对新建异型桥梁承台桩基托换受力的分析

王高飞WANG Gao-fei

（中铁十四局集团大盾构工程有限公司，南京 200001）

0 引言

随着我国的经济快速发展，城市群和都市圈人口剧增，交通压力持续增长，城市地上空间有限，为缓解不断增长的交通拥堵规模，人们逐步向地下发展交通。但地铁区间规划避免不了与地面原有构筑物如桥梁、房屋等产生空间冲突。

原有施工建设中普遍采取拆除地面原有构筑物，原地重建的方式，但工程成本巨大，进度缓慢，社会影响较大，地面交通不易保障畅通和尽快恢复。可以采用地铁桩基托换技术，既不影响地面交通，又可大幅缩减工程成本，提高工程进度。桩基托换技术一般用于改造建筑物地下基础，是进行地基处理和加固的一种方式，主要解决既有建筑物的地基加固问题、既有建筑物基础下需要修建地下工程及新建建筑工程影响到既有建筑物安全时需要处理等问题。采用桩基托换技术可以节省工期进度，减少项目的投资，保证城市交通体系正常运行，对周边环境影响较小。

在实际施工过程中较少涉及异形结构承台的桩基托换技术。本文结合厦门地铁6号线集华区间盾构工程，采用有限元软件分析异形桥台桩基托换过程中的受力情况，并通过现场监测结果验证各项指标是否满足相应规范要求。

1 工程概述

厦门地铁6号线集华区间盾构工程施工中，某区间穿越一高架桥，如图1所示。地铁盾构空间与高架桥Z3桥墩桩基发生冲突。因此需对该高架桥Z3桥墩桩基进行托换，以便盾构工程正常施工。原桥墩采用钻孔桩基础。

经专家论证后采用新建承台桩基托换既有下部承台桩基。新建承台宽5.5m，长13.8m，高3m，为异形结构承台，既有承台置于新建承台上方（如图1所示）。新建承台桩基直径1.5m，最小桩间距3.8m，最大桩间距12.25m。

2 桩基托换技术简介

施工时考虑区间正穿Z3桥桩基础，所以暂时拟对Z3进行托换处理。

新建承台形式为：桩基托换新建基坑深度约为5.045m（地面以下），坑中坑深度为2m，为异型桥台。

3 有限元分析

3.1 两种模型

为保证桩基托换中既有桥梁的稳定性，分别采用MIDAS/FEA与MIDAS/CIVIL建立三维模型和梁单元模型，对新建异型桩基承台受力情况进行对比分析。MIDAS/FEA是材料非线性和细部应力分析软件，可以方便地建立实体单元、板单元、杆单元模型。MIDAS/CIVIL主要对杆系结构进行分析，无法进行细部分析。

由图2、图3可知：对于异形承台而言，采用MIDAS/FEA三维模型能够分析单位面积内的应力变化，而MIDAS/CIVIL三维模型则是进行整体分析，无法看出微小部分的应力变化。

3.2 弯矩、桩基反力及剪力

桥梁自重和桥上车辆、行人的荷载均使承台产生向下的弯曲变形。新建承台的弯矩采用梁单元模型和三维模型计算的最大弯矩分别为32068.2与31000kN·m，MIDAS/CIVIL三维模型结果偏大约3.4%左右，计算结果稍偏安全。

MIDAS/CIVIL梁单元模型计算桩基反力结果差距较大，MIDAS/FEA三维模型显示桩基反力相差较小。因其距离梁中心及既有承台中心位置距离相差不大，MIDAS/FEA三维模型计算所得结果与实际结果更相符。取MIDAS/FEA三维模型维计算反力结果作为桩基承载力计算依据。

剪力对比分析可知，MIDAS/FEA三维计算模型与MIDAS/CIVIL梁单元计算模型，新建承台剪力结果总体吻合。各项荷载分项系数均取1的情况下，梁单元最大剪力值为13314.2kN，三维模型最大剪力值11900，梁单元计算剪力结果偏大约12%左右。梁单元计算结果稍偏安全。

综上所述，对新建异型承台弯矩、剪力计算分析时采用MIDAS/CIVIL梁单元计算模型进行验算，上部结构荷载模拟、桩基反力计算时采用MIDAS/FEA三维计算结果作为承载力计算依据。

3.3 永久作用与可变作用

桩基主要平衡2个方向的力，一是向上的摩檫力，二是承台下半部分向下的荷载。为防止桩侧摩阻力变化产生位移，需分析永久作用下与可变作用下桩基承台的位移变化。永久作用包括结构重力、预加力、土侧压力、混泥土收缩与徐变作用、基础变位作用等，可变作用包括汽车荷载、汽车冲击力、汽车离心力、汽车引起的土侧压力、汽车制动力、人群荷载、疲劳荷载、风荷载、温度荷载、支座摩檫力等。

3.3.1 永久作用

MIDAS/FEA建立的三维模型在上部桩基结构自重、承台自重及覆土重力等作用下，结构变形如图4所示。

由图4可知：桩基承台受永久作用后的最大位移为0.841mm，位于距中心点水平距离6.7m节点处。

MIDAS/FEA建立的三维模型在收缩、徐变作用下，结构位移如图5所示。

由图5可知：收缩、徐变作用下桩基承台的最大位移为2.347mm，位于距中心点水平距离7.1m节点处。

3.3.2 可变作用

MIDAS/FEA建立的三维模型在可变作用下，结构位移变形如图6所示。

由图6可知：在可变作用下，桩基承台结构的最大位移为0.420mm，位于距中心点水平距离x=6.6m节点处。

桩基主动托换完成后，后期承台变形主要由收缩徐变与可变荷载作用下的结构位移形成，最大位移为3.608mm，小于控制值5mm，满足规范要求。

3.4 新建承台抗冲切计算

新建承台受盾构区间线路的影响，设计结构为异形承台，需计算其抗冲切性能，保证其稳定性。按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）第5.6.1条要求，抗冲切承载需满足

式（1）中：R0为桩基重要性系数，F1为作用于冲切破环锥体上的冲切力设计值，A为冲切系数，F为承台混泥土抗拉强度设计值，Um为冲切破环锥体一般效应有效高度处的周长，H0为承台冲切破坏锥体的有效高度。

经计算得：R0×F1=49480.2kN。

因此，需确定合理的承台厚度，保证受力转换过程中的桥梁稳定性。

4 监控量测

4.1 监控量测的意义

在桩基托换过程，由于地质条件、荷载条件、材料性质、地下构筑物的受力状态和力学机理、施工条件及外界其他复杂因素的影响，岩土工程仍是一门不完善的科学技术，很难单纯从理论上计算和预测工程中可能遇到的问题，理论预测值不能全面而准确地反映工程的各种变化。因此，在理论分析指导下，对敏感位置布设现场监测是十分必要的。

通过对工程主体结构及周边环境的监测，可及时发现不稳定因素：由于隧道周边介质及环境较复杂，施工周期长，自然环境因素不可预测，须借助监测手段作为必要的补充，及时获取相关信息，确保隧道的稳定、地表建筑物和管线的安全。

监测工作可验证设计，指导施工：通过监测可以了解隧道结构及周边土体的实际变形和应力分布，用于验证设计方案与实际情况的吻合程度，并根据变形和应力分布情况来调整设计和施工，为施工提供有价值的指导性意见。

施工现场布设监测点可保障相关社会利益：区间掘进对周边建筑物、道路和地下管线等产生一定的影响，稍一疏忽很可能出现安全问题，带来巨大的经济损失、人身危险。跟踪掌握在土方开挖过程中可能出现的各种不利现象，及时调整施工参数、施工工序及是否要采取应急措施等提供技术依据，对保障相关社会利益不受损害具有重大现实意义。

通过对结构体、周边建（构）筑物、道路、地下管线等监测数据的收集、整理和综合分析，了解各监测对象的实际变形情况及施工对周边环境的影响程度，分析区域性岩土变形特征及支护方式，为以后类似工程的设计与施工积累现场经验。

4.2 监测点的布置及监测结果

沉降类监测点布置位置：地表沉降布置在周边地表，桥墩沉降布置在桥墩上方，桥面沉降布置在桥面，管线沉降等，主要设备为电子水准仪。

位移类监测点布置位置：地表竖向位移布置在周边地表，地下管线竖向位移布置在地下管线上，建筑物竖向位移布置在建筑物上，桥墩竖向位移布置在桥墩上，墙体深层次水平位移布置在墙体上，主要设备为施工全站仪。

钢筋混凝土支撑轴力监测主要在每断面位置上的主筋上埋设不少于4只传感器，主要设备为应力传感器。监测结果如表1所示。

表1 各监测点位移及轴力监测结果

由表1、表2可知各监测点的位移、轴力及应力均均符合设计要求，证明桩基托换技术合理有效。

表2 各监测点应力监测结果

5 结语

借助有限元软件MIDAS/FEA与MIDAS/CIVIL建立模型，对比分析异型承台桩基结构受力和变形，通过监控量测验证了两种模型分析能满足相应规范要求。采用有限元软件进行受力结构分析比采用图解受力分析法更准确直观，可为设计施工提供可靠数据参考。