唐新權

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安　710043)

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地鐵區(qū)間隧道下穿橋梁大軸力樁基托換設計與施工

唐新權

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安710043)

摘要：西安北客站至機場城際軌道項目全長27.33 km，其中機場站站后折返線區(qū)間隧道長256.45 m，該段暗挖隧道下穿機場T3A航站樓主線橋樁基，采用樁基托換處理。被托換的既有橋梁部為異型鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，受力復雜，結構變形敏感；橋面最大寬度35 m，橋墩墩底軸力近13 000 kN；新建托換梁跨度大于20 m，采用預應力混凝土結構，如此大跨度、大軸力的樁基托換工程實例很少。以T3A航站樓橋梁大軸力樁基托換設計為依托，通過對托換方案、關鍵連接節(jié)點、荷載轉移機理的分析、研究，詳細介紹大軸力樁基托換思路、托換梁設計、托換體系轉換，給出托換關鍵節(jié)點的施工方案及監(jiān)測技術要求，可為類似工程提供借鑒。

關鍵詞：區(qū)間隧道;大軸力;樁基托換;托換體系;托換梁

基礎托換技術發(fā)展于20世紀30年代美國紐約市的地下鐵道建設。近年來，隨著地下空間的利用和地下鐵道的大量建設，有時需對現(xiàn)有建筑物進行改建、加層和加大使用荷載，都需要采用托換技術。美國紐約地鐵、日本京都地鐵站、深圳地鐵和廣州地鐵等都應用了樁基托換技術，但現(xiàn)已實施的樁基托換以單樁軸力小于3 000 kN的小噸位的被動托換居多，托換梁也多采用普通鋼筋混凝土結構。目前大噸位主動托換在國內(nèi)外實施的較少，托換軸力超過10 000 kN的主動托換也僅有深圳地鐵Ⅰ期下穿百貨廣場大廈一例，該托換梁的跨度也僅11.7 m，跨度較小。

西安北客站至機場城際軌道項目機場站站后折返線區(qū)間隧道下穿機場T3A航站樓主線橋樁基托換時被托換的既有橋梁部為異型鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，受力復雜，結構變形敏感；該橋橋面最大寬度35 m，橋墩墩底軸力近13 000 kN；新建托換梁跨度大于20 m，采用預應力混凝土結構，托換時采用沉降控制較好的主動托換，具有較大的創(chuàng)新性。以此為依托，詳細介紹了大軸力樁基托換思路、托換梁設計、托換體系轉換，給出了托換關鍵節(jié)點的施工方案及監(jiān)測技術要求。

1工程概況

西安北客站至機場城際軌道項目全長27.33 km，共設9座車站，機場站為終點站，站后設折返線。折返線隧道自機場T3A航站樓主線橋下起，下穿主線橋22-1號、22-2號墩樁基后，下穿T3A航站樓和T2航站樓間北連廊地下行包通道，后走行于機場路下方。折返線隧道總長256.45 m，左、右線線間距為4.8 m，采用淺埋暗挖法施工，襯砌結構為單洞雙線馬蹄形斷面。

機場站東西向平行設置于T3A航站樓上行引橋和綜合交通樞紐上行高架橋之間，兩側凈距較小，導致區(qū)間隧道無法在T3A主線橋樁基間穿過，因此，需對該橋22-1、22-2號墩樁基進行樁基托換處理(圖1)。托換部位上部梁體為異型連續(xù)梁，跨度為(22.569+8.529+22.107+22.936) m，22-1號、22-2號墩每個墩底軸力近13000 kN。橋墩為花瓶T形墩，墩身截面1.3 m×2.5 m，墩柱高度10 m，墩柱下設2 m厚承臺，承臺下部設4根φ1.5 m樁基，樁長35 m。該橋為西安咸陽國際機場T3航站樓與地面和T2航站樓聯(lián)系的重要交通設施，車流量大，且不能中斷運行。

圖1　折返線區(qū)間隧道總平面

2工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征

機場站站后折返線地形略有起伏，地面高程介于474～476 m。場地地貌單元屬黃土塬。隧道所處地層從上至下依次為人工填土(Q4ml)、第四系上更新統(tǒng)風成黃土(Q32eol)、殘積古土壤(Q31el)、中更新統(tǒng)晚期風成黃土(Q22eol)、殘積古土壤(Q21el)。濕陷性土層在場地內(nèi)連續(xù)分布，厚度一般為15～20 m，屬自重濕陷性黃土場地，濕陷性等級為Ⅲ級(嚴重)。

地下水主要為第四系孔隙潛水，富存于中更新統(tǒng)黃土中。實測穩(wěn)定水位埋深為26.5～34.6 m，地下水主要的補給來源為大氣降雨。

3樁基托換設計方案

由于被托換的T3A航站樓主線橋22-1號墩和22-2號墩為連續(xù)梁中墩，橋墩墩底軸力近13 000 kN，且被托換的既有橋梁部為異型鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，受力復雜，結構變形敏感，因此，采用相對可靠性較高、沉降控制好的主動托換，即在原樁卸載前對新樁和托換結構施加荷載，以部分消除托換體系長期變形的時隨效應，并在上部的荷載轉換過程中，對托換結構及上部結構的變形采用頂升裝置進行動態(tài)調(diào)控[1]。

既有橋墩每個承臺下設置4根樁，采用整體托換方案：每個承臺位置新增1根托換梁，將既有承臺包于梁內(nèi)，廢除既有22-1號、22-2號墩的8根樁，新增4根φ2 m樁，見圖2、圖3。

圖2　樁基托換平剖面(單位：cm)

圖3　樁基托換Ⅰ-Ⅰ剖面(單位：cm)

3.1　托換梁

受主線橋23+號墩及機場站出入口的限制，考慮后期隧道開挖對樁基的影響，并盡量降低梁跨度，綜合確定區(qū)間隧道與新建樁基間留1.5 m的凈土柱，據(jù)此確定2根托換梁長分別為20.3 m和21.5 m。托換梁采用包裹既有承臺的形式設計，既有承臺高200 cm，考慮方便布置鋼束及鋼筋，承臺上部包裹50 cm，下部包裹100 cm，兩側各包裹110 cm，托換梁截面尺寸為8.7 m×3.5 m(寬×高)(圖4)，采用C50混凝土。新建托梁包裹范圍內(nèi)既有橋墩、承臺和樁基表面均進行鑿毛、界面處理并植筋[2]。由于跨度較大，并且既有橋墩墩底軸力大，因此按預應力混凝土結構設計。經(jīng)過計算，預應力鋼束規(guī)格為17-7φ5 mm，共34根(圖5)， 鋼束布置時避開既有承臺和樁基。

圖4　托換梁Ⅱ-Ⅱ剖面(單位：cm)

圖5　托換梁鋼束布置(單位：cm)

3.2　托換樁基

受周邊邊界條件的限制，為降低梁長并減少樁基的設置范圍，每根托換梁4根φ2.0 m的鉆孔灌注樁，按摩擦樁設計。綜合考慮濕陷土層的負摩阻力及隧道施工對橋梁樁基的影響，通過計算，22-1號墩托換梁樁基長分別為74 m和66 m，22-2號墩托換梁樁長分別為73 m和64 m。

為后期方便完成荷載由舊樁向新樁的轉換，樁底60 cm與托換梁同時澆筑，并在新樁灌注時，預留90 cm的后澆段，該段安裝千斤頂和鋼支撐墊塊[3](圖6)。荷載轉換完成后，采用C25微膨脹混凝土澆筑梁底和樁頂?shù)捻斏臻g。澆筑樁基后澆連接段時采用壁厚10 mm的鋼模板，施工后不拆除，施工時注意預設注漿孔和排氣孔。

圖6　鋼支撐和千斤頂布置示意(單位：cm)

3.3　托換防水

樁基托換工程設計使用年限為100年，托換梁采用預應力鋼筋混凝土且埋置于地下，為防止地下水侵蝕，托換梁周邊采用瀝青基聚酯胎防水卷材(PY類)做全包防水，防水層外表面設細石混凝土保護層，防水卷材遇到既有橋墩、樁基時，應將其進行彎折，翻至既有橋墩、樁基的高度不宜小于20 cm，并在卷材端部涂抹密封膠封嚴，如圖7所示。

圖7　托換梁防水示意

4樁基托換施工方案

為控制施工質(zhì)量和保證托換安全有序進行，首先做好前期準備工作，建立既有橋梁結構沉降、變形監(jiān)測系統(tǒng)，詳細調(diào)查并記錄現(xiàn)有主線橋的全面狀況，包括沉降、裂縫、變形情況、布置測量基準點；實地測定隧道中心線，樁位點等，而后在既有主線橋22號墩處橫梁下設置臨時鋼支架，保證既有橋梁在開挖托換梁基礎施工過程中受力穩(wěn)定[4]。

4.1　基坑開挖及樁基施工

主線橋22-1號、22-2號橋墩2根托換梁基坑錯開開挖，開挖范圍是以整個托換梁外邊緣為界，并預留預應力張拉機具的位置。托換梁兩側樁基范圍內(nèi)基坑底至梁底預留2.0 m的空間，其余預留70 cm的操作空間。

托換梁基坑開挖深度5.44～6.74 m，根據(jù)開挖基坑地質(zhì)及周圍環(huán)境特征，采用全放坡明挖、排樁圍護施工。對既有23+樁基有影響范圍內(nèi)，采用排樁圍護開挖，其余均采用全放坡開挖，邊坡坡率采用1∶0.75(圖8)。

圖8　托換梁基坑開挖平面(單位：cm)

灌注樁的布置采用φ600@1 000 mm，樁頂設置鋼筋混凝土冠梁，在冠梁處布置1道φ600 mm的鋼管(t=16 mm)支撐。

4.2　樁基施工

基坑開挖、防護完成后，進行托換梁樁基的施工。樁基施工時應注意以下問題：

(1)考慮到橋下施工空間的限制，樁基鋼筋需分段配置，分段連接；

(2)在托換梁內(nèi)部的樁基鋼筋需在施工托梁時進行預埋，并在托梁底部預留與樁基的接茬鋼筋，待托換頂升完畢后，與樁頭對應鋼筋采用雙面焊接進行連接；

(3)樁身混凝土應一次灌注完畢，每根樁設3根聲測管，等間距布置，樁身混凝土灌注完畢后采用超聲波法逐根檢測，確定樁身質(zhì)量符合規(guī)范要求后方可進行托換梁的施工[5]。

(4)樁基均采用樁后壓漿施工工藝，灌注樁后壓漿技術屬專利技術，宜選擇專業(yè)隊伍進行施工[6]。

4.3　托換梁施工

托換梁施工前，先將既有22號墩位于托換梁范圍內(nèi)的承臺、樁基和墩身表面鑿毛，采用鋸齒性鑿毛，而后在既有承臺、墩柱和樁基鑿毛區(qū)域植筋、涂刷環(huán)氧乳液水泥漿界面處理劑。

托換梁施工按以下順序進行：搭設支架→綁扎鋼筋→預埋梁底鋼板、立模→澆筑混凝土→張拉鋼束→施做防水層。

托換梁混凝土體積較大，屬大體積混凝土。施工時應保證混凝土連續(xù)澆筑，加強養(yǎng)護，降低混凝土水化熱，防止混凝土開裂。托換梁預埋梁底鋼板和接茬鋼筋，托梁混凝土強度和彈性模量達到設計強度，且混凝土養(yǎng)護齡期不少于10 d后，方可張拉預應力鋼束，張拉后應及時壓漿處理[7]。

4.4　荷載轉換

樁基和托換梁施工完畢，混凝土達到設計強度后，在托換樁上設置千斤頂，實施分級預頂，對托換新樁反壓。鋼支撐及千斤頂布置如圖9所示。

圖9　鋼支撐及千斤頂布置(單位：cm)

千斤頂加載共分12級，每級荷載增量為千斤頂加載上限值的10%，每級加載需持荷20 min，待結構穩(wěn)定后方可加載次級荷載，分級加載至設計頂升力的120%，并持荷至新樁沉降穩(wěn)定后(按0.1 mm/h控制)再分級卸載至100%，鎖緊安全自鎖裝置，放置墊塊[8]。千斤頂加載分級值見表1。

注：其他分級加載值按線性內(nèi)插求得。

每級加載和卸載過程中均需將千斤頂?shù)陌踩枣i裝置予以鎖定，并在加載過程中應加強監(jiān)測監(jiān)控，頂升時應嚴格控制既有22號橋墩墩頂位移和托換梁的兩端位移。在托換頂升過程中，需進行頂升位移和頂升力雙控，頂升力僅作為頂升操作的參考值，把頂升位移作為主要控制因素。由于采用主動托換，施工時必須防止既有橋梁結構在頂升力作用下突然出現(xiàn)較大位移，施工時要求加載過程緩慢，并加強監(jiān)測頻次，以監(jiān)測數(shù)據(jù)指導頂升。荷載轉換完成后，澆筑托換梁樁間微膨脹混凝土，實施體系轉換。

5施工監(jiān)測

由于樁基托換工程對結構受力和變形有較高要求，樁基托換工程施工應通過全過程監(jiān)測，及時反饋，并根據(jù)反饋信息進行調(diào)整，制定質(zhì)量、監(jiān)測計劃，確定質(zhì)量、監(jiān)測內(nèi)容，注意及時整理、分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，指導施工工藝和施工措施。

(1)對主線橋初始狀態(tài)的觀測：基礎托換施工前應對被托換主線橋的先期變形、結構裂縫情況進行周密調(diào)查及現(xiàn)場錄像，以確定被托換橋梁的控制標準，確保上部結構的正常使用[9]。隧道施工過程中應隨時監(jiān)測托換上部結構的變形和開裂情況，如遇結構變形和開裂趨勢增大，應立即停止施工，采取措施予以控制。

(2)沉降和傾斜監(jiān)測：對地表沉降進行監(jiān)測，對被托換的22號墩和相鄰的21、23+號墩采用水準儀進行水平及豎向位移監(jiān)測，同時在被托換的橋墩墩頂安裝縱橫向傾角儀，對傾斜進行監(jiān)測。主線橋的沉降和傾斜監(jiān)測應貫穿托換施工和隧道施工的整個過程[10]。

(3)托換新樁的監(jiān)測：托換施工中每一操作過程均應對本托換單元托換新樁樁頂沉降進行監(jiān)測，同時測量樁頂和托梁間的相對位移。托換新樁需在樁頂、樁身及樁底預埋應力測量裝置，以測定托換施工及暗挖隧道施工過程中，托換新樁的軸力變化。

(4)托換梁的監(jiān)測：在托換梁的1/2、1/4、1/8跨度處和橋墩下部處托梁貼應變片，對托換施工中每一操作過程中托梁內(nèi)力和應力進行嚴密監(jiān)控，同時監(jiān)測其撓度和變形[11]。

6結語

由于機場T3A航站樓主線橋22號墩每個墩底反力高達13 000 kN，同時托換梁跨度達到20 m左右，若采用常規(guī)的鋼筋混凝土或型鋼混凝土結構，無法有效發(fā)揮材料性能，且鋼筋混凝土結構產(chǎn)生裂縫后容易降低結構耐久性，因此設計考慮采用預應力混凝土結構。該預應力混凝土托換梁處于地下環(huán)境，但通過采取相應措施能夠保證結構的耐久性：在托梁外部采用聚氨酯防水卷材和保護層進行防護；基坑采用三七灰土回填、夯實；做好防排水工作。

樁基托換工程施工風險大，施工時應注意以下幾點。

(1)在托換施工過程中，發(fā)現(xiàn)主線橋及相鄰建筑沉降超限、開裂、傾斜時，應立即停止施工，做好各項加固措施。

(2)托換梁頂升是樁基托換工程的關鍵，施工前應做好周密詳細的施工計劃，委托第三方進行監(jiān)控監(jiān)測，做到信息化施工[12]。

(3)托換工程施工前，在既有橋墩頂部通過千斤頂預頂升，對實際軸力進行測試驗證，確保與設計提供的頂升力相適應。

(4)托換梁預應力施工是該工程實施的關鍵，在工程施工前應預計事故發(fā)生的可能性，做好搶險、加固的應急預案。

(5)托換完成后，施工此段暗挖隧道時應采取措施盡量減少對托換樁的擾動，保證既有橋的安全；對既有橋梁的監(jiān)測應貫穿于樁基托換、洞內(nèi)隧道施工全過程。

參考文獻：

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Design and Construction of Large Axial Force Pile Foundation Underpinning of Subway Running Tunnel Passing under Bridge

TANG Xin-quan

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：The intercity rail transit from Xi’an North Railway Station to the airport has a total length of 27.33 km， and the length of the subway running tunnel is 256.45 m on the back-turning line after the airport station. This tunnel passes under the pile foundations of the main line bridge of the airport terminal T3A and is excavated by underpinning beam processing. The beam of the existing bridge is underpinned in reinforced concrete continuous box， which is encountered with not only complex structural forces but also sensitive structural deformation. The maximum width of the bridge is 35 m， and the axial force at the bottom of the bridge piers is about 13 000 kN.Underpinning beam span is greater than 20 m， which is pre-stressed concrete structure. Based on the design of pile foundation underpinning， the researches on underpinning program， the key connection node and the load transfer mechanism， this article addresses in detail the concepts of large axial force pile foundation underpinning， underpinning beam design and underpinning system conversion， and presents the key nodes of underpinning construction scheme and technical requirements for monitoring， which may provide references for similar projects..

Key words：Subway running Tunnel; Large axial force; Pile Foundation underpinning; Underpinning system; Underpinning beam

作者簡介：唐新權(1978—)，男，高級工程師，2000年畢業(yè)于石家莊鐵道學院隧道及地下工程專業(yè)，E-mail:17962123@qq.com。

基金項目：中鐵第一勘察設計院集團有限公司科研課題(院科13-14)

收稿日期：2015-05-19； 修回日期：2015-06-18

中圖分類號：U455

文獻標識碼：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.019

文章編號：1004-2954(2016)01-0087-05