地鐵區(qū)間隧道下穿既有橋梁的樁基托換

黃銀釘

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，710043，西安∥工程師）

1 工程背景

西安地鐵1號線三橋站——皂河站區(qū)間長度1810.313雙線米，主要采用盾構(gòu)法施工，位于區(qū)間中部的三橋立交東西方向皂河橋五根樁基礎(chǔ)侵入盾構(gòu)隧道空間，為保證盾構(gòu)機順利施工通過，須將侵入隧道樁基提前托換并截除。平面相互位置關(guān)系見圖1。

1.1 皂河橋道路現(xiàn)狀

（1）上部結(jié)構(gòu)。采用預制30m預應(yīng)力混凝土箱梁，為機動車道雙向八車道，單幅橋為單向四車道16m寬。

圖1 平面位置關(guān)系

（2）下部結(jié)構(gòu)。采用樁柱式橋臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，φ1.5m，長35m，為摩擦樁。

（3）荷載情況。城－A級，驗算荷載：掛－120；

（4）交通情況。需要托換位置位于西安市東西向的城市交通主干道上，來往車輛多，交通繁忙。

1.2 皂河現(xiàn)狀

皂河是西安城市污水的排放渠道，雨季作為泄洪通道。河床采用漿砌片石鋪砌，成為開放式排污河道。皂河河床上口寬約25m，底口寬約15m，邊坡比1∶1.5，為梯形斷面型式，漿砌片石防護，設(shè)計水深2.72m，設(shè)計流量134.8m3／s。皂河實景照片見圖2。

圖2 皂河實景照片

1.3 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

樁基托換施工場地主要為第四系松散堆積物，自上而下地層為填土、黃土、中砂、粗砂夾薄層粉質(zhì)黏土，皂河橋路基部分主要為塊石廢料、建筑垃圾和大型混凝土塊等充填，厚度約3.0～6.0m，最深達8.5m。。隧道拱頂距河床底10m，隧道洞身位于中砂層中。地下水為第四系松散層孔隙潛水，地下水潛水位埋深29.2m，位于區(qū)間結(jié)構(gòu)底板下方。

2 樁基托換施工特點

（1）施工場地狹窄。位于三橋立交的橋區(qū)，場地范圍內(nèi)為橋梁、河道、既有道路、管線眾多（3.85m×2.25m排水箱涵）。

（2）地質(zhì)條件差，施工場地內(nèi)填土層較厚，最高達到8.5m，多為塊石廢料、建筑垃圾和大型混凝土塊；填土層下方為黃土及砂層，且受皂河水流長期滲透浸泡，地層軟弱，自穩(wěn)性差。

（3）皂河寬度較小，河床較淺，平常為城市排污渠道，汛期時作為泄洪通道，排水量大。

（4）托換施工將對三橋立交東西向的交通造成一定的影響。

3 樁基托換施工設(shè)計方案比選

3.1 明挖基坑托換方案

臨時中斷道路，皂河內(nèi)修筑臨時圍堰，由地面往下明挖托換基坑，暴露侵入隧道樁基，在基坑內(nèi)施作托換結(jié)構(gòu)體系，采取主動托換的方式進行荷載轉(zhuǎn)換，并將侵入隧道的樁基截斷鑿除。方案示意見圖3。

圖3 樁基托換縱剖圖（標高單位：m）

3.2 礦山法隧道洞內(nèi)托換方案

過皂河段100m區(qū)間隧道改為礦山法開挖，暴露侵入隧道樁基，洞內(nèi)施作托換結(jié)構(gòu)體系，采用被動托換的方式將樁基荷載轉(zhuǎn)換至隧道環(huán)形襯砌托粱上，并將侵入隧道樁基鑿除。方案示意見圖4。

圖4 樁基托換橫剖圖

3.3 豎井橫通道內(nèi)托換方案

在三橋立交橋區(qū)內(nèi)增設(shè)豎井，豎井往橋樁方向開設(shè)橫通道，開挖暴露侵入?yún)^(qū)間隧道樁基，橫通道內(nèi)施作托換結(jié)構(gòu)體系，采取主動托換方式進行荷載轉(zhuǎn)換，后將侵入隧道樁基鑿除，橫通道回填密實。方案示意見圖5。

三種托換施工設(shè)計方案的比較見表1。經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟、工期、安全等方面的綜合比較，結(jié)合專家審查意見采用明挖基坑托換方案。

4 樁基托換施工設(shè)計的主要技術(shù)細節(jié)

在區(qū)間隧道兩側(cè)施作兩根托換樁基，通過托換梁將侵入隧道樁基上承擔的荷載轉(zhuǎn)換至新樁基上，然后將侵入隧道樁基鑿除。托換結(jié)構(gòu)的頂標高位于皂河河床的標高以下，不占用河道空間。換結(jié)構(gòu)平面見圖1，托換結(jié)構(gòu)剖面見圖6。

14＃、17＃、20＃均為單根樁侵入隧道結(jié)構(gòu)，采用一根托換主梁的簡支托換結(jié)構(gòu)，23＃兩根樁侵入隧道結(jié)構(gòu)，采用主次梁組合的簡支托換結(jié)構(gòu)。

4.1 新托換樁基樁位的確定

1）與既有樁基的凈距大于2.5D（樁基直徑）為3.75m；

2）與地鐵區(qū)間隧道的凈距大于1m；

3）盡量減少托換梁的長度，盡可能少的占用皂河河道，降低托換梁的高度，控制托換基坑的深度。

圖5 樁基托換橫剖面圖

表1 樁基托換施工設(shè)計方案比較表

圖6 托換結(jié)構(gòu)剖面

4.2 托換結(jié)構(gòu)的檢算

對托換樁基、托換主梁、托換次梁等主要結(jié)構(gòu)進行承載能力檢算。以23＃被托換樁基為例進行檢算。采用有限元模型如圖7所示，采用三維荷載－結(jié)構(gòu)模式，將上部荷載施加于橋臺蓋梁上。

有限元分析通過兩階段完成：1）原橋樁受力狀態(tài)分析時，鈍化托換主梁、次梁和托換樁單元，根據(jù)計算結(jié)果提取原橋樁樁頂受力狀態(tài)；2）托換結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)分析時，鈍化原橋樁被截斷部位單元，鈍化整個未被托換橋樁，并在樁梁交界處反向施加上一步提取的樁頂受力狀態(tài)，激活托換主梁、次梁和托換樁單元。計算結(jié)果見圖8～圖13。

圖7 三維計算機模型

1）荷載基本組合。

圖8 主梁彎矩圖

圖9 次梁彎矩圖

圖10 主梁剪力圖

圖11 次梁剪力圖

2）荷載標準組合。

圖12 主梁彎矩圖

圖13 次梁彎矩圖

4.3 托換梁和被托換樁的連接

托換梁和被托換樁之間抗剪設(shè)計主要通過它們相互之間的咬合、界面處理和植筋來實現(xiàn)。首先把被托換樁在與托換梁相接觸部位表面鑿毛，然后進行界面處理，再沿被托換樁周圍鉆孔植埋鋼筋，鋼筋和樁之間的縫隙用植筋膠充填。

4.4 托換梁與托換樁基連接

截樁前托換梁底和托換樁頂均預留接駁鋼筋，待截樁完成后，用擠壓套筒將預留鋼筋連接起來，澆注C30微膨脹混凝土，將承臺和托換梁連成一體。

4.5 樁基托換預頂設(shè)計

在托換梁底和承臺頂分別預埋鋼板，當托換梁及承臺達到設(shè)計強度后，把千斤頂安放在承臺頂?shù)念A埋鋼板上，分級同步加載，同時要求加強對被托換樁、托換梁和橋臺蓋梁、橋面板的監(jiān)測，直到托換梁、橋梁結(jié)構(gòu)及托換樁基變形穩(wěn)定后，將千斤頂卸荷至穩(wěn)壓荷載，不出現(xiàn)異常情況，方可實施截樁。

4.6 被托換樁的破除

截樁后，從地面往下分段（分段長度1m）破樁并施作鋼筋混凝土護壁（厚15cm），破樁深度至盾構(gòu)隧道底板以下1m，之后挖孔內(nèi)采用黏土夯實回填。

5 工程施工

施工前應(yīng)對皂河橋面、箱梁、橋臺蓋梁的既有變形、結(jié)構(gòu)裂縫、破損等情況進行周密調(diào)查，以便確定橋梁的沉降控制標準，確保上部結(jié)構(gòu)的正常使用。樁基托換及盾構(gòu)隧道施工過程中應(yīng)隨時監(jiān)測托換上部結(jié)構(gòu)的變形和結(jié)構(gòu)開裂情況，如遇變形和結(jié)構(gòu)開裂趨勢增大，應(yīng)立即停止施工，采取措施予以控制。

設(shè)置監(jiān)控預警值、警戒值，預警值為極限變形值的70%，警戒值為極限變形值的80%。當變形達到預警值時，應(yīng)優(yōu)化施工工藝及調(diào)整施工參數(shù)；當變形達到警戒值時，應(yīng)立即停工，研究確定施工方案。

目前，17＃及23＃樁基的托換施工已全部完成，實踐證明是成功的。需提醒三點：一是托換梁與被托換樁基的結(jié)合處是托換體系的關(guān)鍵節(jié)點，此處鋼筋較多，且存在新舊混凝土的結(jié)合面，必須保證混凝土澆筑密實，并養(yǎng)護達到設(shè)計強度，才能進行預頂工作；二是必須保證被托換樁的荷載可靠轉(zhuǎn)換到托換結(jié)構(gòu)上后，才能進行截樁工作，避免截樁過程中托換梁突然受力，影響托換體系的穩(wěn)定；三是預頂過程中，須密切監(jiān)控橋梁上部結(jié)構(gòu)及托換結(jié)構(gòu)的變形情況，以監(jiān)控量測數(shù)據(jù)指導托換施工。

6 結(jié)語

本工程在交通管理允許的前提下，在明挖基坑內(nèi)完成了托換工作，降低了工程風險與投資，取得了較好的工程效益，希望能為類似的樁基托換工程提供參考。

［1］TB 10002.5—2005鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］JTJ 024—85公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］JTG D60—2004公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范［S］.

［5］GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［6］GB 50204—2002混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范［S］.

［7］GB／T 50476—2008混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范［S］.

［8］JGJ 107—2003鋼筋機械連接通用技術(shù)規(guī)程［S］.

［9］國振喜.簡明鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊［M］.第2版.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［10］陜西工程勘察研究院.西安市地鐵一號線一期工程（后圍寨站～紡織城站）詳細勘察階段三橋至阿房路區(qū)間巖土工程勘察報告［R］.西安：陜西工程勘察研究院，2009.

［11］丁賽華，葉建忠.基礎(chǔ)托換技術(shù)在地鐵建設(shè)中的應(yīng)用［J］.城市軌道交通研究，2010（7）：69.