支護(hù)-托換結(jié)構(gòu)-二次襯砌施作順序不同，本次托換先行施作托換結(jié)構(gòu)范圍外二次襯砌，不僅為了保證截樁時(shí)受力轉(zhuǎn)換的安全，也大大提高了隧道結(jié)構(gòu)的整體剛度，利用了土體及結(jié)構(gòu)空間效應(yīng)減小托換時(shí)產(chǎn)生的上部結(jié)構(gòu)沉降。

托換實(shí)施前應(yīng)調(diào)查和分析既有結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀和整體性能，同時(shí)對(duì)托換引起的地下空間結(jié)構(gòu)變形和受力變化進(jìn)行評(píng)估。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)對(duì)被托換樁參數(shù)(如直徑、位置和樁底標(biāo)高等)和托換結(jié)構(gòu)基底地質(zhì)情況(需到達(dá)中-微風(fēng)化層)進(jìn)行復(fù)核確認(rèn)。截樁前應(yīng)采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法確認(rèn)托換結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求方可實(shí)施。由于無法直接測(cè)量樁頂變形，施工過程中應(yīng)加強(qiáng)洞內(nèi)、臨近地表及地下空間變形監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取有效措施應(yīng)對(duì)。主要變形累計(jì)控制值如下。

1)洞內(nèi)變形： 拱頂沉降20 mm；凈空收斂10 mm。

2)地表沉降： 30 mm。

3)地下空間變形： 沉降差0.002l(兩測(cè)量點(diǎn)間距)。

2.3 托換結(jié)構(gòu)尺寸初擬及初期支護(hù)參數(shù)

洞內(nèi)拱式托換結(jié)構(gòu)尺寸的擬定宜按照荷載結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算分析確定。結(jié)構(gòu)尺寸擬定可參考現(xiàn)有文獻(xiàn)和設(shè)計(jì)例子(見表2)，大致有以下規(guī)律：

1)托換結(jié)構(gòu)斷面高度可按其結(jié)構(gòu)中線跨徑的1/10進(jìn)行估算，同時(shí)需滿足沖切及植筋構(gòu)造的要求。

2)托換結(jié)構(gòu)斷面寬度可按每m有效寬度承擔(dān)不超過1 500 kN樁軸力進(jìn)行估算。有效寬度等于總寬度減去樁直徑或影響區(qū)寬度(群樁情況)。

受現(xiàn)場(chǎng)空間制約，托換結(jié)構(gòu)總寬度不可以超過4.5 m，托換斷面尺寸初擬時(shí)按照剛度相同原則對(duì)斷面高寬進(jìn)行了調(diào)整。同時(shí)，考慮到洞內(nèi)拱式托換一般只應(yīng)用于樁力較小、跨徑不大的情況，而本次托換樁軸力及跨徑明顯大于既有參考案例，故在尺寸初擬時(shí)對(duì)斷面高寬按經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了10%的放大。應(yīng)用上述規(guī)律，由所需跨越隧道凈寬約11.3 m及樁軸力6 700 kN，可擬定托換結(jié)構(gòu)尺寸(寬×高)為4 500 mm×1 750 mm。

表2 拱式樁基托換案例調(diào)研

托換結(jié)構(gòu)尺寸擬定后，可根據(jù)洞身所在地層情況進(jìn)一步擬定其初期支護(hù)措施，具體參數(shù)如下：

1)拱部150°范圍內(nèi)采用雙層φ108×6大管棚施作超前支護(hù)(托換結(jié)構(gòu)內(nèi)外各1排管)，環(huán)向間距0.3 m，長47.0 m，從臨近新設(shè)車站基坑一次性打入。內(nèi)環(huán)配以φ42×3.5超前注漿小導(dǎo)管，長4.0 m，環(huán)縱間距0.3 m×2.5 m，與管棚交錯(cuò)布置。

2)初期支護(hù)格柵鋼架，主筋4×φ32，內(nèi)、外側(cè)保護(hù)層均為40 mm，每榀進(jìn)尺0.5 m。

3)在被托換樁寬度范圍內(nèi)，初期支護(hù)鋼架主筋應(yīng)與預(yù)先植入樁內(nèi)的鋼筋焊接(見圖5)；樁兩側(cè)應(yīng)各密排3榀初期支護(hù)鋼架。

4)格柵鋼架之間采用φ22縱向連接筋，環(huán)向間距1 m。

5)C25噴射早強(qiáng)混凝土，350 mm厚，抗?jié)B級(jí)別為P6。

6)若被托換樁樁底標(biāo)高與托換結(jié)構(gòu)底面接近，需保留樁輪廓外1.75 m范圍內(nèi)樁底巖柱并配以鋼套筒(見圖6)，以確保樁軸力能有效傳遞至地基。

圖5 既有樁與初期支護(hù)鋼架間植筋連接(單位： mm)

(a) 保留巖柱大樣剖面圖

(b) 鋼套環(huán)大樣

2.4 植筋構(gòu)造

本次托換采取了植筋的方式將既有樁與托換結(jié)構(gòu)相連，利用植入鋼筋自身的抗剪/銷栓作用，把樁荷載以沖切剪力的形式傳遞到托換結(jié)構(gòu)。因此，托換結(jié)構(gòu)最小高度需滿足植筋的構(gòu)造要求，其中最外層植筋到構(gòu)件表面最小距離可按GB 50367-2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]規(guī)定取最小構(gòu)件厚度的1/2。植筋時(shí)需分批施工，每一批植筋在樁的任一水平截面內(nèi)不應(yīng)超過2孔，且需待前一批植筋的植筋膠凝固之后方可施工下一批。詳細(xì)植筋情況見圖7。

(a) 對(duì)穿植筋大樣平面圖

(b) 對(duì)穿植筋大樣橫剖面圖

3 托換結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

3.1 承載力及正常使用極限狀態(tài)計(jì)算

鑒于托換結(jié)構(gòu)對(duì)地下商業(yè)空間甲及新建隧道的重要性，設(shè)計(jì)計(jì)算采用了較保守的荷載結(jié)構(gòu)法，利用Midas GTS NX建立2D有限元分析模型進(jìn)行分析，如圖8所示。

1)初期支護(hù)和托換結(jié)構(gòu)均采用梁單元模擬，單元?jiǎng)澐殖叽缂s為1 m。這種引入初期支護(hù)的算法是廣州微腐蝕性水/土地區(qū)對(duì)只模擬二次襯砌算法的一種優(yōu)化，經(jīng)過了研究和論證，并多次在廣州地區(qū)的工程實(shí)踐中得到應(yīng)用。

2)初期支護(hù)橫截面尺寸(寬×高)取4 500 mm×350 mm?？紤]到噴混凝土只起到臨時(shí)支護(hù)作用，取初期支護(hù)剛度折減系數(shù)為0.75(即為未折減剛度的75%)。初期支護(hù)外施加只受壓土彈簧，彈簧剛度取2.03×105kN/m(由基床系數(shù)45 MPa導(dǎo)出)。

3)托換結(jié)構(gòu)截面尺寸(寬×高)取4 500 mm×1 750 mm。初期支護(hù)和托換結(jié)構(gòu)之間的相互作用采用只受壓彈簧模擬，彈簧剛度取1.20×108kN/m(由混凝土彈性模量導(dǎo)出，取名義彈簧長度為初期支護(hù)和二次襯砌的中距1.05 m)。

(a) 荷載結(jié)構(gòu)模型

(b) 模型三維視圖

(c) 彎矩

(d) 軸力

(e) 剪力

4)根據(jù)原地下空間設(shè)計(jì)，恒載和活載下樁軸力分別為5 375 kN和1 325 kN；應(yīng)用前按GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[14]及常用民用建筑構(gòu)造進(jìn)行了復(fù)核和論證。

5)托換結(jié)構(gòu)上同時(shí)施加相關(guān)水土壓力。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，取水土合算及水土分算兩者間最不利情況計(jì)算。托換結(jié)構(gòu)承載力及正常使用極限狀態(tài)最不利內(nèi)力組合計(jì)算結(jié)果見表3。迎土面最大允許裂縫寬度為0.2 mm，其余為0.3 mm。當(dāng)采用C35混凝土及HRB400鋼筋時(shí)，計(jì)算所需縱向拉筋為10 651 mm2/m(配筋率0.65%)，抗剪箍筋為1 490 mm2/m，樁基與托換結(jié)構(gòu)連接處抗沖切所需植筋為29根φ32對(duì)穿鋼筋。正常使用極限狀態(tài)下迎土面最大裂縫寬0.07 mm，內(nèi)側(cè)表面最大裂縫寬0.20 mm。

表3 托換結(jié)構(gòu)承載力及正常使用極限狀態(tài)最不利內(nèi)力組合計(jì)算結(jié)果

3.2 沉降分析

由于荷載結(jié)構(gòu)模型默認(rèn)地層自身沒有剛度，同時(shí)2D分析無法模擬地層的空間作用，因此沉降分析采用了3D地層結(jié)構(gòu)模型(見圖9)。此模型假定圍巖既是荷載的來源，又是支護(hù)的重要組成部分，特別適用于需要考慮圍巖非線性特征及施工過程影響的數(shù)值模擬。為同時(shí)滿足計(jì)算精度及速度的要求，本次模擬采取了以下模擬規(guī)則，計(jì)算軟件為Midas GTS NX。

圖9 托換結(jié)構(gòu)3D地層結(jié)構(gòu)模型沉降分析

1)模型最小平面尺寸及拱底以下地層厚度約取5D(D為隧道最大毛洞跨徑)。

2)分別采用梁單元模擬樁基，殼體單元模擬新建隧道初期支護(hù)和托換結(jié)構(gòu)，實(shí)體單元模擬土體。土體和托換結(jié)構(gòu)間引入界面單元模擬土體和結(jié)構(gòu)相互作用。

3)為避免引入相關(guān)結(jié)構(gòu)剛度，保守地以荷載的形式對(duì)地下商業(yè)空間甲進(jìn)行模擬。

4)對(duì)隧道初期支護(hù)、托換結(jié)構(gòu)及樁基等結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用了線彈性結(jié)構(gòu)模型，對(duì)各土層采用了摩爾-庫侖(M-C)本構(gòu)。

5)模擬依照施工步序進(jìn)行。隧道開挖過程應(yīng)力釋放比例按經(jīng)驗(yàn)取0.4∶0.3∶0.3，即在土體開挖及緊隨的2個(gè)分析步驟中的應(yīng)力分別占總釋放應(yīng)力的40%、30%和30%；截樁過程中樁軸力轉(zhuǎn)換通過使托換結(jié)構(gòu)以下的樁基梁單元失效一步完成。

托換產(chǎn)生的樁頂沉降和托換結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形計(jì)算結(jié)果如圖10所示。托換完成后，樁頂最大沉降值為8.6 mm；最大樁間沉降差為5.6 mm，按樁中心距4.0 m計(jì)算，滿足GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中0.002l的限值要求。正常使用極限狀態(tài)組合下托換結(jié)構(gòu)拱頂和拱肩沿縱向彎矩平均值分別為3 762 kN·m/m和3 675 kN·m/m，小于荷載結(jié)構(gòu)法模型結(jié)果，但兩者差異在合理范圍內(nèi)，其反映了地層附加剛度的作用。

3.3 地下商業(yè)空間結(jié)構(gòu)安全評(píng)估

為評(píng)估樁基沉降對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)安全的影響，采用了有限元方法對(duì)地下商業(yè)空間甲結(jié)構(gòu)獨(dú)立建模，并將3.2節(jié)得到的樁頂沉降以強(qiáng)制節(jié)點(diǎn)位移的形式加入分析。結(jié)果顯示，樁基沉降對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)受力情況有一定影響(約為相應(yīng)承載力的5%～10%)，但未造成根本性改變，地下空間結(jié)構(gòu)承載力及正常使用極限狀態(tài)仍均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

(a) 被托換樁樁頂沉降(單位： m)

(b) 沿托換結(jié)構(gòu)縱向彎矩(單位： kN·m/m)

(c) 托換結(jié)構(gòu)變形(單位： m)

4 結(jié)論與討論

本文以洞內(nèi)大軸力大跨徑拱式樁基托換為研究對(duì)象，對(duì)托換方式的選定、托換結(jié)構(gòu)尺寸初擬及后續(xù)承載力和變形驗(yàn)算、托換對(duì)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響等關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究和分析，主要結(jié)論如下：

1)驗(yàn)證了洞內(nèi)拱式托換可應(yīng)用于大軸力大跨徑情況。隨著地鐵線網(wǎng)的密集化發(fā)展，地鐵建設(shè)中需要進(jìn)行樁基托換而周邊施工條件有限的情況將不斷增多，此時(shí)可優(yōu)先考慮采用洞內(nèi)拱式托換方案，在免受地面條件影響的同時(shí)減少托換所需空間及工程量。

2)對(duì)于拱式托換結(jié)構(gòu)尺寸，結(jié)構(gòu)斷面高度可按托換結(jié)構(gòu)中線跨徑的1/10擬定，結(jié)構(gòu)斷面寬度可按每m有效寬度承擔(dān)不大于1 500 kN樁軸力擬定。托換結(jié)構(gòu)高度需同時(shí)滿足沖切及植筋構(gòu)造的要求。

3)對(duì)于結(jié)構(gòu)承載力相關(guān)計(jì)算，如托換結(jié)構(gòu)尺寸最終確定和配筋計(jì)算等，宜按2D荷載結(jié)構(gòu)法進(jìn)行計(jì)算分析，選取水土合算或水土分算最不利情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4)對(duì)于變形相關(guān)計(jì)算，如被托換樁樁頂沉降等，宜采用3D地層結(jié)構(gòu)法進(jìn)行模擬分析。由于2D荷載結(jié)構(gòu)法沒有考慮土體剛度，同時(shí)土荷載計(jì)算方法(如普氏理論、太沙基理論、鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范方法等)和土體約束(土彈簧)的估算均較為主觀和簡化，其變形計(jì)算結(jié)果可能與實(shí)際情況存在較大的差異。

5)托換對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響可采用將托換結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)分別獨(dú)立分析評(píng)估的方法，即計(jì)算托換結(jié)構(gòu)變形的時(shí)候不考慮上部結(jié)構(gòu)的剛度，托換結(jié)構(gòu)分析完成后將得到的樁頂沉降以強(qiáng)制節(jié)點(diǎn)位移的形式加入到上部結(jié)構(gòu)中進(jìn)行評(píng)估。此方法雖然結(jié)果偏保守，但簡化了托換結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)之間的相互作用，降低了計(jì)算難度，可以在較短的時(shí)間內(nèi)得到相對(duì)合理的分析結(jié)果。

雖然本次設(shè)計(jì)研究工作滿足了工程推進(jìn)的需要，但是針對(duì)部分問題仍有必要進(jìn)行更深入的研究，例如：

1)2D荷載-結(jié)構(gòu)模型部分考慮了初期支護(hù)的作用，而初期支護(hù)并未按永久結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此做法已在微腐蝕性水/土地區(qū)多次實(shí)踐且未發(fā)現(xiàn)異常，但在后續(xù)工作中仍應(yīng)該對(duì)初期支護(hù)在長期使用過程中性能退化的影響做進(jìn)一步的研究分析。

2)2D荷載-結(jié)構(gòu)模型中，初期支護(hù)和托換結(jié)構(gòu)之間僅考慮了受壓作用，沒有考慮剪切作用。后續(xù)研究可按實(shí)際工程情況建模分析，得出更貼近實(shí)際情況的結(jié)果。

關(guān)于洞內(nèi)大軸力大跨徑拱式托換技術(shù)還有很多其他方面值得研究和深化，如特大軸力或跨徑時(shí)雙層甚至多層托換結(jié)構(gòu)的應(yīng)用、托換結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)整體分析結(jié)果準(zhǔn)確性問題、運(yùn)營期間列車振動(dòng)對(duì)托換結(jié)構(gòu)性能的影響等。通過對(duì)相關(guān)問題的研究，可形成系統(tǒng)化的洞內(nèi)拱式托換設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)，為同類工程提供有力的技術(shù)支持。