古橋“架立”與“托換”

辛海京，吳佳順

（1.中建一局華江建設(shè)有限公司，北京 100071；2.中交第一公路工程局集團(tuán)喀麥隆總項(xiàng)目部，北京 100020）

0 引 言

近年來(lái)，建筑業(yè)發(fā)展迅猛，建筑物改擴(kuò)建、改造項(xiàng)目明顯增加。北京大學(xué)承澤園教學(xué)科研樓施工現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)有一座古橋，在古橋下要進(jìn)行大開挖，建造地下車庫(kù)。而應(yīng)甲方及相關(guān)部門要求，古橋?qū)儆谖奈铮荒懿鸪?，需要加以保護(hù)。如何在保證古橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的情況下通過(guò)采用新技術(shù)進(jìn)行古橋下土方開挖和建造地下車庫(kù)施工這是本文要討論的課題，也是建筑物施工與文物保護(hù)沖突時(shí)出現(xiàn)的較為現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。如果將施工區(qū)域繞過(guò)古橋，那樣將使教學(xué)科研樓建筑面積明顯減少，將影響所建建筑物使用功能。為此，需要將古橋“架立”起來(lái)，在橋下完成挖土和地下車庫(kù)結(jié)構(gòu)的施工等。

1 工程概況

所建工程位于北京大學(xué)校園承澤園內(nèi)，在基坑北側(cè)施工范圍內(nèi)，存在一座古橋。古橋由塊石堆砌而成，東西寬約 10 m（基礎(chǔ)寬度），橋面標(biāo)高為 -1.120 m，底板頂標(biāo)高為 -3.800 m，古橋板厚約 0.4 m；古橋北邊基坑支護(hù)單位施工長(zhǎng)螺旋鉆孔灌注樁，古橋北邊古橋下部為人工挖孔樁，長(zhǎng)螺旋鉆孔灌注樁和人工挖孔樁徑為800 mm，古橋東西兩側(cè)為灌注樁，樁上部為水平鋼管和工字鋼斜支撐，樁頂為冠梁。古橋北側(cè)為古廟門頭，古橋距今有 300 多年的歷史，是國(guó)家文物，要對(duì)古橋進(jìn)行保護(hù)，由于古橋北邊有一部分在基坑范圍內(nèi)，在開挖基坑前需要先對(duì)古橋進(jìn)行“架立”及托換。古橋平面圖如圖1 所示，古橋立體圖如圖2 所示。

圖1 古橋托換工程平面圖（單位：mm）

圖2 古橋托換工程立體圖（單位：mm）

2 施工重點(diǎn)、難點(diǎn)分析

要“架立”的古橋?yàn)槭瘔K堆砌而成，結(jié)構(gòu)松散，對(duì)基礎(chǔ)變形十分敏感，根據(jù)本工程特點(diǎn)，對(duì)重點(diǎn)、難點(diǎn)分析如下。

1）托換鋼管梁成孔施工。古橋基礎(chǔ)位于級(jí)配砂石層上，古橋 400 mm 厚石板下部有木樁［1］（可能是古人為了防止古橋下沉而設(shè)置的豎向承重構(gòu)件），要做水平向鋼管梁成孔，需要穿過(guò)級(jí)配砂石層和木樁，古橋?qū)挾葹?10 m，鋼管梁直徑為 273 mm、長(zhǎng)度為 12 m 左右，鋼管成孔比較困難，對(duì)鋼管梁水平度要求高，并且施工中對(duì)古橋允許沉降值僅僅為 30 mm，這是工程難點(diǎn)之一。

2）人工挖孔樁樁底標(biāo)高在地下水位以下，層間地下水流入樁內(nèi)難以成孔；此外，在古橋下空間僅有 3～3.5 m 高，樁深 12.3 m，無(wú)法吊裝鋼筋籠，施工難度大。同時(shí)，北側(cè)邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁，但灌注樁距離古橋北側(cè)過(guò)近，樁機(jī)械無(wú)法施工，因此古橋北側(cè)采用人工挖孔樁施工，古橋兩側(cè)均為灌注樁。人工挖孔樁樁深很大，樁尖超過(guò)地下水位，地層中含有層間水，要防止周邊地下水流入人工挖孔樁，可每次下挖 1 m，然后做混凝土護(hù)壁，并摻加速凝劑，同時(shí)將水泵放入樁內(nèi)抽地下水，以免孔內(nèi)發(fā)生塌方，對(duì)施工速度控制要求十分嚴(yán)格，以確保人工挖孔樁安全，這是工程難點(diǎn)之二。

3）古橋“架立”后，小挖土機(jī)要在鋼梁下挖土、倒運(yùn)土，作業(yè)空間高度只有 3 m，作業(yè)環(huán)境十分有限，施工較為困難，需要人工和挖土機(jī)配合，共同開挖，這是工程難點(diǎn)之三。

3 施工技術(shù)創(chuàng)新

3.1 古橋“架立”與“托換”的整體思路

要想保留有 300 多年歷史的古橋，從而在古橋下挖土，進(jìn)行地下車庫(kù)的施工，就必須將古橋“架立”起來(lái)。架立結(jié)構(gòu)承受古橋全部重量，架立結(jié)構(gòu)體系將古橋整體“托”起來(lái)后，可在古橋下進(jìn)行挖土方、地下車庫(kù)基礎(chǔ)和主體結(jié)構(gòu)施工作業(yè)。本工程“架立”結(jié)構(gòu)體系包括豎向灌注樁施工、水平向鋼管梁施工、鋼管梁上部南北向冠梁施工、鋼管下部工字鋼支撐焊接；“托換”結(jié)構(gòu)體系包括古橋北端鋼筋混凝土墻、鋼格柵加固、古橋下人工挖孔樁施工、樁頂冠梁施工、古橋基礎(chǔ)外側(cè)錨索施工等。

3.2 古橋架立體系的施工步驟

在古橋兩側(cè)沿南北方向施工豎向灌注樁→水平方向東西向施工直徑為 273 mm 鋼管梁→鋼管梁上部南北方向冠梁施工→古橋下部挖土方→焊接鋼管下部工字鋼支撐→古橋北端 750 mm 厚鋼筋混凝土墻加固，內(nèi)置鋼格柵→古橋下北側(cè)人工挖孔樁施工→人工挖孔樁樁頂冠梁施工→注雙液漿加固橋底 3.5 m 范圍土體→古橋基礎(chǔ)外側(cè)第一道錨索施工→第二道錨索施工→地下 3 層結(jié)構(gòu)施工→架設(shè)水平剪刀撐→托換結(jié)構(gòu)拆除。古橋托換結(jié)構(gòu)體系如圖3 所示。

圖3 古橋托換結(jié)構(gòu)體系圖

4 具體施工措施

4.1 托換樁（灌注樁）施工技術(shù)要求

1）灌注樁施工參數(shù)。根據(jù)地質(zhì)條件，優(yōu)先采用長(zhǎng)螺旋成孔工藝。樁身混凝土等級(jí)為 C25，混凝土坍落度為 160～220 mm。托換樁主筋采用φ22、φ16 鋼筋，加強(qiáng)箍筋為φ16，螺旋箍筋為φ8@200。樁位允許偏差為 50 mm；樁垂直度偏差不宜大于 0.5 %；樁頂處鋼筋錨入冠梁長(zhǎng)度為 500 mm；混凝土保護(hù)層厚度為 75 mm。

2）長(zhǎng)螺旋鉆孔灌注樁。鋼筋籠制作應(yīng)符合 GB 50204－2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》［2］的規(guī)定，長(zhǎng)螺旋鉆孔灌注樁質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合 GB 50202－2018《建筑地基基礎(chǔ)工程質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》［3］的規(guī)定。

3）鉆孔棄土的清運(yùn)。鉆孔棄土應(yīng)及時(shí)清運(yùn)，以避免影響施工速度，棄土的清運(yùn)應(yīng)罐裝外運(yùn)，不得污染環(huán)境。鉆孔棄土清運(yùn)應(yīng)采用小型機(jī)械，并應(yīng)與托換樁施工配合進(jìn)行。樁身?xiàng)壨燎暹\(yùn)時(shí)應(yīng)保護(hù)樁位放線點(diǎn)，避免樁點(diǎn)移位或破壞。

4.2 水平鋼管梁（大管棚）施工工藝

1）開挖工作面。為了使鉆機(jī)有工作面，土方開挖至托換梁標(biāo)高下 1 000 mm 時(shí)，清理孔口，疏通套管。

2）鉆機(jī)就位。調(diào)整鉆機(jī)機(jī)身，確保鉆桿水平放置。由于托換梁要水平穿過(guò)級(jí)配砂石和木樁，因此采用水平定向水鉆套管跟進(jìn)的方法鉆孔。

3）套管準(zhǔn)備。由于托梁直徑較大，預(yù)先加工直徑為273 mm 鋼套管運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，按照水鉆成孔工藝施工：先啟動(dòng)水泵，注水鉆進(jìn)，并根據(jù)地質(zhì)條件控制鉆進(jìn)速度，接外套管時(shí)，要停止供水，把絲扣處泥砂清除干凈，抹上少量黃油，要保證所連接的套管與原有套管在同一軸線上。

4）鉆孔施工。鉆進(jìn)過(guò)程中隨時(shí)注意速度、壓力及鉆桿的平直，直到鉆通橋底板基礎(chǔ)。

5）安裝托換梁。托換梁采用直徑為 273 mm 鋼管，壁厚14 mm、長(zhǎng)度 12 m。在拔出鉆桿后，將鋼管與外套管連接，將托換梁通過(guò)套管穿過(guò)橋底。要保證水平鋼管梁水平度，施工難度較大，可使用改裝后的水平套管鉆機(jī)，采用少進(jìn)尺、勤跟進(jìn)的成孔方法，發(fā)現(xiàn)托換梁不水平應(yīng)及時(shí)調(diào)整，每天施工完及時(shí)填充管內(nèi)砂漿。

4.3 水平鋼管梁下鋼支撐施工工藝及措施

4.3.1 施工工藝流程

放線→開挖左側(cè)導(dǎo)洞（北端按 1∶1 放坡留置）→架設(shè)左側(cè)斜撐和縱梁→開挖右側(cè)導(dǎo)洞（北端按 1∶1 放坡留置）→架設(shè)右側(cè)斜撐和縱梁→開挖中間核心土→架設(shè)橫梁→北端鋼格柵封堵→開挖至人工挖孔樁施工作業(yè)面。

4.3.2 施工工藝及措施

1）放線。從古橋南側(cè)向北側(cè)土方開挖，確定導(dǎo)洞范圍，靠近核心土側(cè)采用 1∶0.5 臨時(shí)放坡。

2）開挖雙側(cè)導(dǎo)洞。為了防止開挖土方過(guò)程中，土方坍塌，采用暗挖法依次開挖兩側(cè)導(dǎo)洞，開挖土方時(shí)，按照 3.2 m 步距，邊開挖邊架設(shè)工字鋼斜支撐和縱橫梁。挖到北端后，分步制作北側(cè) 750 mm 厚的鋼格柵封堵墻，開挖時(shí)盡量減少對(duì)中間土和上部托梁的擾動(dòng)。

3）架設(shè)斜支撐和縱梁。水平鋼管梁施工完畢并灌漿后，開始在鋼管梁下焊接工字鋼縱梁及斜向支撐。按設(shè)計(jì)要求在托換樁安裝預(yù)埋件，如圖4 所示。架設(shè)斜撐及縱梁：①斜撐間距 3.2 m，采用雙 25 b 工字鋼，與縱梁和托換樁連接牢固；②縱梁采用雙 22 b 工字鋼，縱梁緊貼托梁底部，南北通長(zhǎng)布置。斜向支撐一端與鉆孔灌注樁上預(yù)埋件焊接，另一端與鋼管梁下縱、橫梁焊接牢固。工字鋼斜支撐如圖5～6 所示。

4）分段開挖中間土，架設(shè)橫梁。橫梁采用 22 b 工字鋼，水平方向東西布置，與縱梁焊接牢固。

圖4 斜支撐與托換樁節(jié)點(diǎn)圖（單位：mm）

圖5 工字鋼縱、橫梁和斜支撐體系 1

圖6 工字鋼縱、橫梁和斜支撐體系 2

5）古橋北端封堵。古橋北端采用 750 mm 厚鋼筋混凝土墻加固處理，內(nèi)置鋼格柵，格柵主筋植入托換樁，深度不小于 15 d（d 為鋼筋直徑）；格柵加工如圖7 所示。

圖7 鋼筋格柵加工圖（單位：mm）

封堵施工時(shí)，格柵豎向間距 500 mm，分層進(jìn)行封堵，直至人工挖孔樁開挖工作面為止。

4.4 人工挖孔樁施工工藝

古橋北側(cè)橋下為 750 mm 厚的混凝土墻施工，內(nèi)插鋼格柵，從鋼格柵混凝土墻往南 1 000 mm 為一排人工挖孔樁，共 6 根，樁直徑 800 mm，深度 12.3 m。從古橋鋼管梁下 3.5 m 開始挖，樁與樁中心線距離 1 600 mm。隔樁開挖，即采用跳樁法施工，以防土體產(chǎn)生水平力擠壓相鄰樁，并澆筑混凝土冠梁，張拉第一道錨索。繼續(xù)開挖至第二道錨索，同時(shí)在中板以上 1 m 位置架設(shè)水平剪刀撐一道。開挖至第三道錨索，鎖定后，開挖至基坑底部，施工地下結(jié)構(gòu)部分。

4.4.1 人工挖孔樁施工重點(diǎn)和難點(diǎn)

1）人工挖孔樁施工的難點(diǎn)是對(duì)不明地質(zhì)狀況的處理，對(duì)于地質(zhì)狀況復(fù)雜的情形和樁內(nèi)工作面小，為了安全起見(jiàn)可放慢施工速度。

2）在古橋下開挖人工挖孔樁，空間僅有 3.5 m 高，樁深 12.3 m，無(wú)法吊裝鋼筋籠施工。現(xiàn)場(chǎng)分 4 節(jié)制作，每節(jié)長(zhǎng) 3.1 m，用吊鏈將鋼筋籠放入后，焊接下一節(jié)鋼筋籠，再人工放入。

3）挖出的土方運(yùn)走難度較大，土石從樁內(nèi)吊出后人工轉(zhuǎn)運(yùn)至場(chǎng)區(qū)指定場(chǎng)地。

4）人工挖孔樁樁底標(biāo)高在地下水位以下，層間地下水流入樁內(nèi)難以成孔，可每次下挖 1 m，然后做混凝土護(hù)壁，并摻加速凝劑，同時(shí)將水泵放入樁內(nèi)，及時(shí)抽走樁內(nèi)流入的地下水，以確保安全?？刂迫斯ね诳姿俣群弯撃０宀鹉r(shí)間，根據(jù)土層情況，每天單孔進(jìn)尺不得超過(guò) 1 m。

5）護(hù)壁施工。人工挖孔樁護(hù)壁配筋與護(hù)壁如圖8 所示。

圖8 人工挖孔樁斷面配筋與護(hù)壁圖（單位：mm）

4.4.2 人工挖孔樁施工工藝要點(diǎn)

嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行人工挖孔樁的施工，嚴(yán)禁超挖。北側(cè)護(hù)坡樁采用人工挖孔樁，直徑為 800 mm，護(hù)壁混凝土強(qiáng)度為 C 30 同樁身混凝土強(qiáng)度。挖孔時(shí)第一節(jié)孔圈護(hù)壁應(yīng)高出現(xiàn)場(chǎng)地面 100～200 mm，上下護(hù)壁搭接長(zhǎng)度不得少于 50 mm。為保證護(hù)壁混凝土的整體性，視護(hù)壁土質(zhì)情況，上節(jié)鋼筋進(jìn)入下節(jié)護(hù)壁不得小于150 mm，以免脫節(jié)下沉。澆筑護(hù)壁混凝土?xí)r，用敲擊模板及用木棒插實(shí)方法，不得在樁孔地下水淹沒(méi)模板的情況下澆筑混凝土。當(dāng)?shù)谝还?jié)護(hù)壁混凝土拆模后，即把軸線位置標(biāo)定在護(hù)壁上，并用水準(zhǔn)儀把相對(duì)水平標(biāo)高畫記在第一圈護(hù)壁內(nèi)，作為控制樁孔位置和垂直度及確定樁的深度依據(jù)。施工中要密切注意土層的變化，當(dāng)遇到流砂、大量地下水等影響挖孔樁安全時(shí)，要立即采取有效措施后，才能繼續(xù)施工。終孔時(shí)，必須清理好護(hù)壁污泥和樁底的殘?jiān)s物浮土，清除積水。成孔質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 成孔質(zhì)量允許偏差

1）人工挖孔樁施工中，嚴(yán)禁在坑邊堆放建筑材料，防止動(dòng)載對(duì)土體的震動(dòng)造成原土層內(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。加強(qiáng)對(duì)土方開挖的監(jiān)控。開挖后及時(shí)支護(hù)，不得在上一段護(hù)壁未施工完畢前開挖下一段土方。軟土基坑必須分層均衡開挖，層高不宜超過(guò) 0.5 m。

2）加強(qiáng)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)［4］。甲方請(qǐng)有資質(zhì)的第三方監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)古橋板沉降和基坑北側(cè)灌注樁進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)項(xiàng)目部?jī)?nèi)部也加強(qiáng)自測(cè)，確保古橋石板下沉量≤30 mm。

3）加強(qiáng)對(duì)地表水的控制。減少地表水滲入坑壁土體，基坑頂部四周應(yīng)用混凝土封閉，施工現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)應(yīng)設(shè)地表排水系統(tǒng)，對(duì)雨水、施工用水進(jìn)行有組織排放。對(duì)采用支護(hù)結(jié)構(gòu)的坑壁應(yīng)設(shè)置泄水孔，泄水孔外傾坡度不宜小于 5 %，間距宜為 2～3 m，并宜按梅花形布置。

4.5 剪刀撐施工方案

為了防止灌注樁底部受到較大的水平荷載，在古橋下土方開挖至第二道錨索以下、地下 3 層頂板以上1 000 mm 處，設(shè)一道水平剪刀撐，起到拉結(jié)作用。剪刀撐采用 22 b 工字鋼，隔樁布置，剪刀撐與托換樁連接牢固，焊縫高度不小于 6 mm，如圖9 所示。

圖9 地下 3 層頂板上 1 000 mm 架設(shè)水平剪刀撐

4.6 托換結(jié)構(gòu)拆除施工方案

待古橋下地下 1 層頂板施工完畢，可用 C 20 混凝土填充地下 1 層頂板與鋼管梁之間空隙，將古橋荷載由托換結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換到地下 1 層頂板承受后，方可將托換樁進(jìn)行拆除（托換梁可以保留）。施工順序?yàn)橄炔鸪袚Q體系鋼結(jié)構(gòu)，再切斷托換梁和托換樁之間的連接，然后拆除冠梁，并分段拆除托換樁，鋼管梁不拆除。

5 結(jié) 語(yǔ)

在當(dāng)今深基坑開挖過(guò)程中，文物需要保護(hù)，這對(duì)施工單位提出了更高的要求，古橋“架立”與“托換”技術(shù)的成功應(yīng)用，既符合文物保護(hù)的要求，又對(duì)施工過(guò)程中遇到問(wèn)題進(jìn)行了一次有益的探索和嘗試，具有較好的指導(dǎo)作用和社會(huì)意義，還為類似工程施工積累了經(jīng)驗(yàn)，值得進(jìn)一步推廣。