超靜定平臺結(jié)構(gòu)二次主動托換設(shè)計與施工

王 博，吳世明，劉冠水

(浙江浙大網(wǎng)新集團(tuán)有限公司，浙江杭州 310007)

近年來，地下工程在我國城市得到了日新月異的發(fā)展，地下工程下穿既有密集的建筑物時有發(fā)生。為保證既有建筑物和新建地下工程的安全，須對既有建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行托換。樁基托換，即在托換新樁上設(shè)置頂升千斤頂，并可通過頂升千斤頂對結(jié)構(gòu)梁板進(jìn)行預(yù)頂升及卸載，從而將需要托換的結(jié)構(gòu)(立柱)所承受的既有荷載，傳遞到新施筑的托換樁基上，實現(xiàn)托換結(jié)構(gòu)與樁基之間力的轉(zhuǎn)換［1-2］。

樁基托換分為主動托換與被動托換兩種形式。主動托換是當(dāng)托換建筑物托換荷載大、變形控制要求嚴(yán)格，需要通過主動的變形調(diào)節(jié)來保證變形要求。主動托換方式對變形的控制具有主動性，適用于對變形要求嚴(yán)格的建筑物。被動托換是托換建筑物托換荷載小、變形控制要求不甚嚴(yán)格，依靠托換結(jié)構(gòu)自身的截面剛度，可以在結(jié)構(gòu)完成后即將托換樁切除，直接將上部荷載通過托換梁(板)傳遞到新樁，而不采取其它調(diào)節(jié)變形的措施。該托換方式變形控制為被動適應(yīng)［2-7］。盡管主動托換在地下工程中應(yīng)用得越來越廣泛，但是，托換施工過程中，風(fēng)險依然巨大。本文介紹了親水平臺概況，二次主動托換設(shè)計方案及信息化施工過程，討論了二次主動托換成功的關(guān)鍵點。

1 工程概況

中國棋院親水平臺為地上一層建筑，結(jié)構(gòu)為大型超靜定鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，荷載傳遞方向為:平臺板→次梁→主梁→結(jié)構(gòu)柱→樁基。結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)值為:平臺頂覆土(含面層)重10.8 kPa，使用活荷載3.5 kPa。平臺主梁為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁，框架柱高6.13 m，截面尺寸為800 mm×1 000 mm。立柱距離路面下1.5 m處為鋼筋混凝土承臺，親水平臺采用柱下獨立承臺樁基礎(chǔ)，樁基分別為φ800 mm和φ1 000 mm的鉆孔灌注樁，有效樁長約38 m。

親水平臺屬于觀景平臺，上有處于運營狀態(tài)的餐廳，安全要求高，對變形有嚴(yán)格限制。杭州運河隧道下穿親水平臺，由于立柱承臺侵入隧道凈空限界，必須對該平臺中D軸線的11根墩柱進(jìn)行托換。待隧道主體結(jié)構(gòu)完成后，11根立柱重新接長至隧道中隔墻，并與之固結(jié)，完成結(jié)構(gòu)荷載兩次力的轉(zhuǎn)換。親水平臺二次主動托換立柱較多，位移限制嚴(yán)格，且平臺下凈空有限，托換梁、柱及樁基施工空間小，難度大，屬于運河隧道建設(shè)過程中的重大風(fēng)險源之一。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，平臺托換主要土層如下:①雜填土，厚度2.7～6.4 m;②砂質(zhì)粉土，厚度1.71～16.6 m;③粉砂，厚度7.5 m;④淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，厚度2.3 m;⑤粉質(zhì)黏土，厚度7.4 m;⑥礫石，厚度＞10 m。托換前后對比照片見圖1和圖2。

圖1 托換前親水平臺

圖2 托換后親水平臺

2 設(shè)計方案

2.1 設(shè)計原則及要求

由于親水平臺在托換過程中需保持正常運營，且托換立柱需進(jìn)行兩次力的轉(zhuǎn)換，同時考慮本工程的具體情況，本托換工程需遵循以下幾個基本原則及要求:①立柱托換后，立柱、隧道中隔墻等永久結(jié)構(gòu)體系使用年限不少于隧道設(shè)計年限，新托換結(jié)構(gòu)體系的承載力必須具備足夠的保證并有一定的儲備;②二次托換完成后，必須保證平臺原有功能，不得改變原平臺立柱平面布置，維持原凈空;③根據(jù)設(shè)計規(guī)范以及使用安全性要求，對立柱絕對沉降需嚴(yán)格控制，二次托換引起的相鄰立柱沉降差必須嚴(yán)格控制在允許附加變形范圍以內(nèi);④二次托換施工中，必須采取有效措施完成“柱—梁”、“柱—墻”兩次荷載的有效轉(zhuǎn)換;⑤二次主動托換完成后，應(yīng)保證運河隧道的施工安全。

2.2 二次主動托換的主要步驟

二次主動托換主要包含托換結(jié)構(gòu)施工，及結(jié)構(gòu)荷載二次轉(zhuǎn)換兩部分。主要步驟如下:第一步，前期準(zhǔn)備及輔助工作。參建各方會同棋院業(yè)主一起，詳細(xì)實地調(diào)查并記錄平臺構(gòu)筑物現(xiàn)狀，包括沉降、裂縫、損壞情況;各方確認(rèn)并簽字。第二步，在征得平臺業(yè)主同意的前提下，在需托換的立柱上布設(shè)監(jiān)測點，布置測量基準(zhǔn)點等。第三步，進(jìn)行地基加固，施工托換樁基(20根φ1 000 mm及2根φ1500 mm鉆孔灌注樁)及樁頂系梁，見圖3。第四步，托換立柱鉆孔植筋，在植入鋼筋達(dá)到設(shè)計抗拔強(qiáng)度后，架設(shè)抱柱梁鋼筋骨架，立模并澆筑抱柱梁，見圖4。第五步，待系梁及抱柱梁達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，在系梁上安裝千斤頂，分級、同步頂升完成第一次力的轉(zhuǎn)換(立柱—抱柱梁)。第六步，在達(dá)到設(shè)計頂升力時，采用合金鋸鏈逐步切割被托換墩柱，在切割完成部分，放入鋼墊板，防止立柱突然下沉。同時調(diào)整頂力，控制立柱變形。第七步，托換墩柱切割完成后，鑿除上部立柱1 m左右混凝土，保留原立柱鋼筋。鑿除下部立柱及承臺，為后續(xù)施工做準(zhǔn)備。第八步，開挖基坑架設(shè)鋼支撐，并施加預(yù)應(yīng)力，施工隧道底板、側(cè)墻，澆筑中隔墻，見圖5。第九步，待中隔墻達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，中隔墻伸出鋼筋與原立柱保留鋼筋相焊接，布設(shè)分布鋼筋(箍筋)，立模并澆筑微膨脹混凝土，見圖6。第十步，待微膨脹混凝土達(dá)到強(qiáng)度，系梁上千斤頂出現(xiàn)輕微卸載現(xiàn)象時，千斤頂開始分級、同步逐級卸載，完成第二次力的轉(zhuǎn)換(抱柱梁—中隔墻)。第十一步，所有托換柱都完成二次轉(zhuǎn)換后，鑿除系梁、托換樁。澆筑剩余部分隧道底板。至此，平臺立柱托換工作全部完成，見圖7。

圖3 二次托換第三步

圖4 二次托換第四步

圖5 二次托換第八步

圖6 二次托換第九步

圖7 二次托換第十一步

2.3 抱柱梁的設(shè)計

抱柱梁與柱節(jié)點的處理是保證荷載有效傳遞的關(guān)鍵，也是二次托換成功的關(guān)鍵。該節(jié)點處理如圖8所示。托換柱的尺寸是800 mm×1 000 mm，在800 mm面植入15φ25鋼筋，在1 000 mm面植入25φ25鋼筋，以保證抱柱梁與立柱的良好固結(jié)。同時在抱柱梁和立柱連接處根部上下各加設(shè)4φ25的加強(qiáng)筋，以保證在連接處復(fù)雜應(yīng)力條件下的可靠傳力。

圖8 抱柱梁節(jié)點(單位:mm)

2.4 平臺變形的有效控制

在二次主動托換結(jié)構(gòu)體系中，立柱軸力為作用荷載，托換樁為支承;抱柱梁承受上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載并將這些荷載傳遞給下部托換樁，在結(jié)構(gòu)傳力上起到承上啟下的作用。由于親水平臺經(jīng)歷了數(shù)年的使用過程，變形已基本穩(wěn)定，處于收斂狀態(tài)。且抱柱梁本身剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于立柱，二者通過植入鋼筋和混凝土緊緊固結(jié)，可以假定兩者協(xié)同工作，這樣，就可以通過測量抱柱梁的變形來間接反映立柱的變形。

控制平臺立柱變形是二次托換工程中最為關(guān)鍵的問題之一。首先，平臺對托換引起的變形非常敏感，且托換結(jié)構(gòu)體系大部分變形是在上部結(jié)構(gòu)與下部樁基逐步分離過程中完成的，故二次托換工程對控制差異沉降的要求比新建工程更高。其次，由于存在平臺部分立柱被托換，而其余部分未被托換的情況，應(yīng)避免托換區(qū)與非托換區(qū)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的相對沉降變形。這對托換區(qū)結(jié)構(gòu)體系的后續(xù)沉降提出了較高要求。第三，由于平臺在托換過程中處于運營狀態(tài)，過大的差異沉降會導(dǎo)致平臺上結(jié)構(gòu)物(餐廳)產(chǎn)生裂縫。

基于以上原因，并根據(jù)現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范，參考國內(nèi)外托換工程有關(guān)資料和實例，結(jié)合本工程實際情況，親水平臺二次托換的結(jié)構(gòu)沉降變形要求:托換完成后差異沉降≤5 mm，最終差異沉降≤10 mm。

3 信息化施工體系

親水平臺二次托換風(fēng)險大、技術(shù)要求高，信息化施工是決定托換成敗的非常重要一環(huán)。在施工過程中，應(yīng)通過全程實時監(jiān)測，并及時反饋，多種監(jiān)測手段并用，相互應(yīng)證來反饋信息指導(dǎo)托換施工。

二次托換施工監(jiān)測內(nèi)容主要包括平臺建筑物的沉降、傾斜及裂縫觀測，地面沉降觀測，地下水位觀測，抱柱梁變形觀測，立柱高程監(jiān)測，液壓參數(shù)監(jiān)測等。二次托換施工監(jiān)測過程中，對于結(jié)構(gòu)物沉降、抱柱梁變形等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，采用多套體系獨立觀測，相互應(yīng)證。電子百分表自動實時測量抱柱梁變形;精密水準(zhǔn)儀、全站儀測量結(jié)構(gòu)物沉降、傾斜和抱柱梁變形。

監(jiān)測工作應(yīng)注意以下幾點:①需對平臺初始狀態(tài)進(jìn)行觀測，記錄被托換平臺的先期變形和結(jié)構(gòu)裂縫情況。以確定被托換建筑物的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，確保上部結(jié)構(gòu)的正常使用。②立柱托換、地層加固施工和隧道主體結(jié)構(gòu)施工期間，必須對周邊房屋沉降、結(jié)構(gòu)變形和裂縫開展等進(jìn)行監(jiān)測，并制定專門的監(jiān)測措施。③立柱托換施工期間，監(jiān)測抱柱梁變形和柱豎向位移的測點布置在梁兩端及梁柱節(jié)點處。④液壓千斤頂加載采用分級加載，共分3級加載;第一級荷載為設(shè)計荷載的50%，第二級荷載為設(shè)計荷載的30%，第三級荷載為設(shè)計荷載的20%。每級加載需保持30 min，等結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后方可加次級荷載。⑤在托換施工過程中，被托換柱的變形上抬量不能大于1 mm，被托換柱的下沉量不能大于3 mm。上述變形控制值可通過電子百分表實時量測，反映到中控計算機(jī)。然后通過PLC系統(tǒng)，實時調(diào)節(jié)千斤頂油壓，來控制托換立柱的變形。⑥在托換施工中，除了托換系統(tǒng)自帶的實時位移監(jiān)測系統(tǒng)之外，由精密水準(zhǔn)儀、全站儀組成的非實時位移監(jiān)測也必不可少，雖然精度不及實時系統(tǒng)，但是，非實時監(jiān)測系統(tǒng)是完全獨立的系統(tǒng)，可以有效地校核、校正實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)不同系統(tǒng)間數(shù)據(jù)相互印證。⑦在進(jìn)行第二次荷載轉(zhuǎn)換，即“梁—墻”轉(zhuǎn)換時，當(dāng)同時滿足以下條件:立柱新澆筑微膨脹混凝土達(dá)到齡期，千斤頂發(fā)生輕微卸載，平臺產(chǎn)生微量上抬時，可以判斷立柱新舊混凝土的結(jié)合良好，可以開始分級、同步卸載。同時密切監(jiān)測立柱、平臺的變形，確保平臺安全。

4 結(jié)語

托換是城市地下空間開發(fā)中保護(hù)既有建筑物的主要手段，其應(yīng)用范圍日益廣泛。然而，托換技術(shù)是一項風(fēng)險性較大的特殊技術(shù)。特別是二次托換，需經(jīng)歷“柱—梁”，“梁—墻”兩次力的轉(zhuǎn)換，其復(fù)雜程度和對施工精度要求均大大高于單獨的樁基托換。因此，二次主動托換必須精心設(shè)計，精心施工，并對全過程實時監(jiān)測，才能保證托換工程的成功。

二次主動托換的關(guān)鍵在于荷載的轉(zhuǎn)換與變形的控制，必須做到以下幾點:

1)荷載的二次轉(zhuǎn)換均通過抱柱梁與立柱節(jié)點完成，立柱植筋和新舊混凝土結(jié)合是保證荷載有效傳遞的關(guān)鍵。施工中，應(yīng)特別注意植筋抗拉拔試驗和舊混凝土面的鑿毛。

2)除根據(jù)有關(guān)規(guī)范規(guī)定，還應(yīng)結(jié)合建筑物的自身特點，確定合理的建筑物變形允許值，保證托換過程中、托換后建筑物的正常使用功能。

3)在二次托換施工過程中，宜采用不同監(jiān)測系統(tǒng)對立柱和平臺變形進(jìn)行監(jiān)測，通過實時和非實時系統(tǒng)數(shù)據(jù)相互對比和印證，有效控制建筑物變形。

4)二次托換過程中，液壓千斤頂加載、卸載應(yīng)分級、同步實施，并通過PLC系統(tǒng)實時微調(diào)油壓，以確保托換變形控制在柱端下沉3 mm、上頂1 mm范圍內(nèi)。經(jīng)驗證，此要求是合理的。

5)在“梁—墻”轉(zhuǎn)換中，新澆筑立柱宜采用微膨脹混凝土，并根據(jù)混凝土齡期和立柱、平臺變形受力狀態(tài)，判斷新舊混凝土的結(jié)合情況，保證荷載第二次轉(zhuǎn)換成功。

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