深圳市東部過境高速公路高架橋樁基托換工程設(shè)計

陳福斌

（深圳市交通公用設(shè)施建設(shè)中心，廣東 深圳 518000）

1 工程概況

深圳市東部過境高速公路連接線工程（以下簡稱連接線）西起愛國路立交，東接東部過境高速公路主線隧道。連接線隧道下穿愛國路立交時，需下穿愛國路高架西側(cè)3 號墩和東側(cè)5 號墩。為不中斷愛國路高架交通，地道穿越橋梁基礎(chǔ)采用橋墩基礎(chǔ)托換的設(shè)計、施工方案。

托換處愛國路高架的橋梁布置如圖1 所示。

圖1 托換處橋梁布置圖（單位：mm）

2 樁基托換方案

該工程托換結(jié)構(gòu)采用全預應(yīng)力混凝土托換承臺的受力體系。在托換承臺兩側(cè)各布置直徑為1.8 m的灌注樁（要求樁底注漿），并對現(xiàn)有承臺進行接長、加寬、加厚處理，新托換承臺支承于兩側(cè)新建的樁基上，并通過在樁帽上頂升千斤頂來控制既有老橋上部結(jié)構(gòu)的變形，待結(jié)構(gòu)預應(yīng)力張拉后，鋸除老橋樁基礎(chǔ)，并利用千斤頂控制托換承臺高程，穩(wěn)定后澆注樁頂混凝土，完成老橋基礎(chǔ)托換，如圖2 所示[1-2]。

圖2 西3 橋墩基礎(chǔ)托換橫斷面圖（單位：mm）

預應(yīng)力混凝土托換梁的跨度為25.1 m，橫截面尺寸：25.1 m（長）× 7.85 m(寬)×4.5 m（高）。為保證既有橋梁結(jié)構(gòu)與托換梁之間的可靠連接和整體性，增強新舊結(jié)構(gòu)之間的抗剪能力，托換梁和既有承臺采用植筋連接并對既有承臺表面和留在托換梁的既有樁表面進行界面處理。

在托換樁樁頂設(shè)置長7.85 m、寬2.8 m、高2.5 m的樁帽作為頂升平臺，頂升平臺與托換梁底面之間預留100 cm 的頂升空間。為將基礎(chǔ)托換后橋墩及上部結(jié)構(gòu)位移控制在允許范圍內(nèi)，在托換梁與托換樁之間設(shè)置千斤頂，利用千斤頂頂升使上部結(jié)構(gòu)有微量位移，同時給新樁反壓，以補償部分沉降。

通過頂升及托換梁預應(yīng)力張拉將被托換樁荷載轉(zhuǎn)移到托換樁梁承力體系，觀測變形穩(wěn)定后，采用鏈鋸切割法進行截樁，以安全為首要目的，同時達到無震動、低噪音、無粉塵污染等環(huán)保要求。

托換梁預應(yīng)力張拉、截樁，以及最后頂升完成后，預留空間采用微膨脹混凝土灌注填充，使托換梁和樁帽形成剛性連接。

為確保橋梁結(jié)構(gòu)及周邊既有建(構(gòu))筑物的安全及正常使用，必須在整個托換過程中進行監(jiān)控量測。同時根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果指導后續(xù)工序。

3 托換施工流程

（1）開挖施工托換承臺基坑的支護結(jié)構(gòu)——托換基礎(chǔ)的基坑；（2）施工托換樁和樁帽；（3）在老承臺表面開槽口、表面處理并進行側(cè)面植筋，定位承臺的鋼筋和鋼束；安裝樁帽上鋼墊塊、千斤頂；澆注托換承臺；（4）布設(shè)上部梁體、托換承臺沉降監(jiān)測系統(tǒng)；張拉托換承臺內(nèi)預應(yīng)力鋼束；托換承臺脫模；（5）根據(jù)施工監(jiān)控指令，第一次頂升托換承臺（使老樁基完全卸載），鋼墊塊鎖定；（6）切除老承臺樁基，根據(jù)施工監(jiān)控指令，第二次頂升托換承臺，到達預定位移量，鋼墊塊鎖定；（7）拆除千斤頂，焊接托換承臺與樁帽之間的鋼筋；澆注樁、梁結(jié)合現(xiàn)澆段，形成托換樁與梁的固結(jié)節(jié)點；（8）根據(jù)監(jiān)控情況，若托換基礎(chǔ)尚有一定的工后沉降，輔助支墩頂升上部梁體至指定標高，并在支座鎖定；（9）基坑回填；持續(xù)沉降、應(yīng)力監(jiān)測；托換處上部梁體外觀檢修；（10）托換施工完畢。

4 托換基坑設(shè)計施工

施工托換梁及梁下樁帽時，需進行基坑開挖，樁帽范圍坑深8 m，其余位置深5 m。開挖采用樁帽范圍坑深8 m，其余位置深8 m?；硬捎弥睆綖?00 mm鉆孔灌注樁@1 000+高壓旋噴止水，如圖3 所示。

圖3 西3 橋墩基礎(chǔ)托換基坑橫斷面（單位：mm）

由于托換梁下方將新建隧道結(jié)構(gòu)，因此在進行托換基礎(chǔ)設(shè)計時應(yīng)同時考慮托換基礎(chǔ)范圍各構(gòu)件的施工工序問題。設(shè)計中提出，托換梁水平投影范圍甚至工作面一定范圍內(nèi)的隧道基坑支護樁需在施工托換梁施工之前施工，隧道采用直徑為1 200 mm 鉆孔灌注樁@1 400+高壓旋噴止水。

5 托換樁、梁體系計算分析

5.1 計算模型

用有限元軟件模擬托換樁、梁施工及運營全過程的受力及體系轉(zhuǎn)換，計算分6 個階段，計算模型如圖4（最后階段）所示。

圖4 西3 橋墩基礎(chǔ)托換樁、梁模型示意圖

（1）階段1：施工新樁，支架上澆注轉(zhuǎn)換梁；

（2）階段2：張拉鋼束；

（3）階段3：千斤頂頂升，兩端千斤頂受載；

（4）階段4：鋸斷老樁，荷載轉(zhuǎn)換；

（5）階段 5：樁梁連接；

（6）階段6：上部恢復運營。

5.2 反力情況

預應(yīng)力張拉完畢階段的支點反力見表1。

表1 預應(yīng)力張拉完畢支點反力 單位：kN

由表1 可見，預應(yīng)力張拉完畢后，托換樁樁頂反力即為千斤頂頂升控制值。千斤頂頂升到位后，老樁樁頂反力接近0，老樁基本完成卸載，此時即可截除老樁。

5.3 變形情況

計算變形：西3 承臺對應(yīng)位置的梁底變形應(yīng)包含樁底沉渣引起的變形、樁身變形、托換梁體變形及墩柱變形。樁底沉渣引起的變形通過抽心檢查及后期注漿予以消除，墩柱變形已經(jīng)基本完成，因此計算中只考慮樁身變形和托換梁體的變形。

根據(jù)計算，托換梁對應(yīng)墩柱位置在地面道路及橋面同時運營的狀態(tài)下，托換梁跨中的最終變形——收縮徐變?yōu)? mm。

為補償今后期沉降及施工過程中不可預見的變形，在樁梁連接前采用千斤頂預頂措施，使托換梁跨中預頂值達到1 mm。

監(jiān)測結(jié)果顯示：托換完成后，上部結(jié)構(gòu)在墩頂處的變形量小于1 mm。整個托換過程監(jiān)測結(jié)果均表明，既有橋梁及托換結(jié)構(gòu)的受力、變形計算理論值與實測值吻合程度較高，托換設(shè)計、施工有效。

6 新舊結(jié)構(gòu)連接計算分析[3-5]

6.1 托換承臺結(jié)合面抗沖切計算

托換新老結(jié)合面抗沖切計算按《公路鋼筋混凝土及預應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62—2004）計算。

（1）最小沖切面要求：

式中：γ0為橋梁結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；Fld為集中反力設(shè)計值，kN；βh為界面高度尺寸系數(shù)；ftd為混凝土收拉設(shè)計值，MPa；Um為破壞錐體截面周長，m；h0為有效高度，mm。

（2）配筋承載力要求：

式中：γ0為橋梁結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；Fld為集中反力設(shè)計值，kN；βh為界面高度尺寸系數(shù)；ftd為混凝土收拉設(shè)計值，MPa；Um為破壞錐體截面周長，m；h0為有效高度，mm；σpc，m為混凝土有效應(yīng)力，MPa；fsv為箍筋抗拉設(shè)計強度，MPa；Asvu為箍筋截面面積，mm2。

6.2 托換承臺斜截面抗剪承載能力計算

托換承臺的斜截面抗剪承載力計算按照《公路鋼筋混凝土及預應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62—2004）第8.5.4 條計算，同時可按5.2.7 條復核。

（1）承臺斜界面抗剪承載力

式中：γ0為橋梁結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；Vd為剪力設(shè)計值，kN；P 為縱向鋼筋配筋率；fcu，k為混凝土抗壓強度標準值，MPa；bs為截面寬度，mm；h0為有效高度，mm。

（2）受彎構(gòu)件斜界面抗剪承載力

式中：γ0為橋梁結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；Vd為剪力設(shè)計值，kN；P 為縱向鋼筋配筋率；fcu，k為混凝土抗壓強度標準值，MPa；bs為截面寬度，mm；h0為有效高度，mm；Vcs為混凝土箍筋共同承擔剪力設(shè)計值，kN；Vsb為彎起鋼筋剪力設(shè)計值，kN；Vpb為預應(yīng)力剪力設(shè)計值，kN；α1為異號彎矩影響系數(shù)；α2為預應(yīng)力提高系數(shù)；α3為受壓翼緣影響系數(shù)；ρsv為箍筋配筋率；fsv為箍筋抗拉設(shè)計強度，MPa；fsd為普通鋼筋抗拉設(shè)計強度，MPa；Asb為箍筋截面積，mm2；θs為彎起鋼筋與水平夾角，rad；fspdd為彎起預應(yīng)力設(shè)計強度，MPa；Aspdd為彎起預應(yīng)力面積，mm2；θp為預應(yīng)力鋼筋與水平夾角，rad。

經(jīng)驗算，新老界面接觸面滿足抗沖切及抗剪承載力要求。同時為了保證新舊混凝土結(jié)構(gòu)更好地共同協(xié)調(diào)作用，新舊混凝土界面要求處理：將舊混凝土表面鑿毛，清理表面，去除混凝土碎塊、浮屑，并用清水洗凈。舊承臺4 個側(cè)面應(yīng)分別植入直徑為22 mm的HRB400 鋼筋連接新舊結(jié)構(gòu)。

7 施工措施

在橋墩托換施工過程中，為防止老承臺基礎(chǔ)沉降對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，根據(jù)實際施工監(jiān)控情況，可設(shè)置上部結(jié)構(gòu)的輔助支墩，如圖5 所示。臨時支墩為應(yīng)急措施，根據(jù)實際托換頂升情況確定是否設(shè)置。若托換基礎(chǔ)尚有一定的工后沉降或施工誤差，則上部梁體通過輔助支墩頂升至指定標高，并調(diào)整、固定支座的高度（正式施工前應(yīng)檢查測量老橋現(xiàn)狀情況）。

圖5 輔助支墩布置示意圖（單位：mm）

8 監(jiān)控量測

監(jiān)控量測是托換工程的重點，貫穿整個施工過程，通過監(jiān)控量測的結(jié)果動態(tài)反饋設(shè)計。監(jiān)測主要內(nèi)容包括：基準量測，基坑開挖對應(yīng)的各項目監(jiān)測，托換過程中橋梁上部結(jié)構(gòu)、被托換樁、托換梁、托換樁等構(gòu)件的內(nèi)力及變形監(jiān)測。

樁基托換監(jiān)測點布置如圖6 所示。監(jiān)測結(jié)果顯示：西3、東5 橋墩基礎(chǔ)托換過程中，基坑周邊位移、既有橋梁及托換結(jié)構(gòu)的受力及變形均符合相關(guān)規(guī)范要求，托換取得圓滿成功。

圖6 樁基托換監(jiān)測點布置圖

8.1 頂升期間

在頂升期間共進行了10 次監(jiān)測，頂升一級監(jiān)測一次，當頂升力達到設(shè)計頂升力的107%時，橋墩出現(xiàn)上抬的趨勢：

（1）橋墩上變化最大的監(jiān)測點 X3-2 上抬了+0.3 mm，承臺上布設(shè)了6 個沉降監(jiān)測點（具體點位見布點圖），變化最大的監(jiān)測點G2 上抬了+0.3 mm；沉降均勻，無傾斜發(fā)生。

（2）托換橋墩的西側(cè)二號橋整聯(lián)（跨中及墩頂）共布設(shè)23 個監(jiān)測點，監(jiān)測橋墩在托換期間橋梁的變形，在頂升期間，橋梁及橋墩監(jiān)測點變化最大的點是監(jiān)測點TH10，X 方向位移了0.6 mm，Y 方向位移了0.5 mm，Z 方向上升了0.3 mm。其它點無明顯變化。

（3）承臺與新樁之間布設(shè)了8 個電子位移計（百分表），變化最大的是D1 號百分表，數(shù)據(jù)變小了0.35 mm，即承臺底部上升了0.35 mm。

（4）新建承臺及新樁受力無明顯變化。

8.2 破樁期間

在破除舊樁表皮期間，每2 h 監(jiān)測一次，隨著破除舊樁的直徑越來越小，監(jiān)測頻率調(diào)整為1 h 一次。在監(jiān)測期間，數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，無明顯變化。

8.3 斷樁期間

截斷舊樁及鋼筋期間，監(jiān)測頻率調(diào)整為30 min一次。舊樁截斷后各監(jiān)測項目變形情況：

（1）橋墩上變化最大的監(jiān)測點 X3-2 下降了0.3 mm，承臺上沉降監(jiān)測點，變化最大的監(jiān)測點G5下降了0.3 mm；與初始值比較，未發(fā)生變化。沉降均勻，無傾斜發(fā)生。

（2）橋梁及橋墩監(jiān)測點變化最大的點是監(jiān)測點TH11，X 方向位移了 0.5 mm，Y 方向位移了 0.3 mm，Z 方向下降了0.3 mm。其它點無明顯變化。

（3）承臺與新樁之間布設(shè)了8 個電子位移計（百分表），變化最大的是D1 號百分表，數(shù)據(jù)增大了0.31 mm，即下降了0.31 mm。與承臺頂部的變形數(shù)據(jù)吻合。

（4）新建承臺及新樁受力無明顯變化。

8.4 千斤頂卸掉期間

千斤頂二次頂升，然后在樁帽縫隙中塞入鋼板，在頂升中：

（1）橋墩上變化最大的監(jiān)測點 X3-1 上升了1.0 mm，承臺上沉降監(jiān)測點，變化最大的監(jiān)測點G6上升了0.9 mm；沉降均勻，無傾斜發(fā)生。

（2）橋梁及橋墩監(jiān)測點變化最大的點是監(jiān)測點TH10，X 方向位移了 0.7 mm，Y 方向位移了 0.7 mm，Z 方向上升了1.1 mm。

（3）承臺與新樁之間布設(shè)了8 個電子位移計（百分表），變化最大的是D8 號百分表，數(shù)據(jù)減小了1.15 mm，即上升了1.15 mm。

（4）新建承臺及新樁受力變化最大的是“4298”號鋼筋應(yīng)力計，變化了10.45 kN。

千斤頂卸掉后，繼續(xù)對其進行監(jiān)測：

（1）橋墩上變化最大的監(jiān)測點 X3-2 下降了0.9 mm，承臺上沉降監(jiān)測點，變化最大的監(jiān)測點G1下降了0.8 mm；沉降均勻，無傾斜發(fā)生。

（2）橋梁及橋墩監(jiān)測點變化最大的點是監(jiān)測點TH10，X 方向位移了 0.5 mm，Y 方向位移了 0.2 mm，Z 方向下降了0.6 mm。

（3）承臺與新樁之間布設(shè)了8 個電子位移計（百分表），變化最大的是D2 號百分表，數(shù)據(jù)增大了1.08 mm，即沉降了1.08 mm。

（4）新建承臺及新樁受力變化最大的是“4116”號鋼筋應(yīng)力計，變化了9.41 kN。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，西3 號橋墩托換從頂升到千斤頂卸掉，最終數(shù)據(jù)穩(wěn)定，和初始值相比，無明顯變化。

結(jié)論：鋼墊片從鎖死到卸掉千斤頂后，一直是每小時監(jiān)測一次，沒有位移變化；與頂升前的初始讀數(shù)對比：托梁、墩柱、箱梁最大位移為：上升0.2 mm。

9 結(jié) 語

西3、東5 橋墩樁基礎(chǔ)采用樁梁托換體系。通過預應(yīng)力張拉和千斤頂頂升，將被托換樁荷載轉(zhuǎn)移到托換樁上，同時將橋墩和上部結(jié)構(gòu)變形控制在允許范圍內(nèi)的思路是正確的；

托換梁和既有承臺采用植筋連接，并對新舊結(jié)構(gòu)面進行界面處理。這樣，可保證既有橋梁結(jié)構(gòu)與托換梁之間的可靠連接和整體性，增強新舊結(jié)構(gòu)之間的抗剪能力；

為確保橋梁結(jié)構(gòu)及周邊既有建(構(gòu))筑物的安全及正常使用，必須在整個托換過程中進行監(jiān)控量測，同時根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果指導后續(xù)工序施工。