季 國 富

(福州軌道交通設(shè)計院有限公司， 福建 福州 350000)

目前我國地鐵建設(shè)正處于快速發(fā)展階段，地鐵盾構(gòu)區(qū)間有時難以避免會與既有橋梁樁基發(fā)生空間位置沖突，此時所采用的處理方式一般分為兩種：一種為拆橋重建，將新橋的樁基避開盾構(gòu)區(qū)間布置；另一種為保留橋梁，僅對發(fā)生空間沖突的橋梁樁基進行托換[1-3]。通常拆橋重建方案投資大、周期長，特別是對周邊交通影響大。因此樁基托換往往成為首選方案[4-5]。

現(xiàn)有關(guān)于樁基拖換的研究中，王方宇等[6]介紹了多跨連續(xù)梁橋樁基托換的方案和難點，結(jié)果發(fā)現(xiàn)樁基托換能夠使力的傳遞路徑變得簡單、施工變得簡便，同時對地鐵盾構(gòu)開挖影響小。李文等[7]通過對地鐵車站高架橋墩下的樁基托換過程進行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，樁基托換過程埋置監(jiān)測點能夠有效提高工程的安全度，同時能夠通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的回歸分析結(jié)果，了解整個施工過程的危險位置。李琳等[8]以西安地鐵二號線樁基為研究對象，通過開展縮尺漸進式重復(fù)靜力加載模型試驗得到，托換大梁具有很高的承載能力且延性較好。李洪慶[9]分析了某盾構(gòu)隧道穿越橋梁的樁基托換過程，系統(tǒng)地介紹了樁基托換的施工工藝、頂升技術(shù)和監(jiān)測等方法。

從現(xiàn)有國內(nèi)資料來看，傳統(tǒng)的樁基托換都是僅針對橋梁下部結(jié)構(gòu)進行體系轉(zhuǎn)換，主要施工均在地面以下進行[10-16]，存在基坑開挖大、施工風險高、施工難度大、工程費用高、舊樁基無法拔除等一系列問題，使得樁基托換成為一種高風險的施工作業(yè)。

針對上述問題，筆者對樁基托換進行了研究，提出了一種新的樁基托換方法，能夠全面解決傳統(tǒng)托換方法中存在的問題。經(jīng)工程實踐檢驗，效果良好。

1 樁基托換方法介紹

1.1 傳統(tǒng)橋梁樁基托換方法

傳統(tǒng)樁基托換是從下部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換進行樁基托換，即采用新建樁基(布置在盾構(gòu)區(qū)間外)和新建承臺頂托原橋承臺，然后割斷舊樁基，將舊樁基的荷載轉(zhuǎn)移到新樁基上，實現(xiàn)樁基托換。以福州地鐵2號線五里亭立交為例，如圖1所示，具體步驟為：(1) 施做新樁基①；(2) 施做圍護樁及圍護內(nèi)地基加固②，開挖基坑；(3) 在新樁頂施做頂升平臺③；(4) 施做新承臺④；(5) 在頂升平臺上頂升原橋⑤，將原樁基荷載轉(zhuǎn)換到新樁基上；(6) 切斷原橋樁基⑥；(7) 澆筑固接頂升平臺與新承臺間的區(qū)域⑦；(8) 回填基坑⑧，托換施工結(jié)束；(9) 盾構(gòu)通過。

從圖1還可以看出，傳統(tǒng)樁基托換施工全部都在地面以下進行，使得傳統(tǒng)樁基托換方法存在以下主要問題：

(1) 基坑圍護及開挖工作量大。新建承臺要布置在原承臺之下，頂升平臺要布置在新承臺之下，使得基坑開挖深度較大。對于地下水較淺且表層多為軟土的地區(qū)，需要設(shè)置較強的圍護結(jié)構(gòu)、圍護防滲漏水措施和圍護內(nèi)地基加固措施。

圖1傳統(tǒng)樁基托換方法步序圖(單位：cm)

(2) 基坑開挖對原橋基礎(chǔ)受力影響大。由于基坑開挖較深，原橋樁基暴露較多，樁基摩擦力和側(cè)向約束都有一定損失。

(3) 新承臺施做困難。新承臺局部在原承臺下面，且要穿過原橋樁基，實施難度非常大。在承臺穿越舊樁基的地方，承臺鋼筋無法貫通，承臺的有效截面受到很大削弱。

(4) 頂升施工難度大。頂升操作位于新承臺下面，空間局促，且為克服上部恒載、橋墩和新承臺恒載、原橋樁基摩擦力等因素需要較大的頂升噸位較大，從而使得頂升施工難度較大。

(5) 頂升穩(wěn)定性差。頂升力要通過新舊承臺和橋墩才能傳到梁底，傳力長度大使得頂升穩(wěn)定性差。

(6) 頂升對原橋的保護不易控制。由于頂升力受原橋樁基負摩阻影響，原橋梁底位移和頂升力之間無法預(yù)先建立明確的對應(yīng)關(guān)系，較難對原橋進行保護。

(7) 切斷和破除原橋樁基施工難度大。在新承臺下施工，操作空間局促。如果不能徹底破除原橋樁基，盾構(gòu)通過時需用刀盤切斷這些被托換的舊樁基，造成盾構(gòu)施工難度大、風險高。

1.2 上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換進行橋梁樁基托換新方法

1.2.1 新方法施工步驟

在對傳統(tǒng)樁基托換方法進行深入研究的基礎(chǔ)上，筆者及設(shè)計團隊提出了從上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換入手進行橋梁樁基托換的方法。

喜姑答應(yīng)著，趕緊換了一件衣服，出門一瞧，寶剛爹早已不見了蹤影。她徑直往香娭毑家里走去。老遠就看見香娭毑坐在屋前小坪里，與她坐在一塊的，還有桂娭毑，桃娭毑，這讓喜姑頗感意外。

如圖2所示，利用臨時支架替換需要處理的橋墩托住梁體，將舊橋墩、承臺、樁基清除，施做新承臺和橋墩，實現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換。此方法與更換橋梁支座類似，具體步驟為：(1) 盾構(gòu)區(qū)外施做新樁基①(與傳統(tǒng)方法一致)；(2) 施做圍護結(jié)構(gòu)，開挖基坑，施做承臺②；(3) 利用承臺②搭設(shè)臨時支架③；(4) 利用臨時支架頂升梁體，采用臨時支座(放在臨時支架上)替換永久支座，將上部結(jié)構(gòu)箱梁永久支座反力④通過臨時支座和支架傳遞給新樁基；(5) 拆除原橋墩及承臺⑤；(6) 拔除原樁基⑥；(7) 開挖基坑，連接承臺1為一個整體承臺⑦，此承臺像一根根扁擔梁；(8) 澆筑新橋墩⑧；(9) 再次頂升⑨，采用位于新橋墩上的永久支座代替臨時支座，實現(xiàn)橋梁上部反力由臨時支架轉(zhuǎn)至新橋墩；(10) 拆除臨時支架，恢復(fù)場地，托換施工結(jié)束；(11) 盾構(gòu)通過。

圖2上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換法橋梁樁基托換步序圖

從圖2還可以看出，新方法與傳統(tǒng)方法解決問題的思路不同。傳統(tǒng)方法思路簡潔，采用“地下的問題地下處理”的思路。新方法采用迂回策略，采用“把地下的問題轉(zhuǎn)移到地上處理”的思路，將主要施工集中在地面以上。新方法的巧妙之處在于，充分利用新建樁基搭設(shè)臨時支架，既保證支架基礎(chǔ)的穩(wěn)定，又在第一次頂升時對新樁基進行了實際荷載的檢驗。

兩種方法主要工序優(yōu)缺點對比見表1?？梢钥闯?，盡管傳統(tǒng)方法存在施工工序略少等優(yōu)點，但在施工難度、施工風險、施工可控程度等方面不如新方法。新方法雖然施工步驟略多，但施工難度和費用大幅度降低。

表1 新方法與傳統(tǒng)方法主要工序?qū)Ρ缺?/p>

1.2.2 體系轉(zhuǎn)換時頂升量計算

采用上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換法進行橋梁樁基托換的設(shè)計時，關(guān)鍵控制參數(shù)為體系轉(zhuǎn)換時的頂升量。

上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換法有兩次頂升施工：第一次要將舊橋墩上的永久支座用臨時支架上的臨時支座替換下來；待下部樁基拔除且新橋墩做好后，進行第二次頂升，放回永久支座并把臨時支座撤出。這兩次頂升，既要把支座順利替換，又要避免因頂升過高對主梁產(chǎn)生損傷，因此對頂升量的計算和控制至關(guān)重要。需要說明的是下面的頂升量是指以頂升前的位置為基準墩頂位置梁體絕對位移量。

第一次頂升時的頂升量為：

δ1=δ舊支座+δ施工

(1)

式中：δ舊支座為舊支座恒載壓縮量；δ施工為施工不平整導(dǎo)致的豎向偏差。

第二次頂升時的頂升量為：

δ2=δ新支座+δ施工+δ承臺+δ墩頂修正

(2)

2 上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換進行橋梁樁基托換的實橋設(shè)計計算

本節(jié)通過五里亭立交橋這一具體工程實例進一步闡述說明上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換進行橋梁樁基托換新方法。

2.1 工程概況

福州軌道交通2號線紫陽站—五里亭站區(qū)間，地鐵線路經(jīng)過反復(fù)調(diào)整，區(qū)間盾構(gòu)仍會碰到五里亭立交2個匝道的3個橋墩樁基，平面布置見圖3。且場區(qū)周邊為市場、辦公樓、住宅區(qū)等繁華地段，各類管線特別密集，施工條件局促。

圖3五里亭立交平面布置圖

五里亭立交橋建成于1993年。以盾構(gòu)干擾的D匝道為例，該匝道上部結(jié)構(gòu)為3 m×15.75 m鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)為薄壁墩配預(yù)制方樁群樁基礎(chǔ)。受干擾的141號橋墩墩高11.5 m，墩頂承受約240 t的主梁恒載，承臺3.5 m×3.5 m×1.5 m，橋梁樁基為預(yù)制方樁，共9根，樁基截面40 cm×40 cm，樁長32 m。具體斷面及地質(zhì)情況如圖4所示。

圖4 141號橋墩位置立面圖(單位：cm)

經(jīng)初步測算，若拆除兩個匝道橋并重新建設(shè)，工程費用約1 200萬元，施工工期約7個月。特別是拆除重建橋梁需搭設(shè)大面積現(xiàn)澆支架，要借用周邊非機動車道，交通組織壓力大。

2.2 傳統(tǒng)橋梁樁基托換方法與新方法的比較分析

以五里亭立交橋141號橋墩樁基托換為例，將上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換新方法與傳統(tǒng)橋梁樁基托換方法進行對比分析。

該工程的最大難點是，如圖4所示，地下約5 m處有一根DN1800的污水干管并連接污水井，遷改難度非常大。如果按照傳統(tǒng)方法必須對在基坑深度范圍內(nèi)污水干管及污水井進行遷改，直接費用約80萬元，遷改工期約2個月。采用上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換新方法，由于基坑開挖淺，不會觸及污水干管及污水井，使得不需要對其遷改。

此外，傳統(tǒng)方法的另一大問題是舊樁基的清除問題。按工序要在新承臺做好并頂升結(jié)束后才能割斷舊樁，使得幾乎沒有操作空間清除舊樁基。后續(xù)的盾構(gòu)通過需采用刀盤磨樁、開倉清障等手段，施工費用和風險將顯著增加。上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換新方法在工序安排上可以在地面以上拔除舊樁基，從而避免后期盾構(gòu)通過產(chǎn)生的風險。

因此，141號橋墩樁基托換設(shè)計方案對比表示見表2。由表2可以看出，新方法在施工難度、施工風險、工程造價等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

表2 141號橋墩樁基托換設(shè)計方案對比表

2.3 體系轉(zhuǎn)換時頂升量計算

根據(jù)五里亭立交橋上部結(jié)構(gòu)支座反力和支座型號，按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》[17](JTG D62—2004)的相關(guān)規(guī)定計算得到橡膠支座豎向變形為：δ舊支座=1.6 mm；δ新支座=1.8 mm，根據(jù)經(jīng)驗取δ施工=2 mm。

因此，第一次頂升時的頂升量為：

δ1=3.6 mm

(3)

由于新建承臺在受力上更像一根倒置的扁擔梁，必須考慮混凝土收縮徐變產(chǎn)生的變形。徐變系數(shù)按規(guī)范[17]相關(guān)計算得到：δ承臺=0.61 mm，其中恒載作用下的變形量為0.38 mm。結(jié)合實橋測量，確定δ墩頂修正=1.5 mm。

因此，第二次頂升時的頂升量為：

δ2=5.91 mm

(4)

2.4 關(guān)鍵控制參數(shù)的監(jiān)控

在五里亭立交橋匝道樁基托換時，進行了橋梁監(jiān)控，得到了采用上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換法托換橋梁樁基的關(guān)鍵控制參數(shù)實測值。表3和圖5表示了141號橋墩墩頂處梁底位移實測值?？梢钥闯?，實際頂升量與理論頂升量的差值均在7%以內(nèi)。

表3 141號橋墩樁基托換時墩頂處梁底位移實測值

圖5 141號橋墩樁基托換時墩頂處梁底位移圖

3 結(jié) 語

本文提出了從上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換入手進行橋梁樁基托換的新方法。該方法利用新建樁基搭設(shè)臨時支架，通過兩次上部結(jié)構(gòu)的體系轉(zhuǎn)換，把橋梁樁基托換轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃朴跇蛄褐ё鼡Q，把樁基托換的主要工作從地下轉(zhuǎn)移到地上，可克服傳統(tǒng)樁基托換中存在的諸多缺點。