復(fù)雜主動(dòng)托換結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

黃思勇，羅昊沖，熊 剛

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院 濱海分院，天津 300051)

0 引言

基礎(chǔ)托換的目的是為了對(duì)既有建筑結(jié)構(gòu)物進(jìn)行加固、糾偏、加層、擴(kuò)建、移位等，此項(xiàng)技術(shù)雖有實(shí)施難度大、費(fèi)用高、施工周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，但有時(shí)非此舉不能解決問題，故已廣泛應(yīng)用于地下建筑和地鐵工程建設(shè)中［1］。

早期的托換技術(shù)一般分為補(bǔ)救性托換、預(yù)防性托換和維持性托換三種類型。早期的托換工程之一是英國(guó)的Winchester大教堂，在托換加固之前已經(jīng)持續(xù)下沉了900年。由潛水員在水下挖坑，穿過泥炭和粉土而到達(dá)礫石層，用混凝土包填實(shí)而進(jìn)行基礎(chǔ)托換。近代托換技術(shù)則是在20世紀(jì)30年代興建美國(guó)紐約市的地下鐵路時(shí)得到迅速發(fā)展。

城市在走向大型化和現(xiàn)代化的進(jìn)程中，為了解決交通壓力，世界各地大量興建城市軌道交通和地下隧道工程。這些地下建筑往往要穿越部分高層建筑或重要的歷史建筑物，這就需要對(duì)既有建筑物的基礎(chǔ)進(jìn)行托換加固，以滿足新建軌道交通或地下隧道的使用功能［2］。這種托換工程一般由托換大梁和托換樁基兩部分組成，通常稱為功能性托換。

1 外托換結(jié)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 典型工程示例

日本京都車站新干線區(qū)樁基托換工程，以及德國(guó)慕尼黑地鐵雙軌快速地鐵線路依薩爾門建筑托換工程均成功實(shí)現(xiàn)了托換技術(shù)。

國(guó)內(nèi)托換技術(shù)起步較晚，但近年發(fā)展迅速。典型的托換工程有廣州地鐵站、深圳地鐵穿越百貨廣場(chǎng)和穿越廣深鐵路樁基托換工程等［3-4］。深圳地鐵的百貨廣場(chǎng)托換工程，托換軸力達(dá)18 900 kN，為目前托換工程最大軸力［5］。

這幾項(xiàng)托換工程所用托換結(jié)構(gòu)均為簡(jiǎn)單的扁擔(dān)式結(jié)構(gòu)，即采用兩根托換新樁和一根托換大梁托換一個(gè)墩柱或一組樁基，結(jié)構(gòu)體為靜定體系，受力明確，變形易于控制。見圖1。

圖1 典型的扁擔(dān)式托換結(jié)構(gòu)示意

1.2 基礎(chǔ)托換分類

基礎(chǔ)托換的主要機(jī)理體現(xiàn)在新樁和原樁之間的荷載轉(zhuǎn)換，要求在轉(zhuǎn)換過程中托換結(jié)構(gòu)和新樁的變形限制在上部結(jié)構(gòu)允許的范圍內(nèi)?；A(chǔ)托換通常有主動(dòng)托換和被動(dòng)托換兩種不同的托換機(jī)理。

主動(dòng)托換適用于需托換的建筑物荷載大、變形控制較嚴(yán)格的情況。這類被托換的結(jié)構(gòu)往往需要通過主動(dòng)的變形調(diào)節(jié)來保證變形要求，即在既有基礎(chǔ)切除之前對(duì)新樁和托換結(jié)構(gòu)施加荷載，使需要托換的樁或柱在上頂力的作用下，隨托換大梁一起上升，從而克服由于托換大梁剛度不足可能產(chǎn)生的上部建筑物較大的沉降。同時(shí)也通過預(yù)加荷載消除部分新樁和托換結(jié)構(gòu)的變形，使托換樁和結(jié)構(gòu)的變形可以控制在較小的范圍。由此可以看出，主動(dòng)托換機(jī)理的變形控制具有主動(dòng)性。

被動(dòng)托換是指托換結(jié)構(gòu)荷載小，變形控制要求不嚴(yán)格，依靠托換結(jié)構(gòu)自身截面剛度消能的情況?？梢栽谕袚Q結(jié)構(gòu)施工完成后再將托換樁切除，直接將上部荷載通過托換梁傳遞到新樁，而無需采取其它調(diào)節(jié)變形的措施。托換后既有建筑物及托換結(jié)構(gòu)的變形不能再進(jìn)行調(diào)節(jié)，上部建筑物的沉降由托換結(jié)構(gòu)承受變形的能力控制，變形控制為被動(dòng)適應(yīng)。

2 工程概況

天津?yàn)I海新區(qū)中央大道工程是濱海新區(qū)中心商務(wù)商業(yè)區(qū)的南北向中軸線道路，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向8車道城市主干道，新港四號(hào)路地道是中央大道貫通開發(fā)區(qū)和塘沽區(qū)的重要節(jié)點(diǎn)工程［6］。地道位于南海路和四號(hào)路交叉口，由北向南依次下穿新港四號(hào)路、津?yàn)I輕軌高架橋、進(jìn)港二線鐵路和大連東道，此四項(xiàng)被跨物間距均為30 m左右，地道全長(zhǎng)629 m。地道東北側(cè)為泰達(dá)時(shí)代小區(qū)，西北側(cè)為華納高爾夫球俱樂部，南側(cè)均為天津堿廠鹵水池。本工程的難點(diǎn)是對(duì)津?yàn)I輕軌高架橋的處理。

津?yàn)I輕軌是溝通中心城區(qū)與濱海新區(qū)的交通大動(dòng)脈，四號(hào)路地道所在位置輕軌高架橋上部結(jié)構(gòu)采用連續(xù)梁，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁接鋼筋混凝土承臺(tái)和矩形橋墩(圖2)，梁底距地面約為7.3 m。因高架橋A339和A340墩的阻礙，地道無法正常穿越高架橋。

圖2 輕軌現(xiàn)狀位置示意(單位:m)

3 傳統(tǒng)地道方案

因津?yàn)I輕軌的特殊性和重要性，穿越輕軌高架橋地道方案的前提條件是保證輕軌的正常運(yùn)營(yíng)不受影響。傳統(tǒng)地道方案即采用簡(jiǎn)單的避讓思路，地道將雙向8車道分成四個(gè)分離的箱體分別由輕軌高架橋的4孔間穿越。該方案最大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)津?yàn)I輕軌沒有影響，但其缺點(diǎn)也是很明顯的。

1)受津?yàn)I輕軌高架橋現(xiàn)狀墩柱的影響，傳統(tǒng)地道方案需將雙向8車道分為4個(gè)分離的箱體，即同一方向車輛行駛，也要分成兩個(gè)箱體。這使得駕駛員在進(jìn)入地道之前就需判斷駛?cè)肽囊粭l地道，影響行車的連續(xù)性和舒適性，并且易于造成行車事故。

2)將雙向8車道分為4個(gè)分離箱體占地面積大，需占用華納高爾夫俱樂部9 861 m2，占用泰達(dá)時(shí)代小區(qū)3 118 m2，協(xié)調(diào)難度大，征地費(fèi)用高。既破壞了周邊環(huán)境，也會(huì)增加拆遷費(fèi)用。

3)采用多個(gè)箱體同時(shí)下穿公路和鐵路，箱體之間的空隙導(dǎo)致路基軟硬間隔，易于產(chǎn)生公路和鐵路下的不均勻沉降，影響使用功能。

4 基礎(chǔ)托換方案

4.1 地道橫斷布置

托換方案不同于傳統(tǒng)的地道方案，它將高架橋的A339和A340墩進(jìn)行托換，地道采用整體式箱體下穿。托換結(jié)構(gòu)由2跨連續(xù)格構(gòu)式托換大梁和3排共9根鉆孔灌注樁托換樁基組成。托換樁基從地道箱體頂、底板中穿過，之間設(shè)置間隙，使托換結(jié)構(gòu)和地道箱體徹底隔離(圖3)，確保結(jié)構(gòu)各自受力明晰。

圖3 托換方案橫斷面(單位:m)

4.2 格構(gòu)大梁組成

托換大梁為兩跨連續(xù)格構(gòu)式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，跨徑為2×18.75 m，梁高2 m，由2根縱梁、5根橫梁和頂、底板組成(圖4)。傳力途徑:津?yàn)I輕軌高架橋→輕軌墩柱→墩柱底的托換大梁橫梁→格構(gòu)大梁縱梁→樁頂橫梁→托換樁基。同一橫梁下樁基的布置應(yīng)盡量使三根樁基反力趨于一致。

4.3 托換方案基礎(chǔ)設(shè)置

圖4 托換結(jié)構(gòu)平面(單位:m)

托換結(jié)構(gòu)共設(shè)置3排托換樁基，每排3根。邊樁采用φ1.8 m鉆孔灌注樁，中樁采用φ2.0 m鉆孔灌注樁。因托換結(jié)構(gòu)下需開挖地道，使得托換樁基外露12 m，故邊樁有效樁長(zhǎng)相應(yīng)縮短。托換樁基與托換大梁之間預(yù)留適當(dāng)千斤頂操作空間，并在樁頂設(shè)置樁帽，以安放頂升用千斤頂。

津?yàn)I輕軌高架橋墩柱的軸力大，梁柱接頭承受的剪力大，且輕軌A339墩為制動(dòng)墩，墩頂傳遞下來的水平力大，致使接頭受力更為復(fù)雜，所以墩梁固結(jié)點(diǎn)的處理是托換工程的一個(gè)關(guān)鍵。

4.4 施工工藝與施工監(jiān)控

確定科學(xué)的施工工序、施工工藝及實(shí)時(shí)監(jiān)控措施是保證主動(dòng)托換成功實(shí)施的關(guān)鍵因素。主動(dòng)托換工藝配合實(shí)時(shí)監(jiān)控，以使托換每一個(gè)托換結(jié)構(gòu)在每一個(gè)階段的受力和變形都處于可控狀態(tài)之下。

整個(gè)的托換工程可分為3個(gè)施工階段:第一階段在地道施工前施筑托換結(jié)構(gòu);第二階段進(jìn)行樁基托換，將原結(jié)構(gòu)樁基上的荷載經(jīng)托換梁轉(zhuǎn)移至新樁基;第三階段組織地道的施工，待地道開挖、全斷面通過樁基托換區(qū)且托換結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的變形基本穩(wěn)定后實(shí)現(xiàn)托換梁與托換新樁間的連接，使托換結(jié)構(gòu)形成整體，完成基礎(chǔ)托換。

4.5 托換方案技術(shù)特點(diǎn)

1)采用9根超長(zhǎng)灌注樁承托兩跨連續(xù)格構(gòu)式大梁，同時(shí)托換兩根輕軌墩柱構(gòu)成的多次超靜定空間結(jié)構(gòu)體系，不同于傳統(tǒng)的“扁擔(dān)式”基礎(chǔ)托換結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)力學(xué)模型復(fù)雜，給托換荷載的調(diào)整和位移控制帶來很大的難度。

2)津?yàn)I輕軌 A339墩為制動(dòng)墩，A340墩為連接墩，兩根墩柱的受力特點(diǎn)相差較大，兩個(gè)墩均在輕軌曲線上，托換結(jié)構(gòu)受力性能復(fù)雜。

3)樁基托換軸力大，需要托換的兩個(gè)橋墩的軸力共約14 000 kN，輕軌線路不設(shè)加固措施，列車動(dòng)荷載對(duì)托換施工影響大，施工風(fēng)險(xiǎn)大。

4)津?yàn)I輕軌是天津中心城區(qū)和濱海新區(qū)重要的出勤工具，托換施工不能影響津?yàn)I輕軌的正常運(yùn)營(yíng)。因此托換施工必須始終在安全和可控的狀態(tài)下進(jìn)行，這就要求施工過程中需嚴(yán)格控制輕軌橋墩沉降值、上拱值、鄰近墩沉降差及縱向位移值。橫向位移差引起相鄰墩柱橋面處軸線間的水平折角以及新樁間的沉降差限值也應(yīng)嚴(yán)格控制。

5)采用的摩擦樁沉降緩慢，加上考慮混凝土的收縮徐變的影響，所以托換監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)，對(duì)托換結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)智能化程度要求高，對(duì)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)分析的軟件功能要求強(qiáng)。

5 結(jié)語

1)現(xiàn)代城市正在不斷向地下空間發(fā)展，這必然涉及部分建筑物需要改擴(kuò)建。在遇到大量復(fù)雜的樁基時(shí)，托換技術(shù)的應(yīng)用表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。而托換技術(shù)的廣泛應(yīng)用，又反過來推動(dòng)基礎(chǔ)托換設(shè)計(jì)和施工技術(shù)趨于規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。

2)天津?yàn)I海新區(qū)中央大道四號(hào)路地道采用基礎(chǔ)托換方案，可以避免地道箱體分離，提高了中央大道整體行車舒適度，縮小了征地面積，避免了對(duì)周邊已有建筑的破壞，取得了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的雙豐收。

3)格構(gòu)梁體系托換結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的扁擔(dān)式托換結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜，變形控制難度大。本托換工程需要同時(shí)托換津?yàn)I輕軌高架橋的一個(gè)連接墩和一個(gè)制動(dòng)墩，且托換施工需在津?yàn)I輕軌正常運(yùn)營(yíng)的情況下進(jìn)行，因此需要嚴(yán)格控制高架橋墩頂沉降值，給設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測(cè)帶來難度。

［1］卜建新，孫寧，柯在田.樁基主動(dòng)托換技術(shù)進(jìn)展［J］.鐵道建筑，2009(4):73-77.

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