摘要：结合北京地铁 10号线国贸站西北风道施工对邻近短桩桥基影响的工程问题，运用 ABAQUS软件，在对施工过程进行三维动态模拟的同时，针对不同的桥基加固方案，重点研究施工过程中桥基的变形和受力性态以及桩土相互作用机理，并将部分计算结果与量测结果进行比较。研究表明，桩基托换能够有效地减少施工期间桥基的沉降；通过地面支撑减载以及在短桩底部进行局部注浆加固处理不能有效地减少施工对桥基的沉降影响。所取得的研究成果为该工程施工提供决策和指导作用，也可供类似工程参考。关键词：城市地铁施工；短桩桥基；加固效果；桩 -土相互作用；ABAQUS
引 言
随着城市地铁工程在我国的大量修建和快速发展，近邻桥梁基础进行地铁施工的工程案例已经越来越多，如何确保施工过程中近邻桥梁的安全，已成为亟待解决的现实难题［1］。
在建的北京地铁 10号线国贸站位于既有国贸立交桥下，车站洞室在国贸桥下基础之间穿过，施工期间桥梁的安全便成为国贸站工程施工的关键和控制因素，而施工期间桥梁的安全问题主要是由于施工导致桥梁基础变位所引起的，因此，研究国贸站施工对桥梁的影响主要是研究施工对桥梁基础的变位影响。国贸站工程影响范围内桥基密布，但就桥基桩长以及与结构的相对位置而言，主要分为短桩桥基、中长桩桥基、长桩桥基、长 - 短桩结合桥基等 4种类型，其中，短桩桥基属于最不利情况。为了确保施工期间短桩桥基的安全以及控制其变形在允许范围内，参与该工程的各方单位高度重视，制订了周详的加固方案。为了解施工期间桥基所受的响应以及选用合理的桥基保护方案，本文运用 ABAQUS软件，就国贸站西北风道施工对短桩桥基的影响以及不同加固效果进行了相关的研究和探讨。
1 工程概况
1.1 设计简介
北京地铁 10号线国贸站西北风道结构平面以及与近邻编号为 21西的短桩桥基的平面位置关系见图1所示，桥基与结构的剖面位置关系以及地层分布情况见图 2所示。图 1、2中单位为 m。1.2 施工简介
西北风道断面采用洞桩法施工，图 3为洞桩法结构断面施工方案，其主要施工步序为：(1)预加固左右小导洞→(2)开挖和支护左右小导洞→(3)小导洞内施工钻孔灌注桩→(4)小导洞内施做桩顶冠梁以及主体拱部位于小导洞内的初期支护结构→(5)小导洞内回填混凝土→(6)预加固主体拱部→(7)开挖主洞至开挖面 1→(8)施做主体拱部初支→(9)开挖主洞至开挖面 2→(10)施做支撑 1→(11)拆除主洞内的导洞初支→(12)开挖主洞至开挖面 3→(13)施做支撑 2→(14)洞内斜向下定向注浆→(15)开挖主洞至开挖面 4→(16)施做支撑 3→(17)预加固主洞底部→(18)开挖主洞至开挖面 5→ (19)施做二衬 1→(20)拆除支撑 3→(21)施做二衬 2→(22)施做支撑 4→(23)拆除支撑 2→(24)施做二衬 3→(25)拆除支撑 1→(26)施做二衬 4→(27)拆除支撑 4。1.3 桥基保护措施和加固方案
由图 1和图 2可知，21 西桥基不仅桩短而且与导洞支护外缘的距离在平面与剖面上只有 1.5m，因此，必须采取措施进行保护。鉴于该桥基的施工风险很大，经过比选和综合考虑，初步拟订了以下几种主要的加固方案。
1.3.1 开挖洞室周围注浆加固
即在开挖洞室周围实施注浆加固地层，改善地层的物理力学指标，主要是增加地层的变形模量 E、粘聚力 C、内摩擦角 φ等值，以减少地层的松动范围，从而达到减少地层变形的目的。具体措施为：(1)小导洞开挖周边预注浆处理，注浆范围不小于 0.8 m；(2)主体扣拱过程中拱部预注浆，注浆范围不小于0.8 m，采用大管棚配合小导管注浆；(3)主体洞内斜向下对桩周土层定向注浆，注浆范围不小于 1.5 m，开挖过程中桩间土层钢花管注浆；(4)主洞底部预加固注浆，注浆范围不小于 1.0m；(5)及时进行初期支护后的补充注浆，注浆加固范围分布见图 2所示。
1.3.2 桩底地层注浆加固
由于桩底地层为圆砾卵石层，此地层可注性较强，通过注浆加固地层可以提高地基的承载能力，也起到减少施工对桩底土层扰动的作用。实际操作过程是，水平方向上从短桩区域两侧在导洞内向中间进行夯击注浆钢管，垂直方向上则在导洞内从仰拱底部向桩基底部呈扇形逐渐靠拢。具体见图 4及图 2所示。1.3.3 桥基托换
就是在地面选择合适的地点打设深桩，深桩的长度达到结构底板以下的圆砾卵石层，通过后植筋技术将承台扩大，并将部分荷载转移至新增设的深桩上，使之与短桩共同受力，一起抵抗变形。这样可以大大提高短桩处的承载力，同时可以进一步减小桥基的沉降。托换桩为 4根，直径为 1.0m，桩长设计为 25.4m，持力层刚好在卵石层上，恰好避开了易塌孔的地层。考虑到承台、桥桩与墩身的协调性，将规格为 5.5m×5.5m×2m 的原设计承台扩成规格为 9.78m×9.78m×2.76m 的扩大承台，桥基托换设计简图见图 5。1.3.4 支撑减载
在地面扩大承台区域外搭设支架，对桥基上部的简支梁进行支撑，将部分荷载转移至支撑体系上，从而减轻桥基所承受的荷载，达到在后续施工过程中减小沉降变形的目的。原设计与短桩相连的墩身向下传递的最不利荷载为 13280kN，设计减载 3600kN。
1.3.5 其他方面
此外，还考虑了加强风道的施工设计参数，譬如，将原设计 Φ400，壁厚 10 mm 的钢支撑变更为Φ600，壁厚 12mm 的钢支撑，间距由 3m 变为 2m；暗挖施工中格栅密排通过；基坑开挖过程中及时封堵掌子面等措施。
2 施工对桥基影响的数值分析
2.1 计算模型的建立
土体和注浆加固区域的物理行为按 Mohr-Coulomb屈服准则考虑，支护结构和桥基的物理行为按弹性材料考虑。桩土之间相互作用的接触行为按有限滑动接触算法考虑。土体、桥基、加固区域、二衬等三维几何拓扑区域划分成块体单元，支护结构、边桩、横撑等二维几何拓扑区域划分成 （等效的） 壳体单元，桥基和土之间的相互作用界面用三维面 -面接触单元来模拟。地层的物理力学参数按地质详勘报告取值［2］，开挖、支护、加固等施工参数按照施工设计和加固方案取值［3-4］。支护结构的物理力学参数参阅规范取值［5］。开挖区域和托换桥基的空间位置关系及计算模型见图6所示。2.2 计算结果
根据工程的实际情况和需要，在考虑了洞室周围和洞内加固措施外，分别按桩基不托换(case-1)、桩基托换(case-2)、桩基托换 + 支撑减载(case-3)、桩底地层注浆加固(case-4)这 4种情况进行计算。目前，实际工程已经按工况 case-1完成了导洞施工，下面将部分计算成果与量测成果进行比较，同时对各种加固措施效果进行分析与评价。
（1）地表沉降分析。4种工况地表沉降对比分析表明，加固措施对地表沉降的影响比较小，考虑加固措施后地表沉降最大程度可以减少 2mm。图 7反映了 case-1典型断面地表沉降在不同施工阶段的分布形态以及与量测值的比较，其中 S1对应导洞施工完成，S2对应导洞内回填混凝土和洞内桩施工完成，S3对应主体扣拱施工完成，S4对应主体开挖完成，S5对应二衬施工完成，S6对应导洞施工完成时地表测点沉降值。导洞施工完成时，地表沉降量测值与计算值基本吻合［6］，量测最大值为 13.46mm，计算最大值为13.10 mm，施工完成时即 S5 阶段地表沉降最大值为31.56mm。 （2）桥基沉降分析。图 8反映了 case-1桥基承台顶面观测点沉降随施工阶段的变化曲线，其中，QJ1表示观测点计算值，QJ2表示观测点的量测值。计算曲线中，C1段对应导洞施工阶段；C2段对应回填和洞内桩阶段；C3段对应主体扣拱阶段；C4段对应主体开挖阶段；C5段对应导洞支护拆除阶段；C6段对应二衬施工阶段。导洞施工完成时桥基沉降为 7.5mm；回填和洞内桩施工完成时桥基沉降为 11mm；主体扣拱施工完成时桥基沉降为 13.1mm；主体开挖完成时桥基沉降为 17.6mm；二衬施工完成时桥基沉降为22.3 mm。导洞施工完成时观测点计算值为 7.50mm，而量测值为 7.32 mm，吻合较好［6］。图 9为 4种工况下桥基观测点沉降值比较，计算表明，case-1～case-4 桥基最大沉降分别为 22.3mm、15.1mm、14.5mm、17.1mm。 （3）桩 - 土相互作用分析。图 10为 case-1桩身和桩周土随施工阶段的沉降分布形态及桩土相对沉降比较，其中，PS-1为导洞施工完成时桩身沉降，PS-2为主体施工完成时桩身沉降，PS-3为二衬完成时桩身沉降，同理，SS-1、SS-2、SS-3为类似阶段桩周土的沉降。由比较分析可知，桩周土的沉降稍大于桩身沉降，桩土相对位移较小，桩身的摩擦力基本为负摩擦力。 图 11为 case-2桩身和桩周土随施工阶段的沉降分布形态及桩 -土相对沉降比较。由图中可知，施工期间桩身出现变形和受力中性点，在中性点以上部分，土的沉降大于桩的沉降，桩身的摩擦力为负摩擦力，相反，在中性点以下部分，土的沉降小于桩的沉降，桩身的摩擦力为正摩擦力。对于 case-1而言，短桩最大端阻力为 3682kPa，桩身范围内的负摩擦力很小，最大值约为 1.2kPa；对于 case-2而言，短桩最大端阻力为 779 kPa，桩身范围内的负摩擦力很小，最大值约为 0.2 kPa；长桩最大端阻力为 6813 kPa，桩身范围内的摩擦力很小，最大值约为 0.6 kPa。因此，桥基托换后，承载力主要由长桩提供，但托换前后桩的承载特性均表现为端承桩，这与桩底地基均为圆砾卵石层有直接关系。由于桩端阻力较大，桩底土体的塑性应变也较大。同时，桩周接触压力值的分布对后续施工阶段不敏感，其值变化较小。