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铁路与公路四川建筑第43卷第4期既有城市高架桥梁桩基托换方案实用性研究任娜（广东和立土木工程有限公司，广东广州511450）【摘要】随着城市轨道交通的迅速发展，地铁隧道与公路、市政桥梁等建构物的基础交叉已经无法避免,桩基托换的技术也得到了广泛的应用与,托换技术已经非常成熟 1-3。根据类似的案例，桥桩托换对既有桥梁的影响也是可控的。以广州市轨道交通十三号线二期工程西松区间段广清立交进城高架桥43墩桥梁桩基托换为背景，详细论述了地铁隧道施工过程对既有高架桥的影响，同时从托换联桥梁上部结构受力、托换桩基承载力及不均匀沉降实测值对桥梁桩基托换方案合理性论证，最终确定适用于本项目的桥梁桩基托换方案。【关键词】轨道交通；地铁隧道；桩基托换；承载力；不均匀沉降【中图分类号】U452.2*50引言随着城镇化水平不断提高，我国地下轨道建设事业取得了显著的成果,城市地铁运营里程飞速增长。也正是因为这样，在城市建设用地稀缺的背景下，新建地铁路线方案多选用地下区间隧道方案。在建及规划的地铁线路与既有城市高架桥梁桩基冲突的案例正逐年增多,本文主要研究了地铁隧道下穿对既有临近桥梁桩基的影响及桩基主动托换方案。1工程概况广州市轨道交通十三号线二期工程西松区间属于城市地下隧道，采用盾构法施工。在K6+869.4处广清进城高架桥43桥墩A桩与区间左线相冲突。进城高架桥第十二联（42 48 ）（6 2 5+2.95）m采用现浇预应力混凝土连续箱梁,桥面宽度9.5m,左腹板高1.7 1m,右腹板高1.6 m。混凝土C50,钢束均采用标准强度为18 6 0 MPa,腹板束1515.24mm，顶板束、底板束均采用515.24mm，张拉控制应力为139 5MPa。荷载采用汽超2 0,挂-12 0。既有桩基为承台桩基础，桩长2 5.8 m，桩径1.3m，承台尺寸为2.5m2.5m2m。需对此部分桩基进行托换，桩基托换采用主动托换方式处理。托换结构形式采用技术较成熟的“托换新桩+托换大梁”组成的“门字架托换体系”。托换桩采用钻孔灌注桩，桩径l.3m、桩长2 8 m、端承桩,共2 根。隧道埋深17.8 8 4m，无软基处理，隧道左线与广清进城高架桥的夹角为11.1，隧道右线与广清立交进城高架桥的夹角为7.3，广清进城高架桥梁既有桩基与地铁隧道平立面及剖面关系如图1 图3所示。拟采用对既有广清立交进城高架桥43墩A桩桩基进行托换加固。托换承台与隧道中心线方向夹角为10 0,分别采用2 根直径1.3m桩，桩帽尺寸为2.5m2.5m1.5m,托换梁尺寸为长13.4m宽2.5m厚2.8 m，托换梁顶标高为4.8。96【文献标志码】A桩基托换广清立交进城高架桥图1西松区间隧道下穿广清立交进城高架桥位置图2 西松区间隧道下穿广清进城高架桥43#A桩实景2有限元计算模型2.1隧道施工对高速桥梁影响有限元模型本文采用岩土工程领域研发的通用大型有限元分析软件MIDAS/GTSNX分别对西松区间隧道穿越前后高架桥桩的基轴向应力、竖向及水平位移、路基沉降和承载能力验算。计算模型中土体、承台、盾壳、注浆层采用实体单元，管片、钢定稿日期 2 0 2 2-0 5-18作者简介任娜（198 3一），女，硕士，工程师，从事桥梁工程工作。环城高速公路广清立交S匝道区间左线区间右线任娜：既有城市高架桥梁桩基托换方案实用性研究进城高架桥43桥收方墩1.0 m-1.0地面标高7.6 046.75承台顶高6.8 0 06.250000+F-51:00-7-3C,dcF:53.00-3.15F=62:00工-28.00-9.15C.de59.007-2%二爱质费者F95.00c.de-26.3529C2*风化灰岩图3广清进城高架桥43桥墩桩基托换结构剖面（单位：mm）板桩采用2 D板单元，钢支撑、桩基采用1D梁单元。其中管片厚度为0.3m，钢板桩按抗弯刚度等效为均匀厚度0.16 m的钢板，钢支撑采用直径d0.4m、壁厚8 mm的钢管。三维有限元数值计算中的地层和相关结构的具体几何参数为实际设计值，物理力学参数的选取参考地勘、设计文件和设计资料获得。计算中，各土层采用修正摩尔一库伦弹塑性本构模型，回弹模量均取为弹性模量的3倍；隧道衬砌采用弹性模型，各材料的具体参数见表1。表1计算模型土层参数取值容重/弹性模材料泊松比(kN/m)量/MPa素填土19.1淤泥质土17.3冲洪积可塑19.4粉质黏土全风化炭质页岩、19.1泥岩、粉细砂岩微风化石灰岩26.812600.0计算模型中不建立上部结构网格，桥墩、桥面及路面荷载以集中力或均布荷载的形式施加在桩基承台上，经上部结构计算分析,43墩处上部结构荷载为56 6 9.8 kN,桥墩自重为50 4.4kN,计算模型中，盾构掘进过程产生的施工荷载主要包括掘进推力，注浆压力和千斤顶推力，其中掘进推力作用于盾构隧道开挖面，取为12 0 kN/m；注浆压力作用于盾尾后的第一个节段，取12 0 kN/m；千斤顶推力作用于管片侧面,取1 2 0 0 kN/m。承台2.5-2.5桂顶标高4.8 0 0250托换架THI.2托换染底标高2.0 084001340013009600被托换桩长2 5.8 m进城高架桥43入桥栓00082批面标高-15.5桂滨标离-2 10 0（纵断面图上显示桂底高程为-2 5.2 0 m，需进一步核实）文桂底标高粘聚力/内摩擦kPa角/（）12.00.433.50.448.00.3825.00.300.23为模拟盾构区间隧道下穿广清高速的施工过程，本次数值计算中的施工过程为：30千斤顶1300托换袜11.016.08.87.519.015.045.022.0650.035.0（1）激活土层，模型的四周和底部的边界条件为法向约束,地表为自由边界条件,在自重条件下求解至平衡，位移清零。(2)施工桩基及承台，施加上部结构荷载，求解至平衡，位移清零。（3)施工基坑钢板桩围护结构。（4)施工支撑与基坑开挖体系。(5)施工托换桩、托换承台、桩帽等。(6)进行盾构开挖工序。图4为建立完成的三维计算模型图；图5为桥梁与隧道相对位置关系,基坑围护结构与隧道相对位置关系及隧道下穿桥梁桩位如图6、图7 所示。其中X轴方向为水平方向、Y轴正方向为隧道开挖方向、Z正方向竖直向上。考虑到隧道埋深较浅，模型建立时依据隧道力学知识，考虑隧道开挖的影响范围及尽量减少边界效应，确定模型尺寸为6 0 m50m60m。模型中地层及厚度自上而下依次为素填土1.4m,强风化粉细砂岩、石英砂岩9.4m，全风化炭质页岩、泥岩、粉细砂岩6.0 m，强风化炭质页岩、泥岩17.2 m，微风化石灰岩11.0m。最终计算模型共划分为37 2 6 6 个单元,16 0 31个节点。图4三维计算模型网格划分图6 基坑围护结构与隧道相对位置关系2.2托换联所属上部桥梁结构有限元模型通过隧道施工对既有桥梁桩基产生的竖向位移作为不均匀沉降对桥梁上部结构承载能力极限状态和正常使用极限状态进行验算，验算指标均按原设计规范JTJ021-89公路桥涵设计通用规范执行，采用桥梁博士V3建立上部结构计算模型，在验算模型中，节点数量为94个，梁单元数量均为93个，有限元模型如图8 所示。97图5桥桩与隧道相对位置关系42图7 隧道下穿桥桩位置关系铁路与公路图8 上部结构有限元模型3计算结果分析本文主要分析了托换前桥梁桩基受力、托换后桥梁桩基受力、托换前后桥梁墩顶变形。3.1托换前桥梁桩基受力图9为三维计算中进城高架桥42 44 原有桩基在托换前的最大轴向应力图，图中受压区应力值为负。ENX四川建筑第43卷第4期于5MPa,满足要求，详见表2。表2 桥墩桩基最大轴向应力变化托换前最大桩基托换后桥墩桩号轴向应力42#桩1.2643#桩0.9244#桩1.623.3托换前后桥梁墩顶变形分析图12、图13分别为三维计算中，进城高架桥42 44#原有桩基的竖向位移云图和水平位移云图。图14、图15分别为隧道通过后，进城高架桥42 44桩基的竖向位移云图和水平位移云图，图中沉降变形值为负。单位：MPa隧道通过后最大轴向应力最大轴向应力1.271.481.621.801.621.73图12 桥梁桩基托换后进城高架桥42 44桩基竖向位移云图图13桥梁桩基托换后进城高架桥42 44 桩基位水平移云图图9桩基托换前进城高架桥42#44 桩基最大轴向应力云图根据图9计算结果可知，42 桥墩桩基的最大轴向应力为1.2 6 MPa,43桥墩桩基的最大轴向应力为0.92 MPa,44#桥墩桩基的最大轴向应力为1.6 2 MPa。3.2托换后桥梁桩基受力分析图10 所示为三维计算中，进城高架桥42 44原有桩基在托换后的最大轴向应力图,图中受压区应力值为负。(1mRTBR-图10 桥梁桩基托换后进城高架桥42#44#桩基最大轴向应力云图图11所示为三维计算中，盾构隧道通过后，进城高架桥42 44 桩基的最大轴向应力图，图中受压区应力值为负。图11隧道通过后进城高架桥42#44桩基最大轴向应力云图从图9 图11中可以看出，原有桩基托换前后桥桩最大轴向应力变化不大，各组桥墩下桥桩应力分布较均匀，均小98图14隧道通过后进城高架桥4244桩基竖向位移云图根据以上结果进行汇总，可知桩顶各阶段最大竖向位移值，详见表3。表3桥墩桩基最大位移变化NX托换桩、梁施工后桩桥墩桩号基最大竖向位移值42#桩-0.00743#桩-1.57144#桩-0.007从上述计算结果可知，进城高架桥42*-44 桩顶最大竖向位移为-1.6 50 mm，发生在43#桩顶，最大水平位移为0.242mm，发生在44桩顶。隧道施工后，纵向相邻墩台不均匀沉降差最大值为1.455mm，小于2 mm，满足要求。NX3.4托换联上部结构验算按JTJ023-85公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范计算托换联原桥上部现浇箱梁承载能力极限状态强度和正常使用极限状态拉应力和压应力。同时通过现场实测43 桥墩支座不均匀沉降：附加2 mm（监测不均匀沉降控制值)进行验算，计算结果如表4 表7 所示。（1)进城高架桥第十二联（托换桩43所属联）原桥上部结构验算结果（表4、表5）。（2)进城高架桥第十二联（43 桩附加监测值不均匀沉降2 mm)上部结构验算结果（表6、表7）。图15隧道通过后进城高架桥4244桩基水平位移云图单位：mm隧道通过后桩基最大竖向位移值-0.195-1.650-0.230任娜：既有城市高架桥梁桩基托换方案实用性研究表4按8 5规范验算承载能力极限状态计算结果（原桥上部结构验算）抗弯弯矩效应/85规范最大值位置(kN m)跨中16238.65组合I墩顶16213.90 30874.75表5按8 5规范验算正常使用极限状态应力计算结果（原桥上部结构验算）验算截面应力值/MPa原设计 规范值是否满足规范拉应力（荷载组合I）1.16正截面抗裂拉应力（荷载组合）验算拉应力（荷载组合）主拉应力（荷载组合I）斜截面抗裂主拉应力（荷载组合）验算主拉应力（荷载组合）正截面法向压应力（荷载组合I）压应力法向压应力（荷载组合）验算法向压应力（荷载组合）主压应力（荷载组合I）斜截面主压应主压应力（荷载组合I）力验算主压应力（荷载组合）表6 按8 5规范验算承载能力极限状态计算结果(43桩附加监测值不均匀沉降2 mm)弯矩效应/85规范最大值位置(kN m)跨中16247.4328218.13组合1墩顶16667.554结论根据广州市轨道交通十三号线二期工程西松区间隧道下穿/侧穿广清高速桥梁段的相对位置关系，建立了三维计算模型，通过模拟隧道开挖施工全过程，分析了隧道掘进过程中桩基受力与变形等，得出几点结论：(1)桩基最大轴向应力：托换前后桥桩最大轴向应力变化不大，各组桥墩下桥桩应力分布较均匀，均小于5MPa,满足要求。(2)桩顶位移：桩顶最大竖向位移为-1.6 50 mm，发生在43 桩顶。最大水平位移为0.2 42 mm，发生在44桩顶。隧表7 按8 5规范验算正常使用极限状态应力计算结果（43桩附加监测值不均匀沉降2 mm）不均匀沉规范值/是否满富余是否满承载力/比例/%足规范(kN m)28218.131.571.132.112.162.258.329.538.328.369.538.37抗弯承载力/富余比例足规范(kN m)73.68%30874.7585.24%验算截面应力值拉应力（荷载组合I）73.77满足90.42满足2.4满足2.7满足2.7满足2.4满足2.7满足2.7满足17.5满足21满足21满足21满足22.75满足22.75满足是否满满足满足降/mm1.612.4正截面抗裂拉应力（荷载组合）验算拉应力（荷载组合）主拉应力（荷载组合I）斜截面抗裂主拉应力（荷载组合）验算主拉应力（荷载组合）法向压应力（荷载组合I）正截面压应力法向压应力（荷载组合）验算法向压应力（荷载组合）主压应力（荷载组合I）斜截面主压应主压应力（荷载组合I）力验算主压应力（荷载组合）道施工后，纵向相邻墩台不均匀沉降差最大值为1.455mm，小于2 mm,满足要求。通过对广清高速43 墩托换桩基对应上部结构第十二联承载能力及正常使用极限状态验算结果可知：考虑43桩基不均匀沉降2 mm工况后，上部主梁跨中抗弯承载能力几乎没有变化，而墩顶抗弯承载力降低约5%。正常使用阶段主梁正截面拉应力增加约0.45MPa，主拉应力几乎未发生变化，在荷载组合作用下法向压应力和主压应力均增大0.43MPa,均在但是均能满足8 5规范拉应力限值。1彭坤，陶连金，高玉春，等。盾构隧道下穿桥梁引起桩基变位的数值分析 J.下空间与工程学报2 0 12，8（3）：48 5-48 9.2闫鑫，叶阳升，张梅，等地铁隧道下穿既有铁路桥施工影响分析 J.铁道建筑，2 0 12(6)：8 4-8 5.3韦京，王芳，孙明志.PBA工法地铁车站下穿桥梁方案优化研究 J.现代隧道技术，2 0 14,51(6)：10 1-10 7.4黄思勇，熊刚，罗昊冲.津滨轻轨基础托换工程关键技术创新 J隧道与轨道交通，2 0 10(2：7-11.5杨虎荣，柯在田，邓安雄.大轴力桩基托换监测分析 J中国铁道科学，2 0 0 4,2 5(3）：44-49.6徐前卫，朱合华，马险峰，等。地铁盾构隧道下穿桥梁下方群桩基础的托换与除桩技术研究 J岩土工程学报，2 0 12，34(7):1217-1226.7毛学锋，许智焰，胡京涛.深圳地铁3号线广深铁路桥梁桩基托换设计 J.铁道工程学报，2 0 12，2 9（3）：91-95.mm2.022.71.562.72.112.42.162.72.252.78.3217.59.96218.32218.32219.9622.758.3722.75参考文献足规范满足满足满足满足满足满足满足满足满足满足满足满足99