楊正華

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

基礎(chǔ)托換技術(shù)發(fā)展于20世紀(jì)30年代美國紐約市的地下鐵道建設(shè)。近年來，世界上大型和深埋的結(jié)構(gòu)物和地下鐵道的大量施工，尤其是古建筑的基礎(chǔ)加固數(shù)量巨大；有時對現(xiàn)有建筑物還需要進行改建、加層和加大使用荷載時，都需要采用托換技術(shù)。在眾多的基礎(chǔ)托換形式中，樁基礎(chǔ)托換是其中難度最大、技術(shù)最為復(fù)雜的形式之一，它是一項集結(jié)構(gòu)工程、巖土工程、材料工程等多學(xué)科交叉的施工技術(shù)。

在國內(nèi)外的地鐵建設(shè)中，樁基托換技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用，如美國紐約地鐵、日本京都地鐵站、深圳地鐵和廣州地鐵等，現(xiàn)已實施的樁基托換以單樁軸力小于3 000 kN的小噸位被動托換居多，托換梁也多采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，變形控制比較粗糙。目前大噸位主動托換在國內(nèi)外實施的較少，其托換技術(shù)難度大，施工風(fēng)險高，對設(shè)計和施工精度要求高[1-2]。

2 工程概況

西安北至機場城際軌道項目起自西安北站，終點至咸陽機場T3航站樓，按地鐵標(biāo)準(zhǔn)和模式建設(shè)，該線在咸陽機場范圍以地下方式敷設(shè)，受機場交通廊道的影響，機場范圍內(nèi)區(qū)間為地下單洞雙線隧道，機場站站后設(shè)交叉渡線及其折返線。為滿足站位要求，站后配線需下穿T3航站樓主線橋22-1和22-2兩處橋墩樁基，為保證T3航站樓正常的交通運營，隧道施工期間不能中斷橋上交通。結(jié)合工程周邊環(huán)境和既有主線橋的現(xiàn)狀，經(jīng)工程技術(shù)、經(jīng)濟等綜合比選，設(shè)計采用對既有主線橋22-1和22-2號橋墩樁基實施樁基托換方案。機場站與周邊建筑位置關(guān)系見圖1。

圖1 機場站與周邊建筑位置關(guān)系

2.1 既有橋概況

主線橋是連接T3航站樓與地面及T2航站樓的重要交通設(shè)施，車流量大，主要分兩部分組成：由地面通往T3航站樓二層候機大廳的主線橋；T2航站樓與T3航站樓之間的連接橋。

主線橋共7聯(lián)，其中機場站站后區(qū)間隧道下穿的為第二聯(lián)，該聯(lián)跨徑布置為(24.045+21.023+11.837+22.182) m，梁部為異型變寬鋼筋混凝土連續(xù)梁，位于匝道區(qū)(圖2)。橋面寬度由35 m漸變至15.25 m，梁部斷面由單箱6室漸變至單箱5室，全聯(lián)設(shè)置5道橫梁，箱梁兩側(cè)挑臂均為2.5 m，箱梁分室情況見圖3。

圖2 地鐵下穿的既有橋梁基礎(chǔ)平面布置(單位：m)

圖3 被托換橋梁梁部箱室平面(單位：cm)

22-1和22-2號橋墩均為T形花瓶墩，墩身截面尺寸為1.3 m×2.5 m(縱向×橫向)，墩高10 m，梁底距離地面約8 m。22-1、22-2號橋墩承臺厚2 m，尺寸為6.5 m×6.5 m，承臺下均設(shè)4根φ150 cm鉆孔灌注摩擦樁，樁長35 m，樁間距4.0 m，既有橋墩墩底豎向力詳見表1。

表1 既有橋墩墩底豎向力 kN

2.2 工程地質(zhì)

本段區(qū)間隧道所處地層從上至下依次為壓實土(Q4ml)、雜填土(Q4ml)、第四系上更新統(tǒng)風(fēng)成黃土(Q32eol)、殘積古土壤(Q31el)、中更新統(tǒng)晚期風(fēng)成黃土(Q22eol)、殘積古土壤(Q21el)。

特殊巖土為自重濕陷性黃土，濕陷性等級為Ⅲ級(嚴(yán)重)，濕陷厚度為15～20 m。場地地下水對混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋均具微腐蝕性；對鋼結(jié)構(gòu)具微腐蝕性。場地土對混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋均無腐蝕性。

2.3 工程特點及難點

(1)托換工程影響因素多。

樁基托換具有綜合性強、各專業(yè)結(jié)合要求高、施工精細化程度和監(jiān)測監(jiān)控精度要求高、環(huán)境和安全問題突出等特點，其復(fù)雜性遠遠超過一般的土木工程，特別是大噸位的主動托換。

受機場站站位條件的制約，站后配線雙線暗挖隧道結(jié)構(gòu)外緣距離鄰近的23號橋墩承臺外緣僅有6.24 m，在該寬度內(nèi)布置托換樁影響因素多，既要考慮新的托換樁與既有橋樁的樁間距，又要考慮托換梁基坑開挖對鄰近23號橋墩基礎(chǔ)的影響，同時需滿足托換施工作業(yè)空間的要求，托換難度和風(fēng)險大。

南海海洋環(huán)境日益惡化，生物資源迅速衰退的現(xiàn)實已擺在南海各國面前。包括南海地區(qū)在內(nèi)的世界各大海域都已清醒認識到，海洋是人類的公有地和共同財富，海洋環(huán)境保護是沿岸國家的共同責(zé)任。南海周邊國家也早已認識到，只有共同合作才能真正有效地應(yīng)對海洋環(huán)境污染和生態(tài)退化。早在2002年的《南海各方行為宣言》中，南海各國就明確了海洋環(huán)保合作的意愿和決心，但是16年過去了，海洋環(huán)保合作的機制化建設(shè)仍未正式開啟。

由于在隧道施工前已完成托換結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換，后期隧道的施工會引起地層擾動變形、位移，造成既有樁基摩擦力損失，降低樁周土體的抗力，可能導(dǎo)致橋梁樁基發(fā)生沉降，當(dāng)相鄰橋梁基礎(chǔ)的沉降差超過容許限值時，直接影響被托換既有橋梁的正常使用，甚至出現(xiàn)安全問題。

(2)被托換結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，對變形敏感。

需托換的既有橋梁部為異型鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，橋面最大寬度達35 m，最大橫跨比近1.6，受力極其復(fù)雜，該結(jié)構(gòu)對變形敏感，墩柱的非均勻沉降會產(chǎn)生次內(nèi)力，同時托換工程場地自重濕陷性土層厚，必須合理設(shè)計托換結(jié)構(gòu)體系，確保托換施工及隧道開挖過程中既有橋梁位移不超限。

(3)托換梁跨度和托換噸位大，綜合難度高。

恒載及活載作用下，被托換的兩處橋墩墩底軸力接近13 000 kN，考慮到隧道結(jié)構(gòu)尺寸，并結(jié)合周邊控制條件，托換梁計算跨度近20 m，如此大跨度的托換梁和托換噸位極為復(fù)雜，其綜合跨度和托換噸位目前在國內(nèi)居于首位，需研究確定托換梁與既有橋墩、承臺等的連接接頭形式，確保連接節(jié)點可靠。

(4)施工條件復(fù)雜，受控條件多。

22-1和22-2號橋墩處橋下凈空有限，僅約8 m，由于場地濕陷性土層厚，托換樁樁長較長，樁基施工難度大。同時，既有承臺底埋深約3.5 m，考慮托換梁結(jié)構(gòu)高度后，托換基坑深度較大，基坑施工時會對鄰近橋墩的基礎(chǔ)土體產(chǎn)生擾動，造成摩阻力損失，若防護措施不當(dāng)，可能會對既有結(jié)構(gòu)造成損傷。同時，托換施工全過程需研究制定詳細的監(jiān)測方案和控制標(biāo)準(zhǔn)，實時動態(tài)監(jiān)測，保證既有結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力不超限，結(jié)構(gòu)安全可靠。

3 托換設(shè)計

3.1 托換方案選擇

根據(jù)樁基托換的機理，可以分為兩種方式：被動托換技術(shù)和主動托換技術(shù)。被動托換是指原樁在卸載的過程中，其上部結(jié)構(gòu)荷載隨托換結(jié)構(gòu)的變形被動地轉(zhuǎn)換到新樁，托換后對上部結(jié)構(gòu)的變形無法進行調(diào)控，其一般用于托換荷載較小的托換工程。主動托換是指原樁在卸載之前，對新樁和托換體系施加荷載，以部分消除被托換體系長期變形的時空效應(yīng)，將上部的荷載及變形運用頂升裝置進行動態(tài)調(diào)控，通過主動變形調(diào)節(jié)來保證變形要求[3]。

經(jīng)研究分析，22-1和22-2號橋墩的托換梁均采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁，每個橋墩的托換樁均采用4根φ2.0 m的鉆孔灌注摩擦樁，為減少托換樁對既有23號橋墩樁基的影響，22-1號墩樁基與23號橋墩樁基的樁間距按不少于2.5倍樁徑控制，托換樁與隧道結(jié)構(gòu)外緣最小距離按1.5 m控制。樁基托換平面如圖4所示，托換梁、隧道與既有承臺剖面如圖5所示。

圖4 樁基托換平面布置(單位：cm)

3.2 托換梁設(shè)計

托換梁采用全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用抗?jié)B等級為P8的C50混凝土，22-1號墩和22-2號墩托換梁尺寸分別為20.3 m×8.7 m×3.5 m(長×寬×高)和21.5 m×8.7 m×3.5 m(長×寬×高)，托換梁梁頂距既有承臺頂0.5 m，托換梁梁底距離既有承臺底1.0 m，托換梁配置17-7φ5 mm鋼絞線，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，Ep=1.95×105MPa，鋼絞線錨下張拉控制應(yīng)力為σcon=0.69fpk，采用單端張拉，交錯對稱錨固，預(yù)應(yīng)力孔道采用內(nèi)徑90 mm的金屬波紋管成孔，采用相應(yīng)的夾片式錨具錨固。托換梁鋼束縱、橫斷面如圖6所示。

圖5 托換梁、隧道與既有承臺剖面(單位：cm)

根據(jù)實際施工過程，采用Midas軟件模擬實際不同階段托換梁的受力狀況，既有樁和托換樁對托換梁的約束采用6個方向彈簧剛度進行模擬，剛度采用m法計算。由于托換梁的跨高比L/H<5，屬于深受彎構(gòu)件，設(shè)計同時采用現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)中相關(guān)深受彎構(gòu)件進行反核，托換梁主要計算結(jié)果見表2。

外部荷載作用下，各施工階段托換梁跨中的最大豎向位移為2.88 mm，撓跨比約1/5 868，托換梁整體剛度大，托換梁豎向撓曲變形有限，可通過截除既有樁后千斤頂頂升進行調(diào)整，使得各施工階段橋墩位移在容許范圍內(nèi)。

圖6 托換梁鋼束縱、橫斷面(單位：cm)

項目計算值容許值運營階段截面最大正應(yīng)力/MPa運營階段截面最小正應(yīng)力/MPa運營階段混凝土最大剪應(yīng)力/MPa強度安全系數(shù)抗裂安全系數(shù)主力上緣下緣主力上緣下緣主力主力主力下緣運營階段預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力/MPa2.834.571.152.820.614.62.721054≤16.75≥0≤5.695≥2.2≥1.2≤1116

3.3 托換梁與既有承臺、墩、樁的連接方式

托換梁和既有承臺、橋墩間的連接節(jié)點承受剪力大，受力復(fù)雜，其可靠連接是托換成功的關(guān)鍵所在。參考國內(nèi)已成功實施深圳地鐵一期工程百貨廣場樁基托換和相關(guān)科研結(jié)論，本設(shè)計采用了“植筋+鑿毛+新舊混凝土界面膠”的連接方式[5-6]，植筋采用φ25 mm的HRB400鋼筋，植筋孔直徑為30 mm，孔深420 mm，植筋鋼筋按梅花形布置，間距按不大于30 cm控制，植筋膠采用A級膠[7-8](圖7)。在既有樁、既有橋墩外側(cè)設(shè)計2道箍筋，并與所植鋼筋連接牢固(圖8)。

圖7 樁基脫換施工現(xiàn)場

圖8 樁基植筋布置

由于托換梁混凝土與既有橋梁承臺的混凝土存在較大的齡期差，為保證新舊混凝土共同工作，有效粘結(jié)，設(shè)計中將舊混凝土表面鑿毛10 mm左右，并充分用水潤濕，清洗干凈后，噴設(shè)專用的新舊混凝土界面膠。外包托換梁采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力不僅提高托換梁的承載力和耐久性，而且通過預(yù)應(yīng)力使得托換梁全截面受壓，不開裂，同時借助“新舊混凝土界面膠+植筋+鑿毛”，保證了托換梁與既有承臺的緊密接觸，不滑移。

3.4 托換樁設(shè)計

根據(jù)托換噸位，結(jié)合場地條件，經(jīng)綜合比選后，托換樁采用φ2.0 m的鉆孔灌注摩擦樁，采用樁基后壓漿技術(shù)，進行樁側(cè)和樁底注漿。注漿順序：先上層樁側(cè)注漿，再下層樁側(cè)注漿，最后樁底注漿。托換梁以下至隧道結(jié)構(gòu)底板范圍不考慮樁基摩阻力，僅考慮樁周土體彈性抗力，通過計算，4根托換樁最長樁長74 m，最短樁長64 m。

3.5 基坑開挖及隧道施工對23號橋墩的影響

22-1號墩托換梁與既有23號的承臺外緣的最小距離僅2.04 m，考慮既有承臺下的施工作業(yè)空間需要，22-1號橋墩基坑開挖深度約6.5 m，既有23號橋墩承臺底埋深約3.5 m，即22-1號墩托換基坑底部位于既有23號橋墩承臺以下約2.0 m。同時，暗挖隧道結(jié)構(gòu)外緣距離23號承臺外緣僅6.24 m，需充分考慮基坑開挖和后期隧道暗挖施工對臨近23號橋墩的影響。

為減少基坑開挖對23號橋墩的影響，設(shè)計中臨近23號的基坑采用垂直開挖，排樁圍護，圍護樁采用φ600 mm@1 000 mm的鉆孔灌注樁，樁頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁，截面0.6 m×0.8 m(寬×高)，冠梁處設(shè)置1道φ600 mm的鋼管支撐?；釉O(shè)計時地面超載取20 kPa，基坑整體穩(wěn)定系數(shù)按不小于1.35控制，經(jīng)分析計算，圍護樁插入基坑底下4.0 m。

區(qū)間暗挖隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，為分析隧道施工對23號橋墩的影響，設(shè)計采用Midas-GTS有限元軟件進行數(shù)值模擬分析。分析結(jié)果顯示：隧道施工對既有橋墩的變形和內(nèi)力影響較小，23號墩下樁基樁頂沉降最大值為2.54 mm，在容許的5 mm范圍以內(nèi)，整體可控。樁頂千斤頂及鋼墊塊布置見圖9。

圖9 樁頂千斤頂及鋼墊塊布置

3.6 千斤頂及鋼墊塊布置

頂升時每個樁頂設(shè)置3臺YG-500t液壓千斤頂(帶自鎖裝置)和3塊鋼墊，并在樁頂和托梁底對應(yīng)于千斤頂和墊塊的位置設(shè)置預(yù)埋鋼墊板，且定位牢固，并確保鋼板面平整。

千斤頂在安裝前必須進行標(biāo)定和調(diào)試，確認合格后方可安裝，同時應(yīng)保證其在頂升過程中有足夠的行程，千斤頂在加載后能長久穩(wěn)定持荷。頂升過程中，換梁左右側(cè)6個千斤頂各由1個油泵控制，即1個油泵控制托梁一側(cè)的6臺千斤頂，采用并聯(lián)，同一油路采用摩阻系數(shù)相近的千斤頂，同步頂升。每根托換樁頂部按照120°夾角均勻布置3臺千斤頂，千斤頂組合形心需與托換樁的形心重合，且盡可能使得兩端千斤頂形心連線與托換大梁的軸線重合。

3.7 現(xiàn)狀調(diào)查及主要監(jiān)測項目控制值

在托換施工之前，對既有橋梁的初始狀態(tài)進行了詳細的現(xiàn)場調(diào)查和現(xiàn)場錄像，內(nèi)容包括既有橋梁的橋面線形及高程、結(jié)構(gòu)裂紋分布、梁底和墩頂?shù)脑几叱獭⒍丈泶怪倍群蛢A斜等。調(diào)查表明：既有橋梁整體狀況良好，無肉眼可見的明顯裂紋，梁部及墩身混凝土強度、彈性模量與原設(shè)計值相符。

在托換施工過程中，需對托換結(jié)構(gòu)及既有橋梁的相關(guān)安全指標(biāo)進行全過程監(jiān)測，從而得到各施工階段結(jié)構(gòu)的實際內(nèi)力和變形，跟蹤掌握不同施工階段的影響，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果適時對千斤頂加載力及加載速率進行動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)信息化施工，保證整個施工過程在安全和可控的狀態(tài)下進行，確保既有橋梁運營安全。

本托換配備2臺測量機器人，實現(xiàn)自動化監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括基坑圍護樁的變形和應(yīng)力、既有橋墩位移、托換梁位移和應(yīng)力、托換樁的軸力及沉降、托換梁與橋墩連結(jié)點部位變形等，涉及到橋墩、被托換橋墩與托換梁固結(jié)點、托換梁以及托換樁等結(jié)構(gòu)部位，主要監(jiān)測項目的控制值見表3[9-11]。

表3 主要監(jiān)測項目控制值和實測值

4 主要施工步驟

托換施工的主要施工工序有監(jiān)測監(jiān)控體系的建立、托換樁的施工、基坑開挖和托換梁的施工，頂升施工、截樁和體系轉(zhuǎn)換等，具體施工步驟見表4[12-14]。

表4 托換施工步驟

注：1.為保證結(jié)構(gòu)安全，施工中對22-1和22-2兩處托換交替施工，待一處托換完成后再施工另外一處；2.墩頂及鋼支架上千斤頂用于以下應(yīng)急頂升：基坑開挖過程中，既有橋梁的位移超限；托換梁、托換樁間固結(jié)段施工完畢后，后期暗挖隧道施工過程中，既有橋梁位移超限。

5 結(jié)語

動載作用下的大噸位橋梁主動托換技術(shù)難度大，風(fēng)險高，尤其對于被托換的上部結(jié)構(gòu)為異型變寬連續(xù)梁。西安北至機場城際軌道項目主動托換噸位巨大，托換梁跨度大，為本線的重難點工程，綜合難度居于國內(nèi)前列。設(shè)計中通過對影響托換的因素進行分析，采用了托換梁外包既有承臺的連接形式，新舊混凝土通過“植筋+鑿毛+界面膠”連接方式，保證了新舊混凝土的共同受力，整個托換梁結(jié)構(gòu)安全可靠。頂升過程采用單油路帶自鎖千斤頂，通過千斤頂并聯(lián)和油壓自動補償，實現(xiàn)千斤頂同步聯(lián)動頂升。托換施工前，建立監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)施工和測量精度，確定了相應(yīng)位移控制值，實現(xiàn)動態(tài)控制，信息化施工。該托換已順利實施，為以后類似托換工程提供了寶貴參考，具有較好的實用價值。

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