吳文亮, 王建軍, 孫凡皓
(中交隧道工程局有限公司南京分公司, 江蘇 南京 210000)
近十幾年來(lái),隨著我國(guó)城市地鐵的建設(shè),盾構(gòu)隧道迅速發(fā)展,受城市空間和環(huán)境的限制,樁基托換應(yīng)用的頻率增多。目前許多學(xué)者對(duì)樁基托換技術(shù)運(yùn)用狀況及其核心技術(shù)機(jī)制進(jìn)行了研究,如: 文獻(xiàn)[1]對(duì)托換基礎(chǔ)受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,綜合多種工藝確保了單次體系轉(zhuǎn)換的安全性; 文獻(xiàn)[2]對(duì)樁基主動(dòng)托換各階段結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行研究,驗(yàn)證了小空間內(nèi)多個(gè)托換點(diǎn)同步實(shí)施的可行性; 文獻(xiàn)[3]采用數(shù)值模擬方法對(duì)橋梁主體與被動(dòng)托換進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn)在不中斷結(jié)構(gòu)使用功能的情況下完成樁基托換; 文獻(xiàn)[4] 采用有限元軟件 MIDAS/GTS建立三維有限元模型,驗(yàn)證了樁基托換方案的可靠性; 文獻(xiàn)[5-7]通過(guò)理論計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)對(duì)比確定樁基托換各工序的控制要點(diǎn),得到了樁基托換在市政工程中的適用性; 文獻(xiàn)[8-9]介紹了盾構(gòu)下穿既有橋梁樁基的托換施工方法、適用范圍、特點(diǎn)及應(yīng)用實(shí)例。
以往的樁基托換多為單次體系轉(zhuǎn)換法樁基托換,在復(fù)雜環(huán)境下,單次體系轉(zhuǎn)換法應(yīng)用尚有局限性。本文以福州地鐵2號(hào)線紫陽(yáng)站—五里亭站區(qū)間(簡(jiǎn)稱紫五區(qū)間)工程為背景,針對(duì)該工程處于既有立交橋下、周邊管線復(fù)雜以及交通壓力大等難點(diǎn),通過(guò)理論分析,在常規(guī)的單次體系轉(zhuǎn)換技術(shù)基礎(chǔ)上,研究并應(yīng)用全新的二次結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換法橋梁樁基托換施工技術(shù)。
福州地鐵2號(hào)線紫五區(qū)間沿主干道福馬路布設(shè),穿越五里亭立交橋,因?yàn)楸茏屛謇锿ち⒔凰淼?,左右線分開,如圖1所示。右線以R=350 m曲線下穿五里亭立交一處橋墩,接至五里亭站,全長(zhǎng)874.24 m。在里程YCK31+784.5附近,五里亭立交D匝道141#橋墩(見(jiàn)圖2)樁基侵入隧道,隧道頂埋深約 14 m。需托換的橋墩上部結(jié)構(gòu)為3×15.75 m鋼筋混凝土連續(xù)箱梁; 下部結(jié)構(gòu)為薄壁墩配承臺(tái)預(yù)制方樁基礎(chǔ),預(yù)制方樁的截面尺寸為40 cm×40 cm,樁長(zhǎng)約32 m; 北側(cè)距離老承臺(tái)底部約1.5 m為DN1800污水干管,埋深3.1 m; 東側(cè)距離老承臺(tái)0.5 m為直徑5.7 m的污水沉井,埋深1.2 m。
圖1紫五區(qū)間平面布置
Fig. 1 Plan of layout of Ziyang Station-Wuliting Station Section
圖2 D匝道141# 橋墩
根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及前期勘察成果,場(chǎng)地附近存在前第四紀(jì)以來(lái)的不活動(dòng)斷裂和晚更新世紀(jì)的活動(dòng)性較微弱斷裂,場(chǎng)地為可液化場(chǎng)地,場(chǎng)地內(nèi)存在地面沉降和塌陷的可能。地層從上到下主要為〈1-2〉雜填土、〈2-4-1〉淤泥、〈2-4-4〉淤泥夾砂、〈2-4-5〉淤泥質(zhì)中細(xì)砂、〈2-5〉中細(xì)砂、〈3-1〉粉質(zhì)黏土、〈3-3〉中粗砂、〈3-8〉卵石。地下水主要賦存在雜填土及淤泥外的6層土中,該6層土在局部存在直接的水力聯(lián)系,且承壓水頭高、埋深淺。
1)新建的托換結(jié)構(gòu)與既有橋梁連結(jié)困難,原有橋梁樁基為40 cm×40 cm預(yù)制方樁,舊樁偏位嚴(yán)重,導(dǎo)致托換大梁梁底縱筋施工困難。原有承臺(tái)埋深約1.5 m,位于既有污水干管上方,空間極為狹小,難以施工。托換位置位于人行道及機(jī)動(dòng)車道,與原有橋墩連接施工妨礙交通。
2)常規(guī)托換梁及托換承臺(tái)實(shí)施困難,受污水干管及污水沉井限制,土體加固和圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工困難,深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)大、費(fèi)用高,且工期無(wú)法保障。
3)因區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)范圍內(nèi)基本為全斷面的淤泥質(zhì)粉細(xì)砂,設(shè)備選用土壓平衡盾構(gòu)配軟土刀具,且承臺(tái)下共有9根樁基,樁間距小,需提前處理掘進(jìn)范圍內(nèi)的遺留障礙樁基。如采用常規(guī)的樁基托換方法,處理障礙樁基一般采用施工豎井方法破樁,施工風(fēng)險(xiǎn)與費(fèi)用均較大。
步驟1: 在區(qū)間隧道外新建鉆孔灌注樁及承臺(tái),如圖3所示。
圖3 新建鉆孔灌注樁及承臺(tái)
Fig. 3 Sketch of new cast-in-situ bored pile and bearing platform
步驟2: 如圖4所示,安裝臨時(shí)鋼管貝雷梁支撐架,在千斤頂與箱梁之間設(shè)置橡膠墊,將千斤頂頂升至舊支座不受力。安裝臨時(shí)支座。卸下千斤頂頂升力,并將千斤頂保留到位,舊支座將不再受力,完成第1次體系轉(zhuǎn)換。
圖4 鋼管貝雷梁臨時(shí)支撐架
步驟3: 拆除既有墩身、承臺(tái),拔除障礙樁基,如圖5所示。
圖5 拆除既有墩身、承臺(tái),拔除障礙樁基
Fig. 5 Existing pier body and bearing platform and barrier pile foundation removing
步驟4: 澆筑后澆承臺(tái)與兩側(cè)承臺(tái),連接成新承臺(tái),如圖6所示。
圖6 澆筑后澆承臺(tái)
步驟5: 澆筑新橋墩,如圖7所示。千斤頂頂升至臨時(shí)支座活動(dòng)不受力狀態(tài),臨時(shí)支座應(yīng)原位保留,安裝永久支座。千斤頂卸載,并保留原位。密切監(jiān)測(cè),移除臨時(shí)支座,完成第2次體系轉(zhuǎn)換。
圖7 澆筑新橋墩
步驟6: 拆除臨時(shí)支撐體系,恢復(fù)路面并開始盾構(gòu)掘進(jìn)施工,如圖8所示。
圖8 拆除臨時(shí)支撐體系
3.2.1 新建樁基及承臺(tái)
在區(qū)間隧道外新建鉆孔灌注樁,采用常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔灌注施工。在施工過(guò)程中注意控制泥漿護(hù)壁性能,并監(jiān)控周邊老橋及管線沉降。之后在鉆孔樁的頂部澆筑2個(gè)單樁承臺(tái),作為臨時(shí)支撐體系支架的基礎(chǔ)和永久托換梁的一部分[10]。
3.2.2 臨時(shí)支撐體系及同步頂升體系轉(zhuǎn)換
3.2.2.1 臨時(shí)支撐體系
在新建承臺(tái)上搭設(shè)臨時(shí)支撐體系,通過(guò)大直徑灌注樁、鋼管柱和貝雷梁組成臨時(shí)支撐體系。施工過(guò)程中通過(guò)預(yù)埋件使鋼管柱與灌注樁剛性連接,增加體系水平抗剪能力。在鋼管柱、貝雷梁等構(gòu)件外側(cè)增設(shè)限位防撞裝置及警示裝置,履帶吊增設(shè)回轉(zhuǎn)、起吊角度限位裝置。
采用MIDAS軟件建立臨時(shí)支撐體系模型(見(jiàn)圖9),計(jì)算臨時(shí)支撐體系結(jié)構(gòu)變形量和鋼管豎向受力,結(jié)果如圖10和圖11所示。支撐體系貝雷梁受力間距L=8.16 m,貝雷梁最大位移14.1 mm≤L/400=20.4 mm,滿足要求。鋼管(630×10)最大應(yīng)力為15.88 MPa,最小應(yīng)力為-91.77 MPa,均小于[σ]=215 MPa,滿足要求。
圖9 臨時(shí)支撐體系模型
圖10 模型變形云圖(單位: mm)
圖11 支撐鋼管受力云圖(單位: MPa)
3.2.2.2 托換梁施工控制措施
1)材料機(jī)具控制措施。①采用PLC同步頂升控制系統(tǒng)(見(jiàn)圖12),實(shí)現(xiàn)力和位移控制、操作閉鎖和過(guò)程顯示。通過(guò)對(duì)油缸進(jìn)行特殊處理,使千斤頂獨(dú)特的支撐設(shè)計(jì)可承受油缸承載能力10%的側(cè)向負(fù)載。②針對(duì)本橋梁情況,設(shè)計(jì)確定的相對(duì)位移限值為10 mm。③千斤頂采用YZL150-100型自鎖式千斤頂,行程為10 cm,最大噸位為150 t。該處橋墩托換梁采用4個(gè)千斤頂頂升(見(jiàn)圖13),千斤頂支撐于橋梁斜腹板處(見(jiàn)圖14),與箱梁間設(shè)置橡膠墊。
1—電動(dòng)液壓泵站; 2—觸摸屏和PLC控制器; 3—雙作用(單作用)液壓千斤頂; 4—位移傳感器; 5—高壓軟管; 6—位移傳感器電纜; 7—電磁控制器; 8—壓力傳感器。
圖12 PLC同步頂升系統(tǒng)
Fig. 12 PLC synchronous lifting system
圖13 托換梁與臨時(shí)支座節(jié)點(diǎn)布置
Fig. 13 Layout of joints of underpinning beam and temporary support
2)托換梁頂升技術(shù)控制措施如下。
頂升裝置檢驗(yàn)合格后進(jìn)行試頂加載,千斤頂按設(shè)計(jì)的行程同步頂升,起梁速度控制約為每毫米3 min,同時(shí)觀測(cè)梁體起頂高度和千斤頂?shù)钠痦斄Γ瑢?shí)施雙控。
稱重預(yù)壓: 預(yù)頂按壓力和位移雙向控制,并以壓力控制為主,分3個(gè)階段。每次預(yù)頂后,對(duì)支撐系統(tǒng)的沉降、變形進(jìn)行檢查和記錄,對(duì)千斤頂?shù)奈恢谩髁υO(shè)施的固定進(jìn)行檢查,如有問(wèn)題立刻調(diào)整,再重復(fù)上一步操作,直到支座不再受力,整個(gè)上部結(jié)構(gòu)處于懸浮狀態(tài)時(shí),停止抬升。根據(jù)壓力值(可通過(guò)顯示器讀數(shù)或根據(jù)油壓值計(jì)算確定),得出梁體實(shí)際質(zhì)量,再根據(jù)梁體實(shí)際質(zhì)量確定頂升力。
圖14 托換梁節(jié)點(diǎn)布置(單位: mm)
頂升: 根據(jù)稱重的結(jié)果,確定準(zhǔn)確的頂升噸位,重新確定千斤頂?shù)膫€(gè)數(shù)和噸位。完成頂升前的作業(yè)后,啟動(dòng)油泵,通過(guò)控制器和換向閥,調(diào)整雙作用千斤頂,使千斤頂緩慢上升,逐級(jí)施加預(yù)頂荷載,通過(guò)分析同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),動(dòng)態(tài)化指導(dǎo)預(yù)頂力的荷載施加。托換樁支架千斤頂同步分級(jí)加載,每級(jí)加載持荷10 min,預(yù)頂力達(dá)到設(shè)計(jì)值后穩(wěn)壓30 min,監(jiān)測(cè)托換體系構(gòu)件的變形及梁體裂縫發(fā)展。施工完成且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映托換體系穩(wěn)定后,方可抽出原有支座,并落梁至臨時(shí)支座。
3)托換梁頂升安全控制措施。整個(gè)頂升過(guò)程嚴(yán)格對(duì)老橋及支撐體系變形和受力進(jìn)行監(jiān)控,監(jiān)控結(jié)果及時(shí)反饋。第1次體系轉(zhuǎn)換后要持續(xù)觀察24 h,查看臨時(shí)支撐系統(tǒng)及原橋結(jié)構(gòu)的安全性,確保沒(méi)有異常情況再進(jìn)行墩臺(tái)的拆除工作。充分考慮外部干擾,采用附著式撓度計(jì)、高靈敏應(yīng)力應(yīng)變計(jì)及角度計(jì)等監(jiān)控元件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
3.2.2.3 體系轉(zhuǎn)換
1)體系轉(zhuǎn)換流程如圖15所示。
2)安裝臨時(shí)支座,搭設(shè)臨時(shí)支撐體系,如圖16(a)所示。頂升完畢后,關(guān)閉千斤頂鎖定閥門,安裝D400×69橡膠臨時(shí)支座。
3)拆除舊墩身、承臺(tái)及樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),如圖16(b)所示。通過(guò)臨時(shí)支座支撐箱梁,使既有橋墩不再受力后,在舊橋墩周圍設(shè)置防護(hù)擋板,采用繩鋸切割方式拆除舊橋墩,之后采用破碎機(jī)鑿除既有承臺(tái),最后采用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)拔出障礙樁基礎(chǔ)。施工過(guò)程中在臨時(shí)支撐體系上設(shè)置防護(hù)軟墊,避免機(jī)械與硬物沖撞帶來(lái)?yè)p害。
4)新建橋梁下部結(jié)構(gòu),如圖16(c)所示。拆除舊墩身、承臺(tái)及樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)后,對(duì)鄰近污水管進(jìn)行保護(hù),并在此區(qū)域進(jìn)行鋼筋加密。通過(guò)后澆的方式,將臨時(shí)支架下的2個(gè)新建單樁承臺(tái)連接成一個(gè)整體,然后在原橋墩位置上恢復(fù)橋墩。
5)回落,完成體系轉(zhuǎn)換,如圖16(d)所示。新的永久支座安裝完成后,控制頂升系統(tǒng)逐漸下落,落梁控制與頂升相同。打開千斤頂鎖定閥門,同步緩慢回落梁板至安裝好的支座,詳細(xì)檢查墊石及支座,確認(rèn)壓緊密貼及位置正確后,撤除頂升系統(tǒng)。
圖15 頂升體系轉(zhuǎn)換流程圖
(a) 臨時(shí)支撐體系搭設(shè)
(b) 拆除既有橋梁下部結(jié)構(gòu)
(d) 完成體系轉(zhuǎn)換
(d) 完成體系轉(zhuǎn)換
圖16二次托換技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施照片
Fig. 16 Site construction photos of secondary underpinning technology
3.2.3 監(jiān)測(cè)監(jiān)控
同步頂升施工前對(duì)相應(yīng)的上部和下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的檢測(cè),了解橋梁結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀,避免因既有橋梁存在的病害增加頂升施工的風(fēng)險(xiǎn)。在施工后也需進(jìn)行全面檢測(cè),與頂升施工前進(jìn)行比較,以判定施工的相關(guān)影響。
橋梁的同步頂升需要逐級(jí)完成,對(duì)橋梁頂升過(guò)程中的整體軌跡、整體姿態(tài)和結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括橋面線形、梁底應(yīng)變、墩底沉降、托換體系相對(duì)位移和鄰近橋墩沉降等,主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容如下: 1)主梁在頂起點(diǎn)的豎向位移和水平位移,主膜端部、橫隔板頂部、橋底及橋面的應(yīng)力。2)梁肋垂直裂縫及梁端斜裂縫的發(fā)展。3)橋梁伸縮縫的伸縮變形。4)頂進(jìn)過(guò)程中既有樁基、托換樁、高架橋的沉降,托換梁形變和裂縫發(fā)展。5)臨時(shí)支撐體系傾斜和沉降。
正常情況下監(jiān)測(cè)的頻率為2次/d,頂升過(guò)程中為4次/d。特殊條件下,在第1周監(jiān)測(cè)頻率為1次/d,第2周為1次/2 d,直到穩(wěn)定。主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖17—21所示。
圖17 橋面線形測(cè)點(diǎn)布置平面圖
圖18 梁底應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置平面圖(單位: cm)
Fig. 18 Plan of layout of monitoring points on beam bottom (unit: cm)
(a) 平面圖
(b) 立面圖
(a) 立面圖
(b) 平面圖
圖21 鄰近橋墩靜力水準(zhǔn)儀觀測(cè)點(diǎn)布置
Fig. 21 Layout of monitoring points on static force level close to bridge pier
二次結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換法橋梁樁基托換只需開挖施工單層托換承臺(tái),開挖深度由常規(guī)托換的6~8 m減小為3~4 m,可降低不良地質(zhì)條件下深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)。而且能徹底清除遺留的障礙樁基,不需要采用復(fù)合土壓平衡盾構(gòu)磨樁或施工豎井破樁,規(guī)避了盾構(gòu)帶壓開艙或豎井地下破樁作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。
該托換技術(shù)主要采用地上常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)和鋼管貝雷梁臨時(shí)支撐體系施工,不需要復(fù)雜的基坑支護(hù)。主要的臨時(shí)支撐體系構(gòu)件可以制作完成后進(jìn)場(chǎng)拼裝,施工便捷,占地范圍小。
二次結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換法橋梁樁基托換不需要深基坑施工,能節(jié)省大量深基坑支護(hù)或豎井費(fèi)用,尤其是在類似福州地鐵2號(hào)線紫五區(qū)間高承壓水軟土地質(zhì)、存在不可遷改障礙物、不宜實(shí)行破樁時(shí),成本節(jié)約效果更為顯著。此外,該托換技術(shù)主要的臨時(shí)體系構(gòu)件為鋼結(jié)構(gòu),可重復(fù)利用。
對(duì)五里亭立交橋橋梁裂縫變化、梁底位移、橋墩沉降、托換體系位移等進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果如圖22—26所示??芍?在信息化施工系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋下,通過(guò)同步頂升對(duì)既有橋梁樁基進(jìn)行二次體系轉(zhuǎn)換,橋梁回落后,橋梁裂縫最大為2 mm、梁底最大位移為3.9 mm、墩底最大沉降為3.8 mm、托換體系最大位移為24 mm、鄰近橋墩最大沉降為1.2 mm,可知該托換技術(shù)對(duì)既有橋梁的影響很小,保證了既有橋梁的安全質(zhì)量及使用功能。
圖22 既有橋梁裂縫監(jiān)測(cè)曲線(2016年)
圖23 梁底位移監(jiān)測(cè)曲線(2016年)
圖24 墩底沉降監(jiān)測(cè)曲線(2016年)
圖25 托換體系位移監(jiān)測(cè)曲線(2016年)
圖26 鄰近橋墩位移監(jiān)測(cè)曲線(2016年)
對(duì)比福州地鐵2號(hào)線紫五區(qū)間右線樁基托換工程采用二次結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換法樁基托換與常規(guī)樁基托換的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,結(jié)果如表1所示??芍?在本工程中,采用二次結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換法進(jìn)行樁基托換施工,克服了周邊環(huán)境復(fù)雜的影響,規(guī)避了盾構(gòu)帶壓開艙和破樁的風(fēng)險(xiǎn),工期縮短2~3個(gè)月,費(fèi)用節(jié)省約50%。
表1不同樁基托換方案效益分析
Table 1 Benefit analysis of different pile foundation underpinning schemes
托換方案主要工藝施工風(fēng)險(xiǎn)工期/月費(fèi)用/萬(wàn)元備注 二次結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換法 利用同步頂升系統(tǒng)頂升梁體實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換,置換整個(gè)橋梁下部結(jié)構(gòu),清除障礙樁較小3~4234 需搭設(shè)臨時(shí)支撐體系 常規(guī)托換梁托換、盾構(gòu)破樁 利用托換梁間千斤頂實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換,只置換樁基。需對(duì)地層進(jìn)行滿堂加固應(yīng)對(duì)帶壓開艙風(fēng)險(xiǎn),盾構(gòu)破樁較大4~5 157+140(加固)+168(掘進(jìn)增加) 復(fù)合土壓盾構(gòu)相對(duì)土壓盾構(gòu)每米掘進(jìn)增加約0.2萬(wàn) 常規(guī)托換梁托換、豎井破樁 利用托換梁間千斤頂實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換,只置換樁基。開挖23 m深豎井破樁大6~8 157+300(豎井費(fèi)用)
樁基托換工程的施工環(huán)境一般相對(duì)復(fù)雜,地質(zhì)條件、水文條件、周邊管線、建(構(gòu))筑物及場(chǎng)地條件等變化多樣,具有工序多、場(chǎng)地受限、干擾大等特點(diǎn),施工時(shí)往往在安全控制、工期、成本等方面要求較高。以福州地鐵2號(hào)線紫五區(qū)間右線托換工程為背景,研究全新的二次結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換法施工技術(shù),應(yīng)用結(jié)果表明,橋梁裂縫最大為2 mm、梁底最大位移為3.9 mm、墩底最大沉降為3.8 mm、托換體系最大位移為24 mm、鄰近橋墩最大沉降為1.2 mm,采用該托換技術(shù)對(duì)既有橋梁的影響很小,保證了既有橋梁的安全質(zhì)量及使用功能,降低了施工風(fēng)險(xiǎn),保證了區(qū)間盾構(gòu)的順利掘進(jìn),可為類似工程提供參考和借鑒。
本工程采用的二次托換技術(shù)利用移動(dòng)式同步頂升系統(tǒng),在結(jié)構(gòu)使用后期不具備補(bǔ)償功能,當(dāng)因新建的永久樁基與原有橋樁出現(xiàn)沉降差或其他原因造成支座脫空時(shí),只能依賴原始的支座塞入支墊或更換處理。后續(xù)類似工程建議考慮在托換梁中設(shè)置預(yù)應(yīng)力,采用波紋管預(yù)留成孔并留置備用束,當(dāng)支座脫空時(shí)張拉備用束,同時(shí)可增加托換梁二次澆筑的結(jié)構(gòu)可靠性。