顧曉毅，林志雄

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

托換技術(shù)起源于舊建筑基礎(chǔ)加固。直到20世紀(jì)30年代，美國紐約地下鐵路建設(shè)，托換技術(shù)在既有橋梁樁基托換工程中得到推廣應(yīng)用；二戰(zhàn)后，德國對許多城市進(jìn)行重建，積攢了豐富工程經(jīng)驗。近年來，我國城市地下交通快速發(fā)展，地鐵和隧道等地下構(gòu)筑物與既有橋梁或建筑物樁基位置交錯、重疊，下穿城市既有橋梁的情況常有發(fā)生，樁基托換技術(shù)成為解決這一矛盾的有效手段[1，2，5]。

“深圳東部過境高速公路連接線工程”隧道結(jié)構(gòu)下穿既有愛國路高架橋梁（高架橋1999年建成），為不中斷愛國路高架交通，采用橋梁樁基礎(chǔ)托換設(shè)計、施工方案。本文以愛國路高架西側(cè)3#墩樁基托換工程為例（平面、立面見圖1），介紹樁基托換、頂升、施工監(jiān)控及安全等方面設(shè)計要點。

1 樁基托換方案設(shè)計

1.1 場地情況

本工程沿線覆蓋第四系土層，自上而下依次為人工填土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中粗砂、黏土等；基巖層主要有震旦系花崗片麻巖、石炭系變質(zhì)砂巖等，按其風(fēng)化程度可劃分為全、強、中、微四個風(fēng)化帶。勘探資料顯示，上覆土層較薄，且位于隧道底板高程以上，故不宜采用摩擦樁，同時樁端應(yīng)進(jìn)入微風(fēng)化花崗片麻巖不小于2 m且應(yīng)進(jìn)入隧道開挖底板以下足夠深度。為降低托換樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受工程隧道開挖影響，托換樁應(yīng)避開隧道洞身側(cè)壁一定安全距離，本工程控制凈距不小于2.1 m。

圖1 橋梁基礎(chǔ)托換平面、立面（單位：mm）

根據(jù)水文調(diào)查，沿線場地地下水主要賦存于第四系沖洪積粗砂層和細(xì)砂層中（埋深0.5 m以下），其含水性及透水性較好，含水較豐富。地下水在弱、強透水地層中對混凝土結(jié)構(gòu)分別具有弱、中等腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具微腐蝕性，在結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計時予以考慮。

1.2 舊承臺與托換梁連接設(shè)計

舊承臺與托換梁連接處受力復(fù)雜，連接界面承受彎剪、收縮和徐變等復(fù)合變形，節(jié)點可靠連接是保證橋墩荷載有效傳遞的關(guān)鍵。對新老混凝土接觸界面的處理方法，包括人工鑿毛法、切槽法、植筋法、噴砂法、高壓水射法等。

本工程新舊混凝土接觸界面處理主要采用切槽法和植筋法。切槽法是通過人工鑿槽對舊混凝土表面進(jìn)行機械切割處理，形成規(guī)則的粗糙界面，有效提高新舊混凝土界面機械咬合強度和抗剪性能[3，4]；界面植筋是通過在新舊混凝土連接界面種植鋼筋，增大界面抗剪承載力，提高界面的延性和耗能性能，減緩界面剛度的退化[6]。這兩種方法，都必須采用合適的工藝工法，以最低限度減少對舊承臺的損傷并增強連接界面的咬合力。

連接面切槽、植筋處理見圖2，設(shè)計中，切槽的深度a、寬度b和c、間距ΔL等參數(shù)，需通過試驗和有限元分析確定，鋼筋種植深度參照相關(guān)技術(shù)規(guī)程確定。

圖2 舊承臺與托換梁連接設(shè)計（單位：mm）

同時，托換荷載轉(zhuǎn)換過程中，傳遞路徑為橋墩→舊承臺、舊樁基新樁基，托換梁承受沖切荷載，需驗算抗沖切承載能力，同時需驗算正截面抗彎承載力、撐桿-系桿體系抗壓和抗拉承載力等。

1.3 新樁基樁帽與托換梁連接設(shè)計

新樁基樁頂處，為提供千斤頂頂升施工操作空間，需設(shè)置樁帽作為頂升平臺（見圖3）。綜合考慮千斤頂尺寸、頂升位移行程和自鎖裝置等因素，本設(shè)計樁帽采用倒T形截面，尺寸為2 800 mm（底寬）×2 200 mm（高），在樁帽頂部設(shè)置鋼墊塊，托換梁頂部設(shè)置豎向注漿孔。

圖3 樁帽與托換梁連接節(jié)點（單位：mm）

該節(jié)點設(shè)計考慮以下要點：

（1）后澆帶。后澆帶是連接樁基、托換梁的關(guān)鍵節(jié)點，其混凝土澆筑質(zhì)量、鋼筋連接控制是關(guān)鍵工序。由于后澆節(jié)點位置狹窄且無法振搗，設(shè)計中考慮采用超高性能混凝土（UHPC）。UHPC是由水泥、礦物摻合料、高性能外加劑、粒徑不大于5 mm的高性能細(xì)骨料、短纖維等以特定工藝混合而成的材料，其在施工現(xiàn)場按比例加水?dāng)嚢杈鶆蚝筮M(jìn)行施工，凝結(jié)硬化后具有高強度、高耐久性、高流動性、高柔韌性、高極限拉應(yīng)變等超高性能。UHPC具有自流平混凝土的流動特性，能順利通過鋼筋網(wǎng)，較好的達(dá)到施工致密性要求。

（2）千斤頂設(shè)置。千斤頂選型，需綜合考慮頂升荷載大小、頂升位移行程、樁帽尺寸、自鎖裝置等因素。在本設(shè)計中，為避免不均勻沉降對橋梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生二次病害，采用PLC液壓同步頂升技術(shù)，實時數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)多液壓缸負(fù)載不均衡同步升降控制，同時設(shè)置鋼支墊以實現(xiàn)位移跟隨安全鎖定。

（3）鋼筋連接。由于采用了UHPC混凝土，利用其自密性和咬合力，大量減少了接頭鋼筋焊接工作量，提高了節(jié)點連接質(zhì)量。

1.4 耐久性設(shè)計

結(jié)構(gòu)所處環(huán)境是影響耐久性的外因，不同的環(huán)境類別采取不同的耐久性設(shè)計要求。根據(jù)水文調(diào)查，本工程地下結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別屬于Ⅰ類一般環(huán)境，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具微腐蝕性。耐久性設(shè)計主要包括混凝土保護(hù)層厚度、強度等級、預(yù)應(yīng)力體系防護(hù)、抗?jié)B要求等內(nèi)容。

本工程耐久性設(shè)計中，由于預(yù)應(yīng)力鋼筋存在應(yīng)力腐蝕、氫脆等不利于耐久性的弱點，且直徑一般較細(xì)，對腐蝕比較敏感，破壞后果嚴(yán)重，重點予以考慮。對預(yù)應(yīng)力鋼筋、錨夾具、錨頭等容易遭受腐蝕的部分采取有效措施，比如采用環(huán)氧預(yù)應(yīng)力鋼筋、錨頭采用環(huán)氧混凝土做封錨防水處理、適當(dāng)加大預(yù)應(yīng)力鋼筋保護(hù)層厚度等。

2 頂升設(shè)計

根據(jù)愛國路橋梁的結(jié)構(gòu)特征和場地地質(zhì)情況，橋梁上部結(jié)構(gòu)對變形要求嚴(yán)格，屬于位移敏感結(jié)構(gòu)，本設(shè)計采用主動托換方式。主動托換的控制思想是：通過主動頂升、施加預(yù)應(yīng)力等方式，提前施加反向位移，以消除新樁基與土體壓縮變形、托換梁彎曲剪切變形與徐變收縮變形，使得托換后橋梁上部變形Δ≈0。

頂升設(shè)計重點是計算分析頂升施工工序的荷載位移效應(yīng)。計算內(nèi)容包括預(yù)應(yīng)力鋼束張拉、頂升荷載與位移、老樁基內(nèi)力變化和工后沉降控制等。主要頂升工序見表1。

表1 主要頂升工序

本工程采用“Midas”、“橋梁博士”分別計算模擬上述施工過程。其中，工序2反向彌補了新樁基承載、土體壓縮產(chǎn)生的變形，消除了有限元計算中新樁基周邊土體模擬而產(chǎn)生的誤差，但舊樁該誤差依然存在。各階段的內(nèi)力見表2。

表2可見，通過張拉預(yù)應(yīng)力（工序1～2），把舊樁約90%的荷載轉(zhuǎn)移到托換新樁基；二次頂升后（工序3），舊樁基最大內(nèi)力約為35 t，開始截樁；最后通過三次頂升，使托換結(jié)構(gòu)滿足各項位移指標(biāo)。

在位移控制時，工序1～2主要是控制新樁基沉渣變形、樁身承載和土體壓縮變形；并通過工序3～4，微調(diào)舊樁存留荷載、最終托換梁的工后變形（徐變、收縮）和其它不可預(yù)見變形。本設(shè)計中，基礎(chǔ)托換梁在橋墩處的計算工后沉降約2.0 mm。

表2 各階段內(nèi) t

在實際頂升設(shè)計中，由于新老樁基的土體力學(xué)參數(shù)和計算模型邊界模擬具有近似性，頂升理論荷載必然存在偏差。因此，在實際頂升控制時，執(zhí)行“以位移控制為主，荷載控制為輔”的指導(dǎo)原則。

3 監(jiān) 控

監(jiān)控包含施工控制與監(jiān)測兩部分內(nèi)容。頂升過程中，雖然采用PLC液壓同步頂升系統(tǒng)進(jìn)行頂升操作，但各千斤頂?shù)捻斏俾嗜杂锌赡艽嬖诓町悾@將導(dǎo)致梁體出現(xiàn)相對位移差，產(chǎn)生附加應(yīng)力從而使結(jié)構(gòu)受到損傷。因此，施工監(jiān)控需貫穿托換頂升全過程。

（1）施工控制。施工控制是為了達(dá)成某種特定狀態(tài)而采取的分析方法和措施。托換過程中，必須通過有限元和理論分析，結(jié)合既有橋梁的構(gòu)造特點、維護(hù)和運營情況、土體參數(shù)等，建立一套位移控制目標(biāo)（見表3），從而制定相應(yīng)的施工措施、工序和方法。因此，設(shè)計時，托換頂升步驟、預(yù)應(yīng)力張拉順序、樁基持力層選擇、托換梁剛度設(shè)計、橫向限位措施等，是托換控制目標(biāo)的具體分解。

表3 托換梁位移控制值

實際頂升設(shè)計中，由于千斤頂安裝垂直誤差或其他橫向誘因影響，頂升過程中可能會出現(xiàn)微小的水平位移，為避免此類風(fēng)險，需設(shè)置限位裝置，以限制梁體可能發(fā)生的縱橫向位移。

（2）監(jiān)測。施工監(jiān)測是采用監(jiān)測儀器對關(guān)鍵部位各項控制指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測的技術(shù)手段，在監(jiān)測值接近預(yù)警值或控制值時發(fā)出警告，用來保證施工的安全，也可檢驗施工工序的合理性。

具體監(jiān)測內(nèi)容包括千斤頂位移及荷載監(jiān)測、既有橋梁梁底面高程監(jiān)測、托換梁豎向及橫向位移監(jiān)測、基坑土體變形監(jiān)測、新樁基位移監(jiān)測、舊樁基位移監(jiān)測和臨時鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測等。本工程監(jiān)測點布置見表4。

表4 監(jiān)測點布置

4 結(jié) 語

本橋梁樁基托換工程創(chuàng)造了國內(nèi)單點基礎(chǔ)托換噸位最大、托換梁跨徑最大的記錄，在托換過程中，實現(xiàn)了保通、可控和安全的目標(biāo)。由于新老樁基的土體力學(xué)參數(shù)和計算模型的邊界模擬具有近似性，頂升理論荷載可能存在偏差，因此在實際頂升控制過程中，執(zhí)行“以位移控制為主，荷載控制為輔”的指導(dǎo)原則。施工監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，本工程實際豎向位移目標(biāo)偏差成功控制在±0.5 mm以內(nèi)。