城市快速路高架桥桩基被动托换技术研究

李鹏飞

(贵阳市公共交通投资运营集团有限公司 贵阳 550081)

在实际工程建设中，地铁线路不可避免与既有建(构)筑物在空间上产生冲突，需要采用基础托换的方式进行处理[1-2]。桩基托换是最常见的基础托换形式。

目前国内学者针对桩基托换问题进行了一些研究：刘春杰等[3]研究了一些特定环境下几种不同桩基托换工法的合理性；韦青岑等[4]采用高桩承台桩基托换技术解决托换体系与新建工程相互影响的问题；臧一平等[5]提出了桩基被动托换+地基注浆加固方案解决施工过程中既有桥梁结构安全性问题；文献[6-8]通过有限元模拟分析得出了桩基托换过程中既有结构沉降的一些影响规律；朱金涌[9]研究了托换前后桩身轴力和侧摩阻力的一些变化规律。在工程建设中，如何确保桩基托换施工安全和质量，降低因受力体系转换造成既有建(构)筑物产生不均匀受力开裂乃至报废的风险，已是工程界亟需解决的问题[10]。鉴于此，该文结合贵阳地铁某号线某区间隧道下穿城市快速路中环高架桥桩基托换施工背景，对桩基被动托换施工技术展开研究，对其施工技术要点控制进行阐述，拟利用有限元软件进行模拟分析计算并提出相关建议，为今后类似工程提供一定的参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

贵阳地铁某号线某区间隧道下穿的城市快速路中环高架桥上部结构为非标准异形普通钢筋混凝土连续箱梁，下部结构为门式墩，基础为承台+桩基础。受区间暗挖隧道施工影响，需对城市快速路中环高架桥15号和16号桥墩旧桩基进行托换，共需托换桩基6根。该区间与中环高架桥平面位置关系见图1。

图1 区间与中环高架桥平面位置关系图

1.2 工程、水文地质情况

根据地质勘察报告，施工区域穿越茅口组中厚层石灰岩或白云岩，岩层产状96°∠30°，岩体整体稳定性较好，局部分布溶洞及溶蚀破碎带。沿线以岩溶水为主，位于地表以下3.8～35.2 m。

2 桩基托换方案设计

2.1 设计原则

1) 必须保证城市快速路的原设计技术标准及交通安全。

2) 采用传力直接、受力明确的体系转换结构。

3) 施工期间及托换完成后必须确保桥梁结构安全。

4) 该桩基托换还需考虑对地铁区间隧道施工的影响，应确保区间隧道结构限界不受影响。

2.2 桩基托换方案比选

目前，托换结构按照荷载转移方式不同可分为主动托换和被动托换。其中，主动托换是指采用机械装置主动顶升被托换结构，以部分消除被托换体系长期变形的时空效应，将上部荷载及变形运用顶升装置从原基础转移到新基础上；而被动托换是指在托换结构完成后将托换桩切除，直接将上部荷载通过托换结构传递到新桩，而不采取其他调节变形的措施。主动托换和被动托换优缺点见表1。

表1 主动与被动托换优缺点

结合现场实际情况，经方案比选论证后，该工程确定在不影响城市快速路正常通行的前提下，采用被动托换方案为最佳方案。与主动托换相比，该工程采用的被动托换方案减少了4次人为施加外力引起既有结构受力变形，8个施工安全风险隐患点和3次管线迁改，工程造价降低了约80万元，占道施工缩短了约1.5个月。

2.3 托换结构设计

该工程需对中环高架桥15号和16号桥墩既有6根直径1.8 m桩基全部采用被动托换设计。新建托换桩基16根和承台4座，其主要结构设计参数如下。

1) 新建托换采用直径1.5 m的嵌岩桩设计，桩底嵌入中风化岩层不小于2 m且在隧道基底以下深度不小于2 m。

2) 新建承台和被托换承台之间通过相互咬合、界面处理和钢筋焊接来满足抗剪设计，即将被托换承台表面凿毛，深度为被托换承台露出主筋为准，同时进行界面处理并将托换承台钢筋与被托换承台主筋焊接。托换结构设计断面见图2。

图2 中环高架桥托换结构设计断面图(单位：mm)

3 桩基托换有限元模型受力分析计算

选取最不利工况的右幅16-4号承台桩基托换为例，分别对城市快速路中环高架桥上部结构和下部结构进行有限元分析模拟计算。

3.1 上部结构分析

3.1.1模型建立

利用midas软件建立该桥梁16号墩处整联连续箱梁6自由度梁单元模型进行模拟，计算出基本组合和标准组合下的支座反力，同时建立16号门式墩模型，将支座反力作为荷载施加于门式墩模型，得到各工况的墩顶集中力和弯矩。桥梁单元具体模型见图3。

图3 桥梁单元模型

3.1.2计算结果

根据上述得出的支座反力计算出16号墩基本组合和标准组合的反力和弯矩值，最终采用midas模拟计算出16-4号墩柱在基本组合和标准组合情况下的内力值见表2。

表2 16-4号墩柱内力值

3.2 16-4号承台受力分析

在城市快速路正常通行情况下，采用ABAQUS软件建立16-4号既有墩柱、承台、桩基有限元实体分析模型，分别对被托换承台开挖阶段、新承台正常使用阶段和新旧承台交界面3种工况进行计算分析。

3.2.1被托换承台开挖阶段

被托换承台施工开挖暴露后需分析该工况下承台在不同的支座反力作用下的应力状态。

1) 基本组合。根据有限元模型对16-4号被托换承台开挖阶段在基本组合下模拟分析计算得出：承台最大主拉应力为2.7 MPa(其中，X方向拉应力为1.8 MPa，Y方向拉应力为0.6 MPa)，桥墩最大主拉应力为1.3 MPa，大部分区域低于混凝土抗拉强度设计值。

2) 标准组合。对16-4号被托换承台开挖阶段在标准组合下模拟分析计算得出：被托换承台与桩的最大主拉应力为1.8 MPa，桥墩的最大主拉应力为0.5 MPa，大部分区域均低于混凝土抗拉强度设计值。被托换承台开挖阶段应力云图见图4。

图4 旧承台开挖阶段应力云图(单位：Pa)

3.2.2新承台正常使用阶段

在切割完被托换桩基后，桥梁荷载完全由新承台桩基进行承担，需分析新承台在不同的支座反力作用下的应力状态。

1) 基本组合。对16-4号新承台在基本组合下模拟分析计算得出：新承台与托换桩基绝大部分区域主拉应力未超过1.5 MPa，仅新承台顶面和底部出现最大拉应力为2.7 MPa，故需对桥墩进行局部分析。新承台使用阶段局部应力云图见图5。

图5 新承台使用阶段局部应力云图(单位：Pa)

新承台最大主拉应力超过2.7 MPa的区域仅集中在桥墩一侧(其中，X方向拉应力为1.7 MPa，Y方向拉应力为0.5 MPa)，大部分区域均低于混凝土抗拉强度设计值。另外，沿顺桥向承台中部的轴力为-5 000 kN，承台中部的弯矩为-2 820 kN·m。

2) 标准组合。对16-4号新承台在标准组合下模拟分析计算得出：新承台与桩绝大部分区域主拉应力不超过1.0 MPa，结构最大主拉应力仅出现在桥墩底部，为1.3 MPa，大部分区域均低于混凝土抗拉强度设计值。另外，沿顺桥向承台中部的轴力为-4 320 kN，承台中部的弯矩为-1 910 kN·m。新承台使用阶段应力云图见图6。

图6 新承台使用阶段应力云图(单位：Pa)

3.2.3新旧承台交界面受力分析

新旧承台交界面处力学性能是决定结构受力体系转换成功与否的关键所在。因此，需对交界面进行植筋处理并进行剪切性能模拟分析，确保新旧承台能够很好地进行受力传递。

在基本组合下，新旧承台交界面处最大主拉应力为0.6 MPa；在标准组合下，新旧承台交界面处最大主拉应力为0.5 MPa。交界处区域均低于混凝土抗拉强度设计值。

4 沉降变形分析

4.1 模拟沉降变形分析

通过有限元分析模型对结构在支座反力下的竖向弹性变形进行模拟计算，得到下部结构最大竖向变形为-2.3 mm。

1) 桩基变形对上部结构的影响。在原设计模型中已经人为考虑墩顶支点处5 mm的不均匀沉降变形，出于对整个托换结构的安全性考虑，对承台竖向弹性变形模拟计算值和人为考虑变形沉降变形值2种情况叠加计算最不利组合状态，即承台的总变形最大为7.3 mm。在模型中将这些竖向变形作为沉降考虑，对桩基的沉降值进行不同的组合，得到对桥梁上部结构应力最不利的组合工况，从而重新进行上部结构应力验算。结果显示，最大应力包络图同样没有较大的变化，标准组合最大拉应力为5.20 MPa，最大压应力为4.71 MPa。桥梁上部结构标准组合应力包络图见图7。

图7 桥梁上部结构标准组合应力包络图(单位：MPa)

2) 桩基变形对下部结构的影响。16-4号承台竖向弹性变形为2.3 mm，在模型中将这些竖向弹性变形作为沉降考虑，对桩基的沉降值进行不同的组合，得到对于16号门式墩应力最不利的组合工况，从而重新进行上部结构应力验算，结果显示：16号门式墩考虑桩基变形后压应力均大于6 MPa,且未出现拉应力。

4.2 施工过程跟踪监测结果

4.2.1监测控制值及监测频率确定

该桩基托换过程中对受桩基托换影响的连续箱梁及下部结构分别布置沉降和倾斜监测点。其中，上部结构布置42个沉降点，桥墩布置16个沉降点和16个倾斜点，并制定了桩基托换监测控制值及监测频率。桩基托换监测频率见表3。

表3 桩基托换监测频率表

4.2.2监测结果

桩基托换施工期间，分别对上部结构及托换桩基进行实时监测。

1) 桥梁上部结构沉降监测。施工过程中对桥梁上部结构进行实时跟踪监测，累计沉降最大测点为DK29+290DBC-L，累计变化量-2.34 mm，发生在16-4桩基托换处，其沉降最大变化值发生在桩基托换体系转换3 d内，其余时间段均趋于稳定状态，分析其沉降原因是由于桩基托换引起16-4号墩柱沉降及倾斜度变化导致。

2) 16-4号桥墩沉降、倾斜监测。施工过程中针对16-4号桥墩处沉降、倾斜进行跟踪监测分析。JGC16-4桥墩监测点时态曲线见图8。

图8 JGC16-4桥墩监测点时态曲线图

由图8可见，桥墩倾斜和沉降最大变化值发生在桩基托换体系转换3 d内，其余时间段均趋于稳定状态。查阅桥梁竣工图和桩基托换施工过程中相关资料，16号墩设计为固结墩柱，且位于较小的转弯半径上，长期受其上部恒载和活载影响导致16号墩应力集中倾斜变形，在桩基托换过程中，由于受力体系转换，使其原有应力释放过程中出现垂直度和沉降轻微变化。另外，在有限元分析模型中也显示桥墩与承台结合部位应力云图异常。

根据跟踪监测数据可知：桩基托换对该桥沉降、倾斜影响较小，累计变化最大值均发生在16-4号桥墩处，且监测数据均未超过设计控制值要求。桩基托换施工期间及隧道下穿过程中数据处于较平缓状态。桥梁上部结构沉降、桥墩倾斜和沉降监测数据累计变化最大值见表4。

5 技术控制要点

5.1 桩基托换结构施工要点

1) 根据地质勘察报告，需提前对托换桩范围内存在的溶洞采用注浆回填处理。

2) 受桥梁净空限制，所有桩基均采用人工成孔方式，在开挖过程中应做好混凝土护壁，必要时采用钢护筒护壁防护。桩端嵌岩段严禁采用护壁。

3) 被托换承台混凝土表面凿毛时若发现混凝土裂缝、大面积脱落等异常情况，应立即停止施工，同时采取临时安全加固措施。被托换承台混凝土表面处理见图9。

图9 被托换承台混凝土表面处理

4) 被托换承台周围设置构造钢筋笼并与既有钢筋焊接。

5) 托换桩基应进行100%无损检测，且对托换桩的单桩竖向承载力进行检测。

6) 在施工过程中，应对旧桩、承台沉降和裂缝加强监测，及时反馈监测信息以便指导施工。

5.2 托换结构体系转换要点

1) 在托换桩顶、桩身及桩底预埋传感器，以测定托换结构体系转换及暗挖隧道下穿过程中托换桩的轴力变化。

2) 在被托换承台上、下部位分别预埋应变计，以确定被托换结构的托换荷载转换。

3) 新建承台的混凝土达到设计强度后方可采用绳锯切割被托换桩基，在切割旧桩基过程中，应按照托换受力转换顺序进行分幅、分基坑、分阶段实施。

4) 托换过程中每一道工序均应对桥梁沉降和托换承台裂缝等进行监控量测，并及时反馈监测信息以便指导施工。

5.3 隧道下穿施工要点

1) 施工前需进一步收集桥梁的基础资料，并核实桩基与隧道的平面及纵断面位置关系，若与设计不符，应及时处理。

2) 隧道采取直径108 mm大管棚+直径42 mm超前小导管+系统锚杆+钢拱架形式加强初期支护。

3) 区间下穿桩基托换段采用非爆破开挖。开挖一榀支护一榀，逐榀成环推进。达到一次二衬施作长度后及时施作二衬。

4) 开挖过程中加强对桥梁上部结构沉降、桥墩倾斜和沉降、洞内拱顶沉降和水平收敛等监测，根据监测反馈信息及时采取相应的措施，确保施工安全和质量。

6 结语

该工程在不影响城市快速路正常交通的情况下采用桩基被动托换方案，从模拟计算结果可知：在整个施工过程中的整体应力较小，各种工况的拉应力值都在2.0 MPa以下。对最大主拉应力超过2.0 MPa的局部区域分别提取X和Y方向的拉应力，2个方向的拉应力均小于2.0 MPa。另外，根据后期施工监测结果来看，与模拟计算结果基本吻合，从而说明该工程桩基托换是安全可靠的，并提出以下建议。

1) 为确保下穿隧道及桥梁桩基结构安全，工程建设过程中应加强下穿隧道开挖支护及二衬施工质量，控制桥梁桩基侧向变形，确保桥梁结构安全。

2) 桩基托换施工前应对被托换桥面、桥墩的前期变形、结构裂缝情况进行周密调查，确定被托换结构的最终沉降标准，确保上部结构的正常使用。

3) 桩基托换及暗挖隧道施工过程中应随时监测托换上部结构的变形和结构开裂情况。如遇变形和结构开裂趋势增大时，应立即停止施工，采取措施予以控制。