地鐵區(qū)間穿越天橋的樁基托換設計與施工*

楊勇 杜斌 吳睿麒 肖翔

（1.北京市市政工程設計研究總院有限公司 100082；2.北京市城市橋梁安全保障工程技術研究中心 100082）

引言

隨著城市化進程的加快，城市交通壓力不斷加大，地下空間被不斷開發(fā)進行地鐵建設。根據(jù)北京市城市軌道交通第二期建設規(guī)劃（2015—2021年），北京新建地鐵共涉及12條線路，新增262.9km。在地下工程的建設實施中，地鐵線位與現(xiàn)況運營橋梁樁基發(fā)生沖突的情況時有發(fā)生，樁基托換技術是解決此類工程問題的處理方案之一。樁基托換由于涉及到結構受力的體系轉換，且多數(shù)是在不中斷現(xiàn)況交通下進行的，所以其具有技術難度高、施工步序復雜、安全風險大等特點。因此，正確的體系轉換受力分析、合理的托換設計方案是目前該類問題所要研究的重點。

1 樁基托換的概念及類型

樁基托換就是新建樁基和托換結構，將既有樁基承受的上部荷載有效地轉移到新托換結構及新建樁基上。樁基托換技術的核心是新樁和老樁之間的荷載轉換，要求在托換過程中托換結構和原有結構的變形、受力均在安全運營的允許范圍內(nèi)。目前國內(nèi)的樁基托換主要有兩種類型，即主動托換技術和被動托換技術［1，2］。

1.1 主動托換技術

主動托換技術是指在現(xiàn)況樁基截樁前，在托換梁與托換新樁之間設置頂升設備，通過頂升預加載，使托換主梁及托換新樁提前受力、變形；這個過程既能最大限度地避免既有結構發(fā)生過大沉降，也能消除新樁的部分沉降和托換結構的變形；主動托換的核心是利用頂升裝置對結構采用主動調(diào)控的方式，將結構變形控制在最小范圍，多用于托換荷載較大、變形控制要求高的工程。

1.2 被動托換技術

被動托換技術是托換完成時即進行截樁，上部結構荷載通過托換梁直接傳遞到新樁上，托換完成后，上部結構的變形無法進行二次調(diào)控。既有結構的沉降由托換梁的變形和新樁的沉降所組成；被動托換的核心是通過托換結構的剛度和新樁的剛度來抵抗變形，托換完成后無法對結構的變形進行調(diào)控，所以其多用于托換荷載較小、變形控制要求不嚴格的工程。

在樁基托換工程中，要結合原樁基的類型和受力情況、地鐵穿越的位置及影響、水文地質情況、場地對施工工藝的影響等諸多因素綜合考慮，以便確定合理的樁基托換設計方案。

2 工程概況

北京市南苑路和義南站天橋主橋為4跨連續(xù)鋼箱梁，截面為單箱雙室；梁高0.9m，跨度為12.85m ＋23.5m ＋23.5m ＋12.85m，八號線3 期和義南站～西洼地站區(qū)間下穿和義南站人行天橋，下穿段左線為礦山法施工，右線為盾構法施工；根據(jù)地鐵區(qū)間線位與天橋現(xiàn)況的設計資料，八號線3期左線與和義南站天橋的Z3軸樁基沖突，Z3樁基需要進行截樁并進行樁基托換。橋梁結構示意及橋梁基礎與地鐵隧道的關系如圖1、圖2所示。

圖1 橋梁結構示意（單位：cm）Fig.1 Diagram of the bridge structure（unit：cm）

圖2 橋梁基礎與地鐵隧道關系（單位：cm）Fig.2 The position relations between bridge foundation and the tunnel（unit：cm）

3 樁基托換方案

3.1 樁基托換原則

1.體系轉換受力明確，臨時支撐體系穩(wěn)定性、結構受力及臨時支撐基底承載力滿足規(guī)范要求；

2.隧道開挖期間，保證人行天橋上下部結構足夠安全，天橋的沉降及變形滿足規(guī)范標準要求［3］；

3.樁基托換完成后，上部結構恢復原橋高程，新托換下部結構及基礎受力滿足規(guī)范中正常使用和極限承載的要求。

3.2 場地地勘資料

根據(jù)地勘報告，場地類地質自上而下為雜填土、素填土、砂質粉土、細砂、卵石、細砂、粉質粘土、粉細砂層，8號線隧道位于細砂、粉質粘土、粉細砂層，現(xiàn)況天橋樁基樁底位于粉細砂層。

3.3 托換設計方案

本橋的樁基托換采用主動托換方案，即新建橋梁下部結構為擴大基礎接墩柱，拆除原有樁接柱下部結構，新建擴大基礎分兩步施工，第一步施工擴大基礎“外圈”部分，并施工臨時支撐墩柱及支頂設備，然后拆除現(xiàn)況抗震錨栓、墩柱、蓋梁及支座，再進行地鐵隧道施工并截斷原樁長，待地鐵穿越且沉降穩(wěn)定后，施工擴大基礎“內(nèi)核”部分及新建中墩、橫梁、抗震錨栓及支座，最后拆除臨時支撐墩柱及支頂系統(tǒng)，完成整個的樁基托換設計。

1.托換的具體步驟

如圖3所示，具體施工步驟如下：（1）開挖基坑，施工擴大基礎第一部分，基坑采用鋼板樁支護；（2）施工臨時支撐墩柱，新建擴大基礎上安裝頂升系統(tǒng)；斷開支承處墩頂主梁鋪裝及欄桿扶手；測量主梁各支點處梁底高程，將主梁上頂3mm；拆除現(xiàn)況抗震錨栓、墩柱、蓋梁及支座；恢復主梁高程至頂升前位置；（3）隧道施工，截斷原樁長至地鐵斷面以上；當主梁相鄰墩柱最大差異沉降超過5mm時，停止施工，頂升恢復主梁沉降差，頂升到位后，千斤頂鎖死，確保主梁高程不變，頂升過程中需進行主梁底高程實時監(jiān)測；（4）待地鐵穿越且沉降穩(wěn)定后，施工擴大基礎第二部分及新建中墩、橫梁、抗震錨栓及支座；拆除臨時支撐墩柱及支頂系統(tǒng)。

圖3 施工步序（單位：cm）Fig.3 The construction steps（unit：cm）

2.托換方案中的頂升設計

托換設計中，體系轉換、主梁位移的調(diào)整都是依靠對主梁的頂升實現(xiàn)的，頂升設計是樁基托換的重點和難點，本次天橋的支頂支架采用直徑為60cm的Q235B鋼管柱（壁厚為1cm），內(nèi)設縱向鋼筋及螺旋筋，鋼管柱內(nèi)澆C30混凝土，底部通過錨栓、法蘭盤、加勁肋與擴大基礎相連。支頂千斤頂放置于支架頂端，千斤頂油缸鞍座頂?shù)淄脑O置兩塊直徑400mm的圓形鋼板，每塊厚度20mm，頂部鋼板上放置兩根點焊連接的32b工字鋼，如圖4所示。工字鋼與主梁之間墊橡膠墊板，以此增大受力面積，防止鋼梁底部局部受壓過大，并且消除梁體坡度及不平度造成的應力集中。油缸用限位銷卡住，使其不脫位、滑動，如圖5所示。同步頂升設備同步精度0.5mm。

圖4 橋梁支頂示意Fig.4 Diagram of the bridge s propping

圖5 橋梁支頂局部大樣圖Fig.5 Diagram of the local details of the bridge's propping

3.托換方案中的施工監(jiān)控

樁基托換實施過程中，需對現(xiàn)況主梁上下部結構、新增基礎及臨時支頂設備進行全過程的施工監(jiān)控，監(jiān)測內(nèi)容主要包括：主梁、墩柱、新增擴大基礎的豎向沉降；主梁各軸的差異沉降、新增擴大基礎的不均勻沉降、墩柱的傾斜、主梁結構及附屬構造（支座、錨栓、限位設施、伸縮縫裝置）的外觀、橋下道路的地面沉降等。施工過程中監(jiān)測頻次要求見表1。

表1 監(jiān)測頻次要求Tab.1 The demands of monitoring frequency

地鐵施工過程中，當?shù)貙蛹皹蛄夯A沉降變形速度＞2mm／d時，應提高監(jiān)控頻次，每天至少2次。

4 樁基托換中的受力分析

4.1 主橋結構體系轉換受力分析

天橋主橋為四跨連續(xù)鋼梁，在進行Z3軸樁基托換時，采用雙支點臨時支承，受力體系有所改變，需對主梁的位移及應力進行驗算，其不同階段的受力體系見圖6。

圖6 不同階段結構受力體系Fig.6 Stress system at different stages

根據(jù)設計圖紙，以Midas／Civil 2015程序為平臺，建立施工階段空間結構模型。整體結構均采用梁單元模擬，其中主橋采用Q235鋼材，舊墩柱采用C30混凝土，新建鋼管混凝土墩柱采用C35混凝土及Q235鋼材。全橋模型共計137個節(jié)點、77個單元，托換后模型見圖7，計算結果見圖8。

圖7 托換后空間有限元模型Fig.7 FEM of the bridge after underpinning

4.2 主橋結構的基礎受力分析

施工過程中橋梁基礎由樁基變?yōu)閿U大基礎，擴大基礎又分兩次澆筑形成，基礎形式的變化如圖9所示，需要對結構的基底承載力進行計算復核。新增擴大基礎基底埋置在砂質粉土中，臨時支承階段及托換完成后的使用階段基底應力，計算表格見表2。

圖8 不同階段主梁應力（單位：MPa）Fig.8 Stress diagram of the girder at different stages（unit：MPa）

圖9 不同階段基礎形式（單位：cm）Fig.9 Foundation at different stages（unit：cm）

表2 基底應力計算表Tab.2 Computation sheet of foundation stress

4.3 地鐵穿越過程中的施工監(jiān)控

根據(jù)施工單位及第三方監(jiān)控單位提供的監(jiān)控數(shù)據(jù)，樁基托換期間新做擴大基礎處最大沉降為30.73mm，Z2軸處主梁通過千斤頂?shù)闹鲃又ы攲崿F(xiàn)沉降位移補償，保證主梁各軸之間的差異沉降不超過橋梁設計咨詢中提出的沉降指標（橋梁設計咨詢前評估中提出主梁各軸差異沉降最大為8mm），根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)，主梁Z2軸與Z3軸之間最大差異沉降最大為5.79mm。根據(jù)最近的監(jiān)控數(shù)據(jù)，橋梁各測點數(shù)據(jù)已趨于穩(wěn)定。主梁各軸之間的沉降如圖10所示。

圖10 主橋各軸之間的沉降時程Fig.10 Time-history diagram of the settlement data of pile foundations

5 結語

樁基托換的設計是一個系統(tǒng)工程，要結合地質條件、施工場地條件、地鐵施工工法、橋梁上部結構形式、橋梁基礎形式等綜合因素選擇適宜的設計方案。同時，應對托換方案中的頂升設計、施工監(jiān)控提出明確要求。本文以北京地鐵8號線3期穿越和義南站天橋樁基托換的工程實例，闡述了一個四跨連續(xù)鋼箱梁的樁基托換設計。根據(jù)施工期間的監(jiān)控數(shù)據(jù)來看，主梁各軸的差異沉降滿足設計咨詢提出的沉降控制指標，主梁在樁基托換過程中處于受力安全狀態(tài)。該天橋施工期間未中斷現(xiàn)況天橋交通，體系轉換及橋梁支頂均順利實施，該樁基托換設計方案合理、體系轉換明確，可為今后的類似工程提供參考。