摘 要:桩基托换是解决盾构穿越障碍的有效方法之一，以上海市地铁 10 号线在沙泾港

桥处盾构穿越桥梁桩基为例，采用有限元法对箱型结构体系进行了受力和变形分析，发现桥面板和筏板最大的变形发生在中跨，其最大变形和沉降量分别为8． 197 mm 和3． 835 mm，因此需要对筏板下地基进行加固处理。计算结果表明: 随着筏板厚度的增加，桥梁跨中最大位移也相应增加，但是桥墩与桥台之间的边跨却呈下降趋势; 经优化分析筏板厚 1． 2 m 时，刚性的增强和能量的消耗刚好达到理性平衡。

关键词: 有限元法，桩基托换，箱型结构体系

 

      当前上海地区轨道交通建设的一个显著特点是施工环境日益复杂，新旧线、新建线路之间的交叉、穿越以及盾构穿越既有构筑物等问题更加突出。尤其是当盾构穿越建筑物、桥梁等结构时，往往会遇到打入深度较深的桩基，这对盾构推进形成障碍，增加了施工难度。盾构在推进过程中，穿越河流，河流上方桥梁的桥墩、桥台均采用桩基础支撑，导致盾构在该处推进时，必须对桩基进行拔除或切断等处理，随着对施工技术要求的提高，这些复杂问题的妥善解决及其相关关键技术的研究必然格外重要且有意义，保证工程得以安全、经济、高效地实施。以上海地区为例，盾构隧道施工中遇到桩基托换及拔桩等类似工程的施工经验很少，相关施工经验主要有: 上海合流污水工程中 6． 1 标段，盾构穿越黄浦江旧驳岸未知桩^［1］; 地铁 M8 线鞍山新村站-四平路站区间隧道施工中，3#盾构机穿越打虎山路 84 弄 1-2 号公房桩基^［2］; 地铁 2 号线西延伸段古北路站-中山公园站区间隧道施工中，盾构穿越桩基^［3］; 轨道交通 9 号线一期 R4． 10 标段的潘家桥改建工程等^{［4 ～6］}。本文以上海市地铁 10号线在沙泾港桥处遇到的盾构穿越桥梁基础这一工程难题为例，结合工程本身的特点和国内外的施工经验，针对筏板基础及地基加固范围进行优化设计，从而为工程的顺利实施提供了借鉴和指导作用。

      在进行桩基托换施工过程中，往往需要辅以地基加固处理以减小不均匀沉降导致结构体系的应力集中。为了研究不同的地基加固范围对桥梁结构体系的影响，分别针对筏板下全断面加固、中跨下加固、隧道周边3 m 范围内加固等几种情况进行计算。

 

      针对桥梁托换后形成的箱形结构体系，进行了有限元模拟。图 1 为所用的有限元模型。箱体的外围尺寸为 26 ×32 ×6 m，顶板厚度 1 m，底板厚度1 m，桥台处隔墙壁厚 1 m，桥墩处隔墙壁厚 1． 5 m。钢筋混凝土材料的重度为25 kN/m³，弹性模量3 ×10¹⁰Pa，泊松比为 0． 2; 对于桥梁、筏板及中间隔墙形成的箱形结构体系采用 shell43 单元来模拟。对作用在筏板上的地基反力采用 combin14 弹簧单元模拟，其弹簧常数可参照《上海市地基基础设计规范》有关规定取值，本文取 1． 05 ×10⁵kN / m³; 对于隔墙下的桩基反力也采用 combin14 弹簧单元模拟，其弹簧常数可近似由沉降沉降验算参数来计算，在本文中取 1． 0 × 10⁶kN / m³。模型的边界条件可分为位移边界条件和力边界条件，其中，筏板底部结点施加水平方向约束( x、z 方向) ，对两侧桥台位置的隔墙施加侧向土压力，对于桥梁顶部的均布活荷载按 20． 0 kN/m²计算，如图 2 所示。

      图 3 及图 4 表示托换后箱形结构体系的变形情况，可以看出，桥面板的变形主要发生在中跨，最大变形 8． 197 mm; 筏板底部最大变形也是发生在中跨，最大沉降量为 3． 835 mm。同时，两侧桥台隔墙在外侧土压力的作用下向箱内变形，而由于箱形体系的刚性较大，导致桥墩位置隔墙均产生向桥台方向的变形，同时在结构体系自重和上部荷载的共同作用下，底板产生向下的变形，其中中间跨的中部变形最大，而在桥墩、桥台下方由于有桩基反力的存在，该位置处的变形较小。由此可见，为减少底板下沉导致的结构体系的不均匀沉降，需要对筏板下地基进行加固。

      图 8 表示的是沿道路方向桥梁表面中线和边线处的沉降，可以看出，桥梁跨中处的沉降值最大，并且桥梁两端边线处的沉降值要略大于中线处的值，最大沉降为 8． 197 mm，这一点可以从图 9 中得到反映。之所以会出现这种情况，是由于桥梁中线处的刚度相对两端边线处的大，受到的约束较多所致。图10 表示的是桥墩顶面的沉降，可以看出，由于桥墩的刚性较大，导致其顶面沉降较小，同时桥墩中心处的沉降相对较大，而其两侧处的沉降相对较小，这一点与图9 中桥梁跨中处的沉降略有不同。

      图 11、图 12 和图 13 分别表示的是托换后结构体系的 x、y、z 三向应力云图，可见对结构体系影响最大的是 x 向挤压应力 2． 78 MPa。

 

      为了研究筏板厚度对桥梁结构体系承载能力的影响，故分别针对筏板厚度为 0． 6 m、0． 8 m、1． 0 m、1． 2 m、1． 4 m、1． 6 m 等不同情况加以计算，计算结果如下。

      图 14 表示的是不同筏板厚度时沿道路方向筏板中线的沉降，可以看出，随着筏板厚度的增加，桥梁跨中处最大位移也相应增多，但是在桥墩与桥台之间的边跨却呈下降趋势，这一点可以由图 14 看出，并且在筏板厚度大于1． 2 m 后，下沉速度加快。

      由图 16 可以看出，当筏板厚度低于 1． 2 m 时，对应桥梁跨中位置处的筏板沉降较大，并且在两侧边跨也在对应的跨中位置出现极大位移值，但是桥墩隔墙处下沉较小。当筏板厚度大于1． 2 m 时，整个筏板的沉降最大值也是出现在桥梁跨中位置处，但是两侧边跨跨中处没有出现位移极大值，并且桥墩隔墙处下沉量比较大，明显高于筏板厚度较小时的值。之所以会出现这种情况，是由于筏板厚度较薄时，其刚性不足，在上部结构荷载作用下会产生较大位移; 而当筏板厚度较大时，因其刚性较大，与上部结构形成的结构体系整体性好，故而使得桥墩处产生较大沉降。

      现在来看随着筏板厚度的增加桥梁面板下沉量反而有所增加的问题，是由于筏板厚度增加导致箱形结构刚性增加，导致体系内所积蓄的能量通过筏板的下沉来释放的部分减小，这就必然使得通过桥面板的下沉来释放的能量相对增多，故而桥面板下沉量相对增大。另一方面，综合图 15 和图 17 可见，结构体系在筏板厚度达到 1． 2 m 时，刚性的增强和能量的消耗刚好达到理性的平衡，由此可见，在设计时采用 1． 2 m 的筏板厚度是比较理想和经济的。

      鉴于筏板托换后，桥梁中心和筏板中线处要产生较大沉降，在桥面板和筏板上产生不均匀沉降，故为了减小这种不均匀沉降导致结构体系的应力集中，需要对筏板下进行加固处理。为了研究不同加固范围对桥梁结构体系的影响，分别针对筏板下全断面加固、中跨下加固、隧道周边 3 m 范围内加固等几种情况进行计算。

      选取中跨筏板底满堂加固，计算得到加固后筏板沿竖向的变形如图 18 所示，对应的筏板应力状态如图 19、图 20 和图 21 所示。加固后筏板最大沉降大大减小，仅为 1． 47 mm，这说明板底加固能有效减少筏板的不均匀沉降。

      图 19、图 20 和图 21 分别给出了加固后筏板上的 x、y、z 向应力云图。由于地基加固作用，导致筏板的不均匀沉降减小，所以加固后筏板上的对应应力也较小。

      图 22 给出了加固前后沿道路方向桥梁中心处y 向沉降，可以看出，采取加固方案能有效减小桥面的沉降。图 23 表示不同加固范围对桥梁中心最大沉降的影响，可以看出采取筏板下全断面加固能最大限度减小桥面沉降。

      通过以上分析，可以得出如下结论:

      ( 1) 桥面板和筏板底部的最大变形发生在中跨，桥墩、桥台下方的变形相对较小。因此减少底桥下沉导致的不均匀沉降需对筏板地基进行加固处理。

      ( 2) 筏板的厚度增加时，桥梁跨中处最大位移也相应增加，边跨的位移却呈下降趋势，并且筏板厚度 1． 2 m 时是理想厚度。

      ( 3) 加固范围影响筏板基础的不均匀沉降，采用全断面加固时能最大限度的减少桥梁中心最大沉降量。

 

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