地鐵區(qū)間隧道下穿橋梁大軸力樁基托換設(shè)計(jì)與施工

唐新權(quán)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安　710043)

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地鐵區(qū)間隧道下穿橋梁大軸力樁基托換設(shè)計(jì)與施工

唐新權(quán)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安710043)

摘要：西安北客站至機(jī)場(chǎng)城際軌道項(xiàng)目全長(zhǎng)27.33 km，其中機(jī)場(chǎng)站站后折返線區(qū)間隧道長(zhǎng)256.45 m，該段暗挖隧道下穿機(jī)場(chǎng)T3A航站樓主線橋樁基，采用樁基托換處理。被托換的既有橋梁部為異型鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，受力復(fù)雜，結(jié)構(gòu)變形敏感；橋面最大寬度35 m，橋墩墩底軸力近13 000 kN；新建托換梁跨度大于20 m，采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，如此大跨度、大軸力的樁基托換工程實(shí)例很少。以T3A航站樓橋梁大軸力樁基托換設(shè)計(jì)為依托，通過對(duì)托換方案、關(guān)鍵連接節(jié)點(diǎn)、荷載轉(zhuǎn)移機(jī)理的分析、研究，詳細(xì)介紹大軸力樁基托換思路、托換梁設(shè)計(jì)、托換體系轉(zhuǎn)換，給出托換關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的施工方案及監(jiān)測(cè)技術(shù)要求，可為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：區(qū)間隧道;大軸力;樁基托換;托換體系;托換梁

基礎(chǔ)托換技術(shù)發(fā)展于20世紀(jì)30年代美國(guó)紐約市的地下鐵道建設(shè)。近年來，隨著地下空間的利用和地下鐵道的大量建設(shè)，有時(shí)需對(duì)現(xiàn)有建筑物進(jìn)行改建、加層和加大使用荷載，都需要采用托換技術(shù)。美國(guó)紐約地鐵、日本京都地鐵站、深圳地鐵和廣州地鐵等都應(yīng)用了樁基托換技術(shù)，但現(xiàn)已實(shí)施的樁基托換以單樁軸力小于3 000 kN的小噸位的被動(dòng)托換居多，托換梁也多采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。目前大噸位主動(dòng)托換在國(guó)內(nèi)外實(shí)施的較少，托換軸力超過10 000 kN的主動(dòng)托換也僅有深圳地鐵Ⅰ期下穿百貨廣場(chǎng)大廈一例，該托換梁的跨度也僅11.7 m，跨度較小。

西安北客站至機(jī)場(chǎng)城際軌道項(xiàng)目機(jī)場(chǎng)站站后折返線區(qū)間隧道下穿機(jī)場(chǎng)T3A航站樓主線橋樁基托換時(shí)被托換的既有橋梁部為異型鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，受力復(fù)雜，結(jié)構(gòu)變形敏感；該橋橋面最大寬度35 m，橋墩墩底軸力近13 000 kN；新建托換梁跨度大于20 m，采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，托換時(shí)采用沉降控制較好的主動(dòng)托換，具有較大的創(chuàng)新性。以此為依托，詳細(xì)介紹了大軸力樁基托換思路、托換梁設(shè)計(jì)、托換體系轉(zhuǎn)換，給出了托換關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的施工方案及監(jiān)測(cè)技術(shù)要求。

1工程概況

西安北客站至機(jī)場(chǎng)城際軌道項(xiàng)目全長(zhǎng)27.33 km，共設(shè)9座車站，機(jī)場(chǎng)站為終點(diǎn)站，站后設(shè)折返線。折返線隧道自機(jī)場(chǎng)T3A航站樓主線橋下起，下穿主線橋22-1號(hào)、22-2號(hào)墩樁基后，下穿T3A航站樓和T2航站樓間北連廊地下行包通道，后走行于機(jī)場(chǎng)路下方。折返線隧道總長(zhǎng)256.45 m，左、右線線間距為4.8 m，采用淺埋暗挖法施工，襯砌結(jié)構(gòu)為單洞雙線馬蹄形斷面。

機(jī)場(chǎng)站東西向平行設(shè)置于T3A航站樓上行引橋和綜合交通樞紐上行高架橋之間，兩側(cè)凈距較小，導(dǎo)致區(qū)間隧道無(wú)法在T3A主線橋樁基間穿過，因此，需對(duì)該橋22-1、22-2號(hào)墩樁基進(jìn)行樁基托換處理(圖1)。托換部位上部梁體為異型連續(xù)梁，跨度為(22.569+8.529+22.107+22.936) m，22-1號(hào)、22-2號(hào)墩每個(gè)墩底軸力近13000 kN。橋墩為花瓶T形墩，墩身截面1.3 m×2.5 m，墩柱高度10 m，墩柱下設(shè)2 m厚承臺(tái)，承臺(tái)下部設(shè)4根φ1.5 m樁基，樁長(zhǎng)35 m。該橋?yàn)槲靼蚕剃?yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)T3航站樓與地面和T2航站樓聯(lián)系的重要交通設(shè)施，車流量大，且不能中斷運(yùn)行。

圖1　折返線區(qū)間隧道總平面

2工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征

機(jī)場(chǎng)站站后折返線地形略有起伏，地面高程介于474～476 m。場(chǎng)地地貌單元屬黃土塬。隧道所處地層從上至下依次為人工填土(Q4ml)、第四系上更新統(tǒng)風(fēng)成黃土(Q32eol)、殘積古土壤(Q31el)、中更新統(tǒng)晚期風(fēng)成黃土(Q22eol)、殘積古土壤(Q21el)。濕陷性土層在場(chǎng)地內(nèi)連續(xù)分布，厚度一般為15～20 m，屬自重濕陷性黃土場(chǎng)地，濕陷性等級(jí)為Ⅲ級(jí)(嚴(yán)重)。

地下水主要為第四系孔隙潛水，富存于中更新統(tǒng)黃土中。實(shí)測(cè)穩(wěn)定水位埋深為26.5～34.6 m，地下水主要的補(bǔ)給來源為大氣降雨。

3樁基托換設(shè)計(jì)方案

由于被托換的T3A航站樓主線橋22-1號(hào)墩和22-2號(hào)墩為連續(xù)梁中墩，橋墩墩底軸力近13 000 kN，且被托換的既有橋梁部為異型鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，受力復(fù)雜，結(jié)構(gòu)變形敏感，因此，采用相對(duì)可靠性較高、沉降控制好的主動(dòng)托換，即在原樁卸載前對(duì)新樁和托換結(jié)構(gòu)施加荷載，以部分消除托換體系長(zhǎng)期變形的時(shí)隨效應(yīng)，并在上部的荷載轉(zhuǎn)換過程中，對(duì)托換結(jié)構(gòu)及上部結(jié)構(gòu)的變形采用頂升裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控[1]。

既有橋墩每個(gè)承臺(tái)下設(shè)置4根樁，采用整體托換方案：每個(gè)承臺(tái)位置新增1根托換梁，將既有承臺(tái)包于梁內(nèi)，廢除既有22-1號(hào)、22-2號(hào)墩的8根樁，新增4根φ2 m樁，見圖2、圖3。

圖2　樁基托換平剖面(單位：cm)

圖3　樁基托換Ⅰ-Ⅰ剖面(單位：cm)

3.1　托換梁

受主線橋23+號(hào)墩及機(jī)場(chǎng)站出入口的限制，考慮后期隧道開挖對(duì)樁基的影響，并盡量降低梁跨度，綜合確定區(qū)間隧道與新建樁基間留1.5 m的凈土柱，據(jù)此確定2根托換梁長(zhǎng)分別為20.3 m和21.5 m。托換梁采用包裹既有承臺(tái)的形式設(shè)計(jì)，既有承臺(tái)高200 cm，考慮方便布置鋼束及鋼筋，承臺(tái)上部包裹50 cm，下部包裹100 cm，兩側(cè)各包裹110 cm，托換梁截面尺寸為8.7 m×3.5 m(寬×高)(圖4)，采用C50混凝土。新建托梁包裹范圍內(nèi)既有橋墩、承臺(tái)和樁基表面均進(jìn)行鑿毛、界面處理并植筋[2]。由于跨度較大，并且既有橋墩墩底軸力大，因此按預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。經(jīng)過計(jì)算，預(yù)應(yīng)力鋼束規(guī)格為17-7φ5 mm，共34根(圖5)， 鋼束布置時(shí)避開既有承臺(tái)和樁基。

圖4　托換梁Ⅱ-Ⅱ剖面(單位：cm)

圖5　托換梁鋼束布置(單位：cm)

3.2　托換樁基

受周邊邊界條件的限制，為降低梁長(zhǎng)并減少樁基的設(shè)置范圍，每根托換梁4根φ2.0 m的鉆孔灌注樁，按摩擦樁設(shè)計(jì)。綜合考慮濕陷土層的負(fù)摩阻力及隧道施工對(duì)橋梁樁基的影響，通過計(jì)算，22-1號(hào)墩托換梁樁基長(zhǎng)分別為74 m和66 m，22-2號(hào)墩托換梁樁長(zhǎng)分別為73 m和64 m。

為后期方便完成荷載由舊樁向新樁的轉(zhuǎn)換，樁底60 cm與托換梁同時(shí)澆筑，并在新樁灌注時(shí)，預(yù)留90 cm的后澆段，該段安裝千斤頂和鋼支撐墊塊[3](圖6)。荷載轉(zhuǎn)換完成后，采用C25微膨脹混凝土澆筑梁底和樁頂?shù)捻斏臻g。澆筑樁基后澆連接段時(shí)采用壁厚10 mm的鋼模板，施工后不拆除，施工時(shí)注意預(yù)設(shè)注漿孔和排氣孔。

圖6　鋼支撐和千斤頂布置示意(單位：cm)

3.3　托換防水

樁基托換工程設(shè)計(jì)使用年限為100年，托換梁采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土且埋置于地下，為防止地下水侵蝕，托換梁周邊采用瀝青基聚酯胎防水卷材(PY類)做全包防水，防水層外表面設(shè)細(xì)石混凝土保護(hù)層，防水卷材遇到既有橋墩、樁基時(shí)，應(yīng)將其進(jìn)行彎折，翻至既有橋墩、樁基的高度不宜小于20 cm，并在卷材端部涂抹密封膠封嚴(yán)，如圖7所示。

圖7　托換梁防水示意

4樁基托換施工方案

為控制施工質(zhì)量和保證托換安全有序進(jìn)行，首先做好前期準(zhǔn)備工作，建立既有橋梁結(jié)構(gòu)沉降、變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)調(diào)查并記錄現(xiàn)有主線橋的全面狀況，包括沉降、裂縫、變形情況、布置測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)；實(shí)地測(cè)定隧道中心線，樁位點(diǎn)等，而后在既有主線橋22號(hào)墩處橫梁下設(shè)置臨時(shí)鋼支架，保證既有橋梁在開挖托換梁基礎(chǔ)施工過程中受力穩(wěn)定[4]。

4.1　基坑開挖及樁基施工

主線橋22-1號(hào)、22-2號(hào)橋墩2根托換梁基坑錯(cuò)開開挖，開挖范圍是以整個(gè)托換梁外邊緣為界，并預(yù)留預(yù)應(yīng)力張拉機(jī)具的位置。托換梁兩側(cè)樁基范圍內(nèi)基坑底至梁底預(yù)留2.0 m的空間，其余預(yù)留70 cm的操作空間。

托換梁基坑開挖深度5.44～6.74 m，根據(jù)開挖基坑地質(zhì)及周圍環(huán)境特征，采用全放坡明挖、排樁圍護(hù)施工。對(duì)既有23+樁基有影響范圍內(nèi)，采用排樁圍護(hù)開挖，其余均采用全放坡開挖，邊坡坡率采用1∶0.75(圖8)。

圖8　托換梁基坑開挖平面(單位：cm)

灌注樁的布置采用φ600@1 000 mm，樁頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁，在冠梁處布置1道φ600 mm的鋼管(t=16 mm)支撐。

4.2　樁基施工

基坑開挖、防護(hù)完成后，進(jìn)行托換梁樁基的施工。樁基施工時(shí)應(yīng)注意以下問題：

(1)考慮到橋下施工空間的限制，樁基鋼筋需分段配置，分段連接；

(2)在托換梁內(nèi)部的樁基鋼筋需在施工托梁時(shí)進(jìn)行預(yù)埋，并在托梁底部預(yù)留與樁基的接茬鋼筋，待托換頂升完畢后，與樁頭對(duì)應(yīng)鋼筋采用雙面焊接進(jìn)行連接；

(3)樁身混凝土應(yīng)一次灌注完畢，每根樁設(shè)3根聲測(cè)管，等間距布置，樁身混凝土灌注完畢后采用超聲波法逐根檢測(cè)，確定樁身質(zhì)量符合規(guī)范要求后方可進(jìn)行托換梁的施工[5]。

(4)樁基均采用樁后壓漿施工工藝，灌注樁后壓漿技術(shù)屬專利技術(shù)，宜選擇專業(yè)隊(duì)伍進(jìn)行施工[6]。

4.3　托換梁施工

托換梁施工前，先將既有22號(hào)墩位于托換梁范圍內(nèi)的承臺(tái)、樁基和墩身表面鑿毛，采用鋸齒性鑿毛，而后在既有承臺(tái)、墩柱和樁基鑿毛區(qū)域植筋、涂刷環(huán)氧乳液水泥漿界面處理劑。

托換梁施工按以下順序進(jìn)行：搭設(shè)支架→綁扎鋼筋→預(yù)埋梁底鋼板、立模→澆筑混凝土→張拉鋼束→施做防水層。

托換梁混凝土體積較大，屬大體積混凝土。施工時(shí)應(yīng)保證混凝土連續(xù)澆筑，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，降低混凝土水化熱，防止混凝土開裂。托換梁預(yù)埋梁底鋼板和接茬鋼筋，托梁混凝土強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，且混凝土養(yǎng)護(hù)齡期不少于10 d后，方可張拉預(yù)應(yīng)力鋼束，張拉后應(yīng)及時(shí)壓漿處理[7]。

4.4　荷載轉(zhuǎn)換

樁基和托換梁施工完畢，混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在托換樁上設(shè)置千斤頂，實(shí)施分級(jí)預(yù)頂，對(duì)托換新樁反壓。鋼支撐及千斤頂布置如圖9所示。

圖9　鋼支撐及千斤頂布置(單位：cm)

千斤頂加載共分12級(jí)，每級(jí)荷載增量為千斤頂加載上限值的10%，每級(jí)加載需持荷20 min，待結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后方可加載次級(jí)荷載，分級(jí)加載至設(shè)計(jì)頂升力的120%，并持荷至新樁沉降穩(wěn)定后(按0.1 mm/h控制)再分級(jí)卸載至100%，鎖緊安全自鎖裝置，放置墊塊[8]。千斤頂加載分級(jí)值見表1。

注：其他分級(jí)加載值按線性內(nèi)插求得。

每級(jí)加載和卸載過程中均需將千斤頂?shù)陌踩枣i裝置予以鎖定，并在加載過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，頂升時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制既有22號(hào)橋墩墩頂位移和托換梁的兩端位移。在托換頂升過程中，需進(jìn)行頂升位移和頂升力雙控，頂升力僅作為頂升操作的參考值，把頂升位移作為主要控制因素。由于采用主動(dòng)托換，施工時(shí)必須防止既有橋梁結(jié)構(gòu)在頂升力作用下突然出現(xiàn)較大位移，施工時(shí)要求加載過程緩慢，并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻次，以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)頂升。荷載轉(zhuǎn)換完成后，澆筑托換梁樁間微膨脹混凝土，實(shí)施體系轉(zhuǎn)換。

5施工監(jiān)測(cè)

由于樁基托換工程對(duì)結(jié)構(gòu)受力和變形有較高要求，樁基托換工程施工應(yīng)通過全過程監(jiān)測(cè)，及時(shí)反饋，并根據(jù)反饋信息進(jìn)行調(diào)整，制定質(zhì)量、監(jiān)測(cè)計(jì)劃，確定質(zhì)量、監(jiān)測(cè)內(nèi)容，注意及時(shí)整理、分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)施工工藝和施工措施。

(1)對(duì)主線橋初始狀態(tài)的觀測(cè)：基礎(chǔ)托換施工前應(yīng)對(duì)被托換主線橋的先期變形、結(jié)構(gòu)裂縫情況進(jìn)行周密調(diào)查及現(xiàn)場(chǎng)錄像，以確定被托換橋梁的控制標(biāo)準(zhǔn)，確保上部結(jié)構(gòu)的正常使用[9]。隧道施工過程中應(yīng)隨時(shí)監(jiān)測(cè)托換上部結(jié)構(gòu)的變形和開裂情況，如遇結(jié)構(gòu)變形和開裂趨勢(shì)增大，應(yīng)立即停止施工，采取措施予以控制。

(2)沉降和傾斜監(jiān)測(cè)：對(duì)地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)被托換的22號(hào)墩和相鄰的21、23+號(hào)墩采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行水平及豎向位移監(jiān)測(cè)，同時(shí)在被托換的橋墩墩頂安裝縱橫向傾角儀，對(duì)傾斜進(jìn)行監(jiān)測(cè)。主線橋的沉降和傾斜監(jiān)測(cè)應(yīng)貫穿托換施工和隧道施工的整個(gè)過程[10]。

(3)托換新樁的監(jiān)測(cè)：托換施工中每一操作過程均應(yīng)對(duì)本托換單元托換新樁樁頂沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)測(cè)量樁頂和托梁間的相對(duì)位移。托換新樁需在樁頂、樁身及樁底預(yù)埋應(yīng)力測(cè)量裝置，以測(cè)定托換施工及暗挖隧道施工過程中，托換新樁的軸力變化。

(4)托換梁的監(jiān)測(cè)：在托換梁的1/2、1/4、1/8跨度處和橋墩下部處托梁貼應(yīng)變片，對(duì)托換施工中每一操作過程中托梁內(nèi)力和應(yīng)力進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控，同時(shí)監(jiān)測(cè)其撓度和變形[11]。

6結(jié)語(yǔ)

由于機(jī)場(chǎng)T3A航站樓主線橋22號(hào)墩每個(gè)墩底反力高達(dá)13 000 kN，同時(shí)托換梁跨度達(dá)到20 m左右，若采用常規(guī)的鋼筋混凝土或型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，無(wú)法有效發(fā)揮材料性能，且鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫后容易降低結(jié)構(gòu)耐久性，因此設(shè)計(jì)考慮采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。該預(yù)應(yīng)力混凝土托換梁處于地下環(huán)境，但通過采取相應(yīng)措施能夠保證結(jié)構(gòu)的耐久性：在托梁外部采用聚氨酯防水卷材和保護(hù)層進(jìn)行防護(hù)；基坑采用三七灰土回填、夯實(shí)；做好防排水工作。

樁基托換工程施工風(fēng)險(xiǎn)大，施工時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

(1)在托換施工過程中，發(fā)現(xiàn)主線橋及相鄰建筑沉降超限、開裂、傾斜時(shí)，應(yīng)立即停止施工，做好各項(xiàng)加固措施。

(2)托換梁頂升是樁基托換工程的關(guān)鍵，施工前應(yīng)做好周密詳細(xì)的施工計(jì)劃，委托第三方進(jìn)行監(jiān)控監(jiān)測(cè)，做到信息化施工[12]。

(3)托換工程施工前，在既有橋墩頂部通過千斤頂預(yù)頂升，對(duì)實(shí)際軸力進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，確保與設(shè)計(jì)提供的頂升力相適應(yīng)。

(4)托換梁預(yù)應(yīng)力施工是該工程實(shí)施的關(guān)鍵，在工程施工前應(yīng)預(yù)計(jì)事故發(fā)生的可能性，做好搶險(xiǎn)、加固的應(yīng)急預(yù)案。

(5)托換完成后，施工此段暗挖隧道時(shí)應(yīng)采取措施盡量減少對(duì)托換樁的擾動(dòng)，保證既有橋的安全；對(duì)既有橋梁的監(jiān)測(cè)應(yīng)貫穿于樁基托換、洞內(nèi)隧道施工全過程。

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Design and Construction of Large Axial Force Pile Foundation Underpinning of Subway Running Tunnel Passing under Bridge

TANG Xin-quan

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：The intercity rail transit from Xi’an North Railway Station to the airport has a total length of 27.33 km， and the length of the subway running tunnel is 256.45 m on the back-turning line after the airport station. This tunnel passes under the pile foundations of the main line bridge of the airport terminal T3A and is excavated by underpinning beam processing. The beam of the existing bridge is underpinned in reinforced concrete continuous box， which is encountered with not only complex structural forces but also sensitive structural deformation. The maximum width of the bridge is 35 m， and the axial force at the bottom of the bridge piers is about 13 000 kN.Underpinning beam span is greater than 20 m， which is pre-stressed concrete structure. Based on the design of pile foundation underpinning， the researches on underpinning program， the key connection node and the load transfer mechanism， this article addresses in detail the concepts of large axial force pile foundation underpinning， underpinning beam design and underpinning system conversion， and presents the key nodes of underpinning construction scheme and technical requirements for monitoring， which may provide references for similar projects..

Key words：Subway running Tunnel; Large axial force; Pile Foundation underpinning; Underpinning system; Underpinning beam

作者簡(jiǎn)介：唐新權(quán)(1978—)，男，高級(jí)工程師，2000年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院隧道及地下工程專業(yè)，E-mail:17962123@qq.com。

基金項(xiàng)目：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司科研課題(院科13-14)

收稿日期：2015-05-19； 修回日期：2015-06-18

中圖分類號(hào)：U455

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.019

文章編號(hào)：1004-2954(2016)01-0087-05