官润荣
（广东省冶金建筑设计研究院有限公司 广州 510080）
随着城市基础建设的快速发展，城市路网及地铁交通网越发密集，因此，新建桥梁与既有或规划地铁隧道存在冲突的情况也越来越多，特别是在市中心路网与地铁线路密集的交通枢纽地带，这种冲突显得愈加激烈［1］。对于桩基与地铁结构之间的相互影响，国内外学者开展了大量的研究工作。陈子全等人［2］研究了桩基托换过程中的受力转化机理和盾构隧道掘进对桥梁粧基结构的影响；
徐前卫等人［3］提出了扩大板式基础托换以及盾构直接切桩的施工技术。邓涛等人［4］针对桥梁上部结构-桩身-土体三者共同组成的复杂超静定结构，分析了在不同顶升荷载作用下复杂超静定结构的内力与位移响应特性；
王莉萍［5］对大跨度梁式托换工程的设计及其优化进行了探讨；
王建伟［6］针对地铁下穿高架桥梁情况，提出了4 种加固保护技术，并得出钢管隔离桩加固＜洞内注浆加固＜袖阀管注浆加固＜综合加固的加固效果排序；
高福华［7］结合工程周边环境及施工条件，提出了适合盾构施工的参数及控制指标、桥梁基础差异沉降控制指标和穿越施工时的针对性保护措施。
以上研究的工作重点主要集中在工程具体方案确定后开展的研究，如桥梁桩基与地铁结构冲突时通过采用骑马桩、桩基托换等方式处理后，再在此基础上开展桥梁桩基与地铁结构在施工期间及后期运营期间的相互影响关系及采用有效工程加固、保护技术等方面的研究。但对于工程中桩基与地铁之间如何避开影响的研究比较少。本文旨在通过分析桥台的基本受力机理，设计了一种新型桥台结构，通过数值分析模拟计算，验证该结构构造合理、安全可靠，较好地解决了实际工程中桥台桩基与地铁结构空间相冲突的难题。另外，根据本文新型桥台设计理念的延伸与拓展，提出了其它两种桥台形式，为今后类似的项目提供实用性参考。
某项目位于广州市黄埔区，道路长582 m，红线宽40 m，双向6车道，设计速度为50 km/h，道路等级为城市主干路。桥位地处建成区，周边建筑物主要为小区、村庄居民自建房屋，局部有荒地、鱼塘、河涌等。道路在里程K0+305.000位置跨越乌涌，乌涌段正下方为已建成通车的广州地铁13 号线。跨乌涌桥梁拟采用一跨过涌方式。
桥梁上部结构采用1×41 m简支钢混组合梁结构，梁高2.0 m，全桥横断面宽40 m，横向共布置8片梁体。地理位置如图1所示，桥梁标准横断面如图2所示。
图1 某跨涌大桥地理位置Fig.1 Over River Bridge Geographical Position
图2 某跨涌大桥横断面Fig.2 Over River Bridge Cross Section （mm）
2.1 项目主要控制因素
根据本项目建设资料，项目在乌涌处的桥位路线基本与既有地铁13 号线并行，地铁13 号线为分离式双洞结构形式，两洞净距6.55 m，单洞结构外径6.0 m。桥位处乌涌河床底高程为2.0 m，河堤路标高10.0 m。桥梁与乌涌及地铁的关系如图3所示。
图3 某跨涌大桥与乌涌、地铁空间关系立面及横断面Fig.3 The Elevation and Cross Section Relationship between the Bridge，Wu River and the Subway （mm）
由于本项目桥梁涉及河涌及地铁，相关职能管理部门对项目提出了一些技术要求：①根据区水利部门的意见，桥梁承台必须埋置河床底以下不小于0.5 m，桥梁与河堤路需要采用平交方式；
②由于涉及正在营运的地铁13 号线，根据广州市地保办的意见，要求桥梁结构距离地铁结构外壁不小于6 m 净空，地铁结构上方不允许采用有振动的施工方式施工。
2.2 项目难点
根据以上要求，本项目中桥台承台需要埋深低于河床底以下0.5 m，承台顶高程确定为1.5 m。河堤路面高程为10.0 m，因此本桥台后填土高度达到为8.5 m。由于地铁的净空需求，在桥横向桥下至少需预留30.55 m 的净空。如此大的净空要求，工程上常规的处理方式一般采用骑跨式桩基+地梁进行避让，绝大多数桥墩桩基与地铁结构冲突问题采用此方法都能得到很好的处理，但对于桥台桩基，由于桥台后高达8.5 m 的土压力差，加之地铁大净空的需求因素，采用常规桥台设计显然无法满足受力要求。
2.3 新型桥台设计
2.3.1 设计思路
本项目影响桥台设计的主要因素有2 个：①桥台后填土较高，台后土压力很大，导致桥台沿桥纵向受到的水平力较大，因此需要配置多排桩基予以抵抗；
②由于桥台桩基需要避让地铁，桥台桩基只能布置于地铁净空范围以外，桥台桩基在横向布置空间受限。众所周知，桩基承受竖向荷载的能力较强，但承受水平荷载的能力较弱，由于地铁净空需求较大，桥台桩基沿桥横桥向布置的数量及方式无法满足桩基在桥纵向水平受力的要求。基于以上分析，桥台设计的重点为如何消除或降低台后高填土对桥台桩基产生的不利水平向荷载。
2.3.2 桥台设计
轻质混凝土具有重量轻、强度高，浇筑硬化后具有自稳性等特点［8-9］，将台后采用的常规回填砂或石屑材料改为浇筑轻质混凝土材料是一种高效途径。首先，由于轻质混凝土容重较小，重量约为普通混凝土的一半，硬化后对地基承载力要求不高［10］；
其次，由于轻质混凝土具有自稳特性，硬化后不会对桥台产生水平向荷载。因此，桥台桩基受力也由受水平荷载控制为主转为受竖向荷载控制为主，这也符合桩基竖向承载力强于水平承载力的受力特性，有效地解决了桥台台后由于填土较高产生巨大水平荷载而导致桥台桩基无法合理设计的难题。
本工程中采用的新型桥台设计参数为：桥台桩基采用8 根直径为1.8 m 的灌注桩，类型为嵌岩桩，长度25 m，桩中心间距3.6 m；
承台厚度为3.0 m，长、宽尺寸均为6.6 m；
台身立柱高4.07 m，截面为2.2 m×1.5 m；
台身采用变截面矩形梁，长度40 m，跨中梁高1.5 m，支点梁高3.0 m，厚度2.2 m。新型桥台设计如图4所示。
图4 新型桥台侧视及1/2立面Fig.4 New Bridge Abutment Side View and 1/2 Elevation View （mm）
2.3.3 新型桥台的施工方法
与常规桥梁不同，本新型桥台的施工流程需要进行局部调整。常规桥台一般先施工完桥台结构后再进行台后填土的施工，本桥台由于要消除台后填土的土压力，需要在台身施工前进行台后轻质混凝土浇筑，待轻质混凝土达到强度后再行施工台身立柱及变截面台身结构。
新型桥台整体施工顺序如下：桩基施工➝承台施工➝台后立模浇筑轻质混凝土➝浇筑台身立柱➝台身变截面梁体浇筑➝其它构件施工。
3.1 计算模型
采用桥梁专用有限元计算软件Midas Civil 建立全桥整体杆系有限元模型，共划分64 个单元、75 个节点。计算模型如图5所示。
图5 新型桥台有限元模型Fig.5 New Bridge Abutment Finite Element Model
模型主要参数及边界条件如下：
⑴材料：桩基采用C30 混凝土；
承台、台身立柱及变截面台身采用C35混凝土；
⑵荷载：结构自重，由程序自动计算。支座上部传来荷载包括上部梁体自重、桥面铺装、防撞护、人行道结构、栏杆等荷载；
活载包含人群荷载及汽车荷载，汽车荷载按双向6车道计算，考虑冲击系数；
温度荷载考虑整体升降温20 ℃；
支座不均匀沉降按10 mm计算。
⑶边界条件：桩侧与土体之间用土弹簧模拟，桩底为固结；
承台与桩基考虑刚性连接。桩基边界如图6所示。
图6 桩基边界模拟Fig.6 Pile Foundation Boundary Simulation
3.2 计算结果
桩顶水平位移计算结果如图7 所示，桩底竖向反力如图8所示。验算结果如表1所示。
图7 桩顶水平位移计算结果Fig.7 Results of Horizontal Displacement Calculation of Pile Top
图8 桩底竖向反力结果Fig.8 Results of the Vertical Reverse Force at the Pile Bottom
表1 新型桥台计算结果Tab.1 Calculation Results of the New-type Bridge Abutment
根据表1计算结果，新型桥台结构满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：JTG 3362—2018》［11］及《公路桥涵地基与基础设计规范：JTG 3363—2019》［12］各项指标要求，表明该新型桥台结构设计合理，受力性能良好。
本新型桥台的设计原理是通过对台后回填材料采取一定改变，将台后高填土产生的水平荷载进行消除或是减少，使桥台桩基受力由受水平荷载控制为主转为受竖向荷载控制为主，这样也使桥台桩基在空间布置上更加灵活，更能适应地铁下穿大净空的需求。根据这一思路，桥台台身结构还可以设计成拱式、桁架式；
台后填土除采用自稳性轻质混凝土外，还可采用其他挡土墙结构以达到消除或平衡土体水平荷载目的。
本文列举了其它两种类型设计图大样，桥台类型Ⅰ：台后回填轻质混凝土+拱形台身结构，如图9 所示；
桥台类型Ⅱ：台后挡土墙结构+拱形台身结构，如图10所示。
图9 桥台类型Ⅰ侧视及1/2立面Fig.9 Abutment Type ⅠSide View and 1/2 Elevation View
图10 桥台类型Ⅱ侧视及1/2立面Fig.10 Abutment Type ⅡSide View and 1/2 Elevation View
当然，根据以上设计原理还能设计出其它各种类型的桥台结构，本文不一一列举。
⑴本文通过分析桥台的基本受力机理，设计了一种新型桥台结构，通过数值分析计算，验证该结构构造合理、安全可靠，较好地解决了实际工程中桥台桩基与地铁结构空间相冲突的难题。本新型桥台结构在初步设计评审中获得专家的高度认可。
⑵本文中新型桥台的设计思路是通过采取合理措施将常规桥台台后高填土产生的水平荷载进行消除或是减少，使桥台桩基受力由受水平荷载控制为主转为受竖向荷载控制为主，是对常规桥台的一次升级和优化，具有较强的创新意义。
⑶本文中新型桥台的施工流程与常规桥台有所不同，工程应用中应予以注意。
⑷通过对新型桥台设计理念的延伸及拓展，本文又提出了其它两种新型桥台结构形式，这些新型桥台结构对于桥梁与地下空间有避让需求的类型工程都适用，实际工程中可以根据地下空间需要选用相应的结构形式，具有较大实用参考价值。
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