深圳地鐵3號(hào)線廣深鐵路橋樁基托換技術(shù)

陳安生,吳 義

(1.湖南交通工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,衡陽 421001； 2.深圳廣鐵土木工程有限公司,深圳 518000)

1 工程概況

1.1 位置概況

深圳地鐵3號(hào)線紅嶺站—老街站區(qū)間隧道在和平路與解放路交匯處穿過廣深鐵路既有線橋基。該鐵路高架橋?yàn)樗木€橋,需要對(duì)18-1號(hào)～18-4號(hào)共計(jì)4個(gè)橋墩的基礎(chǔ)進(jìn)行托換。平面位置如圖1所示。

圖1 工程平面位置

1.2 高架橋與重疊隧道概況

高架橋基礎(chǔ)為四樁承臺(tái),其中1～3號(hào)鐵路線的18-1～18-3號(hào)各橋墩基礎(chǔ)為4根φ550 mm的打入式預(yù)制管樁,樁頂承臺(tái)厚度2 m,樁尖埋置深度18.357～20.027 m,樁端為砂性黏土； 4號(hào)鐵路線的18-4號(hào)橋墩基礎(chǔ)為φ800 mm的鉆孔灌注摩擦樁,樁頂承臺(tái)高1.5 m,為連續(xù)剛構(gòu)的主墩。該處區(qū)間隧道為盾構(gòu)施工的上下重疊隧道,下層隧道埋深約25 m,上下隧道凈距最小為1.60 m。如圖2、圖3所示。

圖2 托換體系平面示意

圖3 托換體系橫向剖面示意(A-A剖面)(單位：mm)

1.3 地質(zhì)和水文概況

托換場地為第四系地層,自上而下依次為全新統(tǒng)人工堆積層(含素填土、粉質(zhì)黏土、中砂、圓礫、碎石等)、海沖積層(依次為淤泥質(zhì)粉土、黏土、粉砂、中砂、粗砂、礫砂、圓礫等)、下伏花崗片麻巖及花崗巖,按風(fēng)化程度分為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中等風(fēng)化和微風(fēng)化等4個(gè)風(fēng)化帶。

樁基托換工程點(diǎn)距布吉河100～130 m,地下水位高(埋深為2.4～6.5 m)且水量豐富,滲透性強(qiáng),滲透系數(shù)最大為30 m/d。場地主要含水層自上而下的埋藏形式為：第四系海沖積細(xì)中砂層、礫砂層等松散土層孔隙水,主要由大氣降水和鄰近河水補(bǔ)給；賦存于基巖裂隙水,含水量相對(duì)較少,透水性相對(duì)較弱。

2 工程特點(diǎn)與托換方案

2.1 工程特點(diǎn)

根據(jù)工程所處的地理位置、地質(zhì)與水文條件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程規(guī)模、結(jié)合施工工藝及施工經(jīng)驗(yàn)分析,本工程具有以下主要特點(diǎn)。

(1)工程所處地層構(gòu)造復(fù)雜,地下水位高且含量豐富,尤其深入地下約25 m的托換樁深度范圍內(nèi)分布有較大厚度的礫砂層,滲透性強(qiáng),地下水力聯(lián)系緊密,對(duì)工程施工尤其對(duì)托換樁和截樁的施工帶來很大難度。

(2)本工程托換的鐵路橋樁基,為φ550 mm預(yù)制管樁和φ800 mm鉆孔灌注摩擦樁,上部3座橋梁為不同時(shí)期修建,結(jié)構(gòu)均是低高度的部分預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,對(duì)墩頂豎向位移特別敏感,警戒值為5 mm,變形稍大必將影響到整聯(lián)連續(xù)梁。

(3)鐵路高架橋上列車行車時(shí)將會(huì)產(chǎn)生很大的振動(dòng)荷載,在不中斷、不影響列車正常運(yùn)營的條件下,必須保證橋梁結(jié)構(gòu)在其基礎(chǔ)施工時(shí)不產(chǎn)生破壞性變形,同時(shí)要防止施工過程中列車振動(dòng)荷載影響托換梁與被托換樁承臺(tái)粘結(jié)面混凝土的整體性。

2.2 托換方案

(1)采用主動(dòng)托換方案

根據(jù)工程地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)狀況、使用環(huán)境要求分析,決定采用主動(dòng)托換方案。在每個(gè)橋墩承臺(tái)底設(shè)置一條托換梁固結(jié)在隧道兩側(cè)新設(shè)樁的樁頂,新樁與托換梁在固結(jié)前采取主動(dòng)托換技術(shù)進(jìn)行荷載轉(zhuǎn)移。其基本原理是：在托換梁與新設(shè)樁之間設(shè)置千斤頂加載,使上部結(jié)構(gòu)有微量頂升位移,同時(shí)使新樁的大部分位移通過頂升的預(yù)壓來完成,從而通過主動(dòng)加載實(shí)現(xiàn)將作用在原結(jié)構(gòu)舊樁上的荷載經(jīng)托換梁轉(zhuǎn)移到新樁。

(2)設(shè)置臨時(shí)鋼支架

為防止鐵路高架橋上列車行車時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)荷載影響托換梁與被托換樁上承臺(tái)粘結(jié)面間的混凝土結(jié)硬過程中的整體性,并保證施工過程中不因舊橋墩基礎(chǔ)可能產(chǎn)生的下沉影響上部橋梁的結(jié)構(gòu)安全和運(yùn)營安全。在基坑開挖及新樁施工前對(duì)托換基礎(chǔ)的梁跨在橋墩兩側(cè)設(shè)置臨時(shí)支架進(jìn)行支撐,并在臨時(shí)鋼支架立柱頂部放置特制的D12型鋼縱梁,鐵道鋼軌下穿扣軌橫梁將上部鋼軌架空脫離橋面,扣軌橫梁與縱梁吊扣連接。這樣施工段橋跨線路上列車通過時(shí)的大部分動(dòng)荷載直接由扣軌橫梁承受,再通過鋼縱梁傳至臨時(shí)鋼支架上,將線路上的列車動(dòng)載與橋梁恒載分離。其次,通過設(shè)于臨時(shí)支架上的千斤頂按照設(shè)計(jì)頂力加載托起橋梁的上部梁部,將上部梁部荷載轉(zhuǎn)移至臨時(shí)支架。這樣便實(shí)現(xiàn)了列車運(yùn)行動(dòng)載和上部梁部荷載對(duì)既有樁基礎(chǔ)的影響減至最小。如圖4所示。

(3)新樁與托換梁結(jié)構(gòu)

樁基托換充分利用橋下空間,并開挖一約長23.8 m,寬15.6 m、深6.2 m的基坑作為施作空間,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用2排φ600 mm鉆孔灌注樁+1排φ600 mm旋噴樁,并在坑壁噴射混凝土護(hù)壁。因托換的新樁距既有承臺(tái)最近不足3.0 m,為確保不影響廣深鐵路的正常運(yùn)營,確定新樁采用人工挖孔樁,共10根。其中廣深1～3號(hào)線每條托換梁(L1～L3)下設(shè)樁徑2.0 m的新樁2根,共6根；廣深4號(hào)線托換梁(L4)下設(shè)樁徑1.5 m的新樁4根。樁長約為22 m,樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30,持力層為花崗片麻巖。

托換梁設(shè)于既有橋梁承臺(tái)下方并與既有橋梁承臺(tái)固結(jié),采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),共4片梁(L1～L4),詳見圖2。大梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40,尺寸分別為：L1～L3的長×寬×高=13.4 m×4.0 m×2.4 m,L4的長×寬×高=13.0 m ×4.8 m×3.0 m。

3 施工工序

樁基托換主要施工工序?yàn)椋和袚Q基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及止水帷幕旋噴樁施工→臨時(shí)鋼支架施工及扣軌→既有橋梁體頂升→新托換樁施工→開挖托換基坑→托換梁施工→千斤頂頂升→托換樁、梁連接→切斷既有樁→拆除扣軌和臨時(shí)鋼支架、拔出地鐵隧道盾構(gòu)影響范圍內(nèi)的鋼管樁→基坑回填,地面恢復(fù)。

4 關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1 線路加固及扣軌施工

本次線路加固主跨縱梁采用在廠家特別加工的D12定型便梁,扣軌時(shí)1～3號(hào)鐵路線上把3組D12定型便梁連成36 m長的連續(xù)梁,4號(hào)線上把4組D12定型便梁連成48 m的連續(xù)梁。橫梁寬度為0.21 m,兩端通過連接板及牛腿與縱梁定位相連,橫梁上設(shè)有若干孔眼,以便于安裝扣件,固定鋼軌。在橫梁底通過節(jié)點(diǎn)板設(shè)置斜系桿以增強(qiáng)其整體穩(wěn)定。

(1)臨時(shí)鋼支架基礎(chǔ) 采用φ299 mm×8 mm,樁長為27.0 m的微型鋼管樁。為不造成橋墩范圍內(nèi)地下水的變化,其基礎(chǔ)施工安排在基坑支護(hù)及止水帷幕旋噴樁施工完成后進(jìn)行,并盡量減少對(duì)既有高架橋待托換管樁基礎(chǔ)的影響。微型鋼管樁采用XY-200型地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔,BW-150型高壓注漿泵注漿,樁頂深入樁頂承臺(tái)內(nèi)400 mm。在樁頂承臺(tái)上預(yù)埋鋼板和錨栓,為后面鋼管立柱的安裝做好準(zhǔn)備。鋼板厚30 mm,預(yù)埋錨栓為φ28 mm(4號(hào)線上為φ32 mm)。錨栓位置必須準(zhǔn)確、牢固,確保澆筑樁頂承臺(tái)混凝土?xí)r不位移。在后續(xù)開挖托換基坑時(shí),由于臨時(shí)鋼支架承臺(tái)下的鋼管樁基礎(chǔ)也將會(huì)暴露,因此必須隨挖隨將各鋼管樁焊連在一起,以增強(qiáng)鋼管排樁的共同受力與穩(wěn)定性。

(2)鋼立柱的架設(shè) 采用支架進(jìn)行安裝。用吊機(jī)起吊構(gòu)件卸至橋面投影范圍外后,人工移至安裝地點(diǎn)附近,然后在其上方搭設(shè)支架、安放橫梁掛起重拉鏈滑車,將其扶直與基礎(chǔ)進(jìn)行焊接與錨固。

(3)鋼橫梁安裝 按照先安裝橫梁,再安裝縱梁的施工工藝進(jìn)行。為節(jié)省橫梁安裝時(shí)間,預(yù)先準(zhǔn)確定出橫梁位置,將與橫梁位置有沖突的軌枕位置進(jìn)行調(diào)整。在確保橫梁能穿進(jìn)的條件下盡量減少扒開道砟的數(shù)量,以減少對(duì)既有線路的擾動(dòng),為利于縱梁安裝,確定橫梁擺放位置與高程準(zhǔn)確無誤后,用定位角鋼將橫梁定位,再安裝橡膠墊及橫梁與鐵軌連接扣件,通過墊片來調(diào)整鋼軌的高程；并在橫梁頂與鋼軌底之間墊上木楔調(diào)整線路方向、高程,以防軌枕下沉?xí)r及時(shí)調(diào)整、搗固線路。

(4)D12型鋼縱梁安裝 在臨時(shí)鋼支架立柱頂部安裝特殊加工的可以連續(xù)的D12型鋼縱梁,縱梁最大長度48 m,質(zhì)量達(dá)21 t。為解決對(duì)位問題,將其分成兩節(jié)拼裝,并在鋼立柱上焊接鋼筋幫助對(duì)位?？v梁就位后,與鋼立柱件采用焊接連接,防止縱梁在回填道砟搗固、列車側(cè)向推力下產(chǎn)生偏移。

(5)縱橫梁聯(lián)結(jié) D12型梁縱橫梁聯(lián)結(jié)采用固定的配件,由于斜桿安裝在橫梁底,扣軌時(shí)無法安裝,可考慮清除道砟后安裝,增強(qiáng)橫梁的整體性；在橫梁各鋼軌之間安設(shè)絕緣墊板,并插打薄木夾,確保軌頂高程與扣軌前一致,并每隔2.0 m設(shè)置一道軌距桿。

4.2 既有承臺(tái)植筋

因鐵路高架橋原樁基礎(chǔ)為φ550 mm預(yù)制管樁和φ800 mm鉆孔灌注摩擦樁。根據(jù)預(yù)應(yīng)力管樁的特點(diǎn),不能對(duì)其進(jìn)行植筋處理,故只能在承臺(tái)下部進(jìn)行植筋。為加強(qiáng)既有承臺(tái)與托換梁間的連接,另在承臺(tái)兩側(cè)植筋并新澆300 mm厚鋼筋混凝土加強(qiáng)拉結(jié)層。如圖5、圖6所示。承臺(tái)植筋要求如下。

(1)施工時(shí)將管樁與托換梁的接觸面的雜物清除,用清水和鋼絲刷洗刷干凈,并且鑿毛處理,以利于托換梁和舊樁之間的結(jié)合。

(2)設(shè)計(jì)植筋規(guī)格為φ25 mm鋼筋,長度500 mm,錨入承臺(tái)內(nèi)250 mm, 植筋步驟為：①植筋前須仔細(xì)鑿除既有樁承臺(tái)底混凝土表面的水泥砂漿和松弱層；②在承臺(tái)下用電動(dòng)沖擊鉆孔機(jī)鉆孔至設(shè)計(jì)深度,并注意避開承臺(tái)鋼筋,鉆孔均向同一方向布置；③用空壓機(jī)的風(fēng)管對(duì)準(zhǔn)鉆孔將殘留的灰塵吹出；④用尺寸比鉆孔直徑稍大一點(diǎn)的鋼絲刷對(duì)鉆孔進(jìn)行清刷；⑤用空壓機(jī)風(fēng)管進(jìn)行二次吹灰；⑥帶水進(jìn)行二次清刷；⑦用吸水強(qiáng)的干布,將孔內(nèi)水分吸干；⑧將錨固劑塞入孔中,將已除銹、干凈無油污的鋼筋塞入孔中,并將孔口錨固劑抹平。

圖5 既有承臺(tái)植筋構(gòu)造(單位：mm)

圖6 既有承臺(tái)四周新澆混凝土配筋(單位：mm)

4.3 樁基主動(dòng)托換頂升

(1)頂升準(zhǔn)備 本工程托換樁頂升加載系統(tǒng)包括千斤頂和鋼支墊等。如圖7～圖9所示。每個(gè)樁頂橫梁上各放置2臺(tái)YSD500t的千斤頂,而鋼支墊則是由“矮鋼支墩+各種厚度的鋼板+特制的螺絲端桿鋼支墊”組成。它一方面可隨著千斤頂?shù)捻斏缴仙蜃魃滴⒄{(diào),當(dāng)千斤頂出現(xiàn)回油或故障時(shí),能起臨時(shí)支承作用；另一方面托換荷載轉(zhuǎn)換完成后,便于千斤頂?shù)闹脫Q取出,能起到永久支承作用。在澆筑托換樁頂橫梁及托換梁前,分別在橫梁頂面、托換梁底面放置千斤頂和鋼支墊部位各預(yù)埋20 mm厚鋼板并預(yù)先通過鋼筋連接錨固在梁內(nèi)鋼筋上,定位牢固并確保鋼板面平整。樁頂橫梁及托換梁施工完畢且達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,即可進(jìn)行頂升加載準(zhǔn)備。施工時(shí)首先測量復(fù)核各千斤頂和鋼支墊、千斤頂?shù)捻斆婧偷酌娓叱?。將千斤頂調(diào)節(jié)到與上下鋼板密貼的高度。本工程樁頂橫梁與托換梁之間垂直距離為650 mm,支墊設(shè)計(jì)高度為640 mm,剩余的10 mm空間和頂升位移一起通過支墊上的螺絲端桿上的螺母進(jìn)行調(diào)整。安裝時(shí)務(wù)必保持千斤頂、支墊的頂升力與水平托換大梁垂直,與樁基的軸線一致。

圖7 樁基托換頂升剖面示意(單位：mm)

圖8 1～3號(hào)鐵路線18-1～18-3號(hào)橋樁基托換頂升構(gòu)造(B-B剖面)(單位：mm)

圖9 4號(hào)鐵路線18-4號(hào)橋樁基托換頂升構(gòu)造(C-C剖面)(單位：mm)

(2)頂升托換

將舊樁上的荷載安全地轉(zhuǎn)移到托換新樁上,是樁基托換成功的關(guān)鍵。本工程根據(jù)設(shè)計(jì)要求的最大頂升力分別為6 973 kN(廣深1～3號(hào)線橋墩)和7 643 kN(廣深4號(hào)線橋墩),施工前對(duì)實(shí)際軸力進(jìn)行測試驗(yàn)證。分12級(jí)逐步施加頂升力,前80%的荷載按8級(jí)進(jìn)行加載,每級(jí)遞進(jìn)10%；后20%的荷載按4級(jí)進(jìn)行加載,每級(jí)遞進(jìn)5%。為保證梁體的平衡穩(wěn)步上升,前8級(jí)的每一級(jí)加載在2 min內(nèi)完成,持荷時(shí)間為15 min,具體施加時(shí)間及持續(xù)時(shí)間須結(jié)合現(xiàn)場量測,以新樁的沉降速度(≤0.01 mm/min)為控制標(biāo)準(zhǔn)；后4級(jí)加載通過2個(gè)方面來進(jìn)行控制：一是每級(jí)加載的持荷的時(shí)間增至30 min以上；二是新樁的沉降速率≤0.01 mm/min。每個(gè)樁帽的2個(gè)千斤頂由一個(gè)油泵控制,即2臺(tái)油泵分別控制4臺(tái)千斤頂實(shí)施統(tǒng)一操作,同步頂升。千斤頂頂升的高度可以通過螺絲端桿上螺母旋轉(zhuǎn)上升或下降的多少和精密水準(zhǔn)儀觀測來進(jìn)行雙控。當(dāng)千斤頂頂升到所需要的荷載后,并且監(jiān)測到橋梁和托換樁基礎(chǔ)的沉降達(dá)到一定的穩(wěn)定甚至不再沉降時(shí),即將油泵鎖死,將螺絲端桿上的螺母旋轉(zhuǎn)到位,使鋼支墊頂緊托換梁底。支墊全部頂?shù)轿缓?再用粗鋼筋將預(yù)埋鋼板與支墊底板臨時(shí)焊在一起,將支墊固定在樁帽上,防止作業(yè)時(shí)支墊發(fā)生位移。這時(shí)方可啟動(dòng)油泵,使千斤頂回程復(fù)位,撤消千斤頂。最后連接托換樁頂橫梁以及托換梁之間的鋼筋,澆筑樁梁間混凝土,而位于樁梁之間的鋼支墊則不再取出。

(3)頂升監(jiān)測 對(duì)托換梁進(jìn)行頂升過程中,隨著千斤頂活塞的推出,各部分變形、受力的順序是個(gè)復(fù)雜的過程,為保證“主動(dòng)托換”的效果,在頂升過程中,千斤頂頂力與所有結(jié)構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測是確保托換成功的關(guān)鍵,頂升托換梁時(shí),必須以設(shè)計(jì)頂力作為最基本的參考依據(jù),確定每個(gè)千斤頂允許壓力限值,將頂升力控制在允許范圍內(nèi)。以墩柱頂部位移與管樁的應(yīng)力變形作為關(guān)鍵控制對(duì)象。被托換橋墩底上抬量大于2 mm或最大裂縫寬度大于0.15 mm時(shí)應(yīng)停止加載,并同時(shí)檢測結(jié)構(gòu)應(yīng)力。在每級(jí)頂升過程中,監(jiān)控頂升產(chǎn)生的同步差值,并在下一級(jí)及時(shí)調(diào)整,使每一級(jí)頂升差值控制在允許范圍內(nèi),防止差值積累超限,實(shí)現(xiàn)同步均衡頂升。

4.4 切斷舊樁

為避免隧道開挖施工過程中對(duì)既有樁產(chǎn)生附加力進(jìn)而影響上部高架橋結(jié)構(gòu),防止既有樁對(duì)地鐵襯砌結(jié)構(gòu)的影響，以及降低地鐵運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)躁聲,樁、梁結(jié)構(gòu)主動(dòng)托換完成、樁帽與托換梁之間的剛性固結(jié)完成并達(dá)到強(qiáng)度承受所有荷載,全面觀測沉降穩(wěn)定后,應(yīng)將橋墩舊基礎(chǔ)樁和臨時(shí)鋼支架下地鐵隧道盾構(gòu)影響范圍內(nèi)的鋼管樁徹底清除。

圖10 截?cái)嗯f樁基坑施工作業(yè)面示意

截樁前需對(duì)原樁、承臺(tái)、托換梁、新樁等的沉降和位移進(jìn)行全方位監(jiān)測,各測點(diǎn)全面進(jìn)行一次初始讀數(shù),為施工過程中隨時(shí)掌握變形發(fā)展趨勢作指導(dǎo),做到信息化施工。截樁使用無振動(dòng)的切割機(jī),舊樁截?cái)喙に囀牵捍袚Q梁施工完成后,直徑為550 mm及800 mm的原橋樁分別采用內(nèi)徑為1.20 m、1.50 m的挖孔形成截樁作業(yè)操作面,如圖10所示。挖孔護(hù)壁采用直徑12 mm的玻璃纖維筋,樁的截除位置在梁底以下500 mm處,先用紅油漆沿樁周劃出一圈水平的切割線,每個(gè)承臺(tái)下截樁作業(yè)分二批每批2個(gè)樁,按點(diǎn)對(duì)稱程序進(jìn)行。先沿樁周開一條深100 mm、寬200 mm的斷口,在此過程中鋼筋不斷,同時(shí)觀測各個(gè)測點(diǎn)的位移、沉降變化情況。如果托換梁的最大下沉量大于2 mm,則通過千斤頂加載調(diào)整橋墩柱頂與高架橋之間的支座,控制其沉降值滿足要求。每一次切割深度為不超過100 mm,由外向內(nèi)、層層剝離,將樁身混凝土全部鑿除后再截樁身鋼筋。

截樁完成后,拔除臨時(shí)鋼支架下地鐵隧道盾構(gòu)影響范圍內(nèi)的鋼管樁,用C10的混凝土回填,恢復(fù)路面。

5 施工監(jiān)測

根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖的技術(shù)要求,施工技術(shù)人員對(duì)既有鐵路橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和樁基托換的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了充分論證,在托換前根據(jù)工況并考慮各種初始因素,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形、荷載計(jì)算模型分析。

在施工過程中,根據(jù)高架橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工程地質(zhì)條件及主要表現(xiàn)元等因素綜合考慮布點(diǎn),由監(jiān)測單位對(duì)橋梁既有狀態(tài)及各施工工況下的墩臺(tái)豎向和水平位移值、托換結(jié)構(gòu)的應(yīng)變?cè)隽亢臀灰?托換大梁撓度和新樁沉降進(jìn)行了全過程嚴(yán)密監(jiān)測,結(jié)果表明各項(xiàng)實(shí)際變形值遠(yuǎn)小于設(shè)定的預(yù)警值,證明托換結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的。

6 結(jié)語

樁基托換是一種較為新穎的力系轉(zhuǎn)換施工方法。在鐵路運(yùn)營干線上不中斷行車,橋上列車正常運(yùn)行的條件下按施工方案進(jìn)行本鐵路高架橋樁基托換,取得了成功。但在既有鐵路線上進(jìn)行高架橋樁基托換,涉及的施工項(xiàng)目較多,施工中存在諸多不確定的影響因素,對(duì)技術(shù)、工藝要求很高,尚需我們?cè)趯?shí)踐中進(jìn)一步總結(jié)。

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