深圳地鐵3號線廣深鐵路橋樁基托換工程設計

魯雪冬，毛學鋒，許智焰

(中鐵二院工程集團有限責任公司土木建筑設計研究一院，成都 610031)

1 工程概況及特點

1.1 總體工程概況

深圳地鐵3號線廣深鐵路橋是連接廣州、深圳的準高速鐵路，區(qū)間隧道穿越段是廣深鐵路既有3線橋解放路段的18號橋墩和所建廣深四線19號橋墩(圖1)。根據(jù)竣工資料，既有3線橋墩均為4根φ550 mm摩擦樁，樁端為砂黏土;兩邊18號～22號墩間橋梁為4跨連續(xù)梁;所建廣深4線19號墩為4根φ800 mm的鉆孔灌注摩擦樁，為連續(xù)剛構的的主墩(圖2);該處區(qū)間隧道為盾構施工的上下重疊隧道，上下隧道凈距最小為1.60 m。根據(jù)廣深鐵路橋的結構、基礎形式和施工操作空間，采用人工挖孔樁，梁式托換橋墩的托換形式，托換梁設于承臺下方。采用臨時鋼支架支承3線連續(xù)梁和1線連續(xù)剛構梁需要托換的橋墩對應的梁部，然后用D型施工便梁吊扣軌。

圖1 施工場地布置

圖2 樁基托換平面示意

1.2 連續(xù)剛構樁基托換特點

連續(xù)剛構橋是墩梁固結整體受力，基礎變形通過橋墩傳遞到梁體，對梁體結構安全影響較大。而基礎托換的過程就是將原有基礎放在新設計的托換梁上，發(fā)生位移是不可避免的。但基礎過大的位移不僅會拉裂墩身，還使得梁體產生破壞。結構過大的位移將使鐵路線路不平順，危及行車安全，而梁體結構的損壞更是會導致鐵路運營中斷。樁基托換范圍內地下水位高，為了保證樁基托換過程中下部的沉降值滿足梁部各項指標，必須采用多種措施防止樁基的變位，整個施工范圍采用止水及施做托換基坑圍護結構;連續(xù)剛構墩周實施旋噴樁加固，并采用局部冷凍法凍結該墩基礎地下水;外加臨時鋼支架支承剛構，梁部采用D型便梁吊扣軌(圖3)。連續(xù)剛構的樁基托換工程，國內并無先例，且各項輔助措施眾多，施工場地狹小，施工難度大，這給設計和施工帶來了很大難度。

圖3 連續(xù)剛構樁基托換示意

1.3 地質和水文概況

場地內各地層地質主要為堆積土、沖積層、花崗片麻巖和花崗巖(主要分全風化、強風化、中風化和微風化)。

施工場地附近有布吉河河水，樁基托換工程點離河100～130 m，地下水與河水相互補給。地下水主要有2種類型:一是松散土層孔隙水，二是基巖裂隙水，主要賦存在松散覆土及基巖的裂隙中。隧道結構位于地下水位以下，地下水對混凝土無腐蝕，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具弱腐蝕，對鋼結構有弱腐蝕。

2 樁基托換工程的難點

(1)廣深鐵路為深圳市通往廣州、香港的交通大動脈，運輸十分繁忙，托換工程施工必須萬無一失，確保鐵路運輸暢通，因此本托換是在動活載作用下的托換。

(2)需根據(jù)被托換建筑物的結構類型、對變形控制的要求以及托換荷載大小等因素，仔細研究托換方案、施工步驟、采取的措施等，以確保荷載的有效轉移和建筑物的安全。

(3)確定托換荷載的制約因素多。樁基托換受力轉換體系復雜，需要根據(jù)不同階段、不同荷載的作用，分階段確定托換荷載。針對托換樁在托換施工、隧道施工期間的受力變形影響，分析建筑物可能的最大最小受力情況，以選擇樁基托換各階段的控制荷載。

(4)托換大梁與樁節(jié)點抗滑移的技術措施是實現(xiàn)荷載轉移的關鍵，必須根據(jù)原建筑樁的形式、托換荷載大小等因素采取相應的措施，使托換大梁與樁節(jié)點的先后期混凝土形成整體，以彌補粘結能力的削弱。

(5)樁基托換段地質條件相當差，地層軟弱不均，且含有6～11 m的飽水砂層，樁基托換工程點離布吉河100～130 m，地下水與河水相互補給。因此，必須注意未托換前施工降水對被托換橋梁樁基的影響，避免因降水產生地層的附加沉降對橋墩的破壞。

(6)區(qū)間隧道施工必然對托換新樁周邊土體引起擾動，增大托換新樁的側向位移，造成周邊摩阻力減小。因此，托換結構的設計必須考慮隧道施工的影響，同時對隧道的設計和施工提出要求。

(7)托換段橋梁為4跨連續(xù)梁和連續(xù)剛構，對沉降控制嚴格，墩臺均勻沉降量和相鄰墩臺均勻沉降量之差應滿足規(guī)定，臨時鋼支架的設計必須滿足對梁的支承，特別是連續(xù)剛構，對沉降非常敏感，梁體不能用千斤頂在墩頂調整沉降，對連續(xù)剛構的既有線的防護，是本工程的重點和難點。

(8)由于本區(qū)間采用盾構法施工，為避免托換后的舊樁對盾構掘進的影響，托換后的舊樁的破除也是本工程的難點。

3 樁基托換工程方案及步驟

3.1 托換方案的確定

托換樁的軸力較大，變形要求高，若采用被動托換結構將難以滿足剛度、承載力和變形的要求。為更好地控制托換結構及橋梁的變形，托換方案選擇了主動托換的形式。

3.2 托換新樁設計

綜合以上托換樁的影響因素及處理措施，托換新樁應采用較大直徑的端承樁。設計采用在隧道兩側設置直徑2.0 m的人工挖孔樁，來代替原有的樁基礎，樁端進入微風化層的深度不小于0.5 m，且應低于隧道仰拱不小于2.0 m。托換新樁按嵌巖樁設計，樁底巖石單軸極限抗壓強度RC＞10 MPa。

3.3 托換梁的布置

將托換梁置于原樁基承臺下，這樣施工完畢后對地面的交通和景觀等均無影響，而且施工也比較方便。但在托換過程中需設置托換基坑。

3.4 托換施工輔助措施

(1)為了很好的控制施工期間橋梁的變形，在橋梁下架設臨時鋼支架，鋼支架是整個托換工程的重中之重，全部采用Q345qD鋼，鋼支架必須有足夠的強度和剛度，千斤頂置于1～4線鋼支架橫梁上，當梁部變形時，作為及時頂梁或者支承之用，臨時鋼支架構造詳見圖4。

其基礎采用φ450 mm的旋噴加筋樹根樁。樹根樁頂部用混凝土梁連成樁頂連梁。對未托換的連續(xù)梁18號、20號橋墩也采用此種方式做臨時加固處理，基礎采用φ450 mm鋼管樁，以防止在施工期間因地下水流失引起不均勻沉降。

圖4 臨時鋼支架構造(單位:mm)

(2)由于托換新樁靠近既有承臺及管樁基礎，而該段砂層較厚，地下水較豐富，為了盡量減少對原有管樁基礎的影響，保證后續(xù)托換新樁的安全施工、托換梁基坑的開挖和托換后舊樁的破除，在托換新樁及基坑施工前，先在周邊施做旋噴樁加固及止水帷幕，帷幕采用3排φ600 mm的旋噴樁(圖5)。旋噴樁及鋼管樁的鉆孔、灌漿施工應在夜間進行。在高壓旋噴樁及人工挖孔樁施工時應加強對既有橋梁狀態(tài)的觀測，并且應辦理列車慢行手續(xù)，減少列車振動對既有樁基礎的影響。

圖5 鉆孔樁、旋噴樁布置(單位:mm)

(3)對軌道采用D型施工便梁扣軌加固。線路加固后方可進行托換梁和頂升施工。

3.5 樁基托換的主要步驟

連續(xù)剛構對沉降非常敏感，梁體不能用千斤頂在墩頂調整沉降，必須對施工基坑水位采取有效的降水措施，防止地下水位變化引起連續(xù)剛構沉降增大，從而將梁部拉裂，樁基托換主要采用以下步驟。

(1)托換基坑開挖:在托換基坑周邊及人工挖孔樁周設φ600 mm旋噴樁做為止水帷幕，用于施工時防止涌水涌砂，同時還將用于基坑圍護，托換基坑在開挖時應采取降水措施。

(2)托換梁和被托換結構之間結合處理(圖6):為了讓托換梁和需托換墩承臺更好連接，采用植筋的方式進行處理。由于既有承臺側面出現(xiàn)裂縫，除了采用植筋使托換梁和被托換結構之間結合牢固，還采用如下具體措施保證托換梁和被托換結構之間結合更加牢固:①將舊混凝土表面鑿毛，深度宜為10～20 mm;②鑿毛后用水清洗干凈，在新加結構混凝土澆搗前4 h內刷界面處理劑，托換梁與承臺底接觸面應保證混凝土澆搗密實;③鑿毛時若發(fā)現(xiàn)裂縫等異常情況，應及時反饋信息給相關部門研究采取安全加固措施;④被托換梁底與托換梁頂接觸面采用壓漿注入環(huán)氧樹脂灌注填充密實，確保其間充填密實并粘結牢固。

圖6 托換梁與承臺連接大樣(單位:mm)

(3)在施工旋噴止水帷幕的同時，施工臨時支架的鋼管樁，并搭設臨時支架，在支架上利用千斤頂把80%的梁部恒載引起的支座反力托換過來，鎖定千斤頂，做好支墊。

(4)預頂:預頂?shù)哪康氖窍袚Q新樁變形對托換體系的不利影響，防止托換新樁樁頂沉降帶動柱子的沉降，檢驗托換梁體系的承載能力。施工時在托換梁兩端托換新樁頂各放2臺千斤頂，實現(xiàn)樁、梁間可控的作用力。實施預頂時注意事項:①托換樁千斤頂?shù)捻斏θ“ㄍ袚Q梁自重和上部結構傳至橋墩底的全部荷載，實際取總荷載值不超過7 643 kN(廣深4線19號墩)、6 973 kN(廣深3線18號橋墩);②托換梁與托換新樁之間的臨時鋼支墊應保證其穩(wěn)定性和可調節(jié)性;③千斤頂?shù)暮奢d根據(jù)在預頂過程中，每根托換樁基承受的荷載設計值確定，各千斤頂加載須按比例同步增加。

(5)被托換樁截樁作業(yè):預頂完成且全面觀測沉降變形穩(wěn)定后，開始截樁;截樁應遵循由外向內、層層剝離的原則，將樁身混凝土全部鑿除后再斷樁身鋼筋。

(6)封樁:截樁完成后，在保持千斤頂荷載穩(wěn)定不變的情況下將樁、梁預留鋼筋采用擠壓套筒進行連接，澆筑微膨脹混凝土封樁。

為保證區(qū)間地鐵施工中鐵路運營的安全，橋梁的臨時鋼支架樁基應盡可能避開地鐵隧道，在區(qū)間隧道施工無影響地段的臨時鋼支架應等到地鐵施工完成后再拆除。

4 托換新樁與重疊隧道的相互影響和處理

4.1 托換新樁設計的影響因素

根據(jù)上部橋墩及樁基托換結構各階段的受力分析，由于隧道的位置影響，托換樁距離兩端新樁的距離可能存在差異，因此托換新樁的設計必須滿足大軸力承載力的要求。另一方面，大軸力的存在也將影響托換新樁的變形控制。

4.2 重疊隧道施工對托換新樁的影響因素

為減少托換樁的數(shù)量，該段區(qū)間隧道采用了上下重疊的隧道結構形式，重疊隧道的凈距較小，凈距最小為1.6 m。

由于上下隧道的施工特點，需多次擾動土體，引起樁周摩阻力削弱;隧道距托換新樁的距離為0.53～2.0 m，隧道距既有樁心的距離為0.16～2.78 m(圖7)，施工時將釋放出部分托換樁側向抗力，樁側向變形增大;隧道開挖后，由于地下水的變化，也會造成樁基不同沉降[1]。

圖7 樁基托換剖面(單位:mm)

4.3 重疊隧道影響處理

在以上影響因素中，最難以確定的是重疊隧道的影響。同時由于本段地層條件較差，隧道采用盾構法施工，托換新樁的設計必須同隧道的施工工法聯(lián)系起來。

對于采用盾構施工的重疊隧道，應嚴格控制盾構的掘進速度和防止發(fā)生偏移。在盾構通過時及時同步注漿及二次注漿，同時應加強對該段橋梁的監(jiān)測，以及根據(jù)監(jiān)測結果及時調整盾構的掘進施工參數(shù)。

5 托換舊樁破除方案

由于樁基托換段的區(qū)間隧道采用盾構法施工，為消除托換后舊樁對盾構機掘進的影響，在托換梁施工完成并達到受力要求后，利用人工挖孔樁的形式破除托換舊樁。

在托換基坑破樁位置處的托換梁下往下繼續(xù)開挖1.9～2 m，作為挖孔樁的施工空間，基坑采用錨噴支護措施。在托換梁下方，先采用機械拔除既有樁基，如機械拔除不能實現(xiàn)則分別沿所需破除的樁基往下施工內徑為1.5 m的人工挖孔樁，邊開挖、支護邊破除樁體。挖孔護壁采用30 cm厚鋼纖維護壁，并在護壁內設置竹筋，以保證人工挖孔的安全。破除樁體后，樁孔內回填C10混凝土。

6 施工監(jiān)測

樁基托換工程應在樁基托換及隧道施工過程中根據(jù)相關規(guī)范規(guī)程中有關結構差異變形的總要求，建立以結構設計為指導，現(xiàn)場調控為主體的信息化監(jiān)測、控制體系。需要制定質量、監(jiān)測計劃，確定質量、監(jiān)測內容，注意及時整理監(jiān)測數(shù)據(jù)，指導施工工藝和施工措施。施工監(jiān)測的頻度根據(jù)施工階段和量值變化的幅度依據(jù)有關規(guī)范、規(guī)程確定。

7 結語

深圳地鐵3號線廣深鐵路橋樁基托換工程已經成功實施完成，作為國內首個連續(xù)剛構樁基托換工程實例，為今后類似的樁基托換工程積累了成功的經驗，希望能為工程同行提供一定的借鑒。

[1]北京城建設計研究總院.GB50157—2003 地鐵設計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社，2003.

[2]中華人民共和國鐵道部.TB10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2005.

[3]中華人民共和國鐵道部.TB10203—2002 鐵路橋涵施工規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2002.

[4]中華人民共和國鐵道部.TB10002.5—2005 鐵路橋涵地基與基礎設計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2005.

[5]中國建筑科學研究院.JGJ120—99 建筑基坑支護技術規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[6]中華人民共和國建設部.GB50007—2002 建筑地基基礎設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[7]中華人民共和國鐵道部.TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2005.

[8]中鐵二院工程集團有限責任公司.深圳市地鐵3號線工程廣深鐵路橋樁基托換工程設計施工圖[Z].成都:中鐵二院工程集團有限責任公司，2007.