公路快速通道下穿高速公路叉口處橋墩立柱托換施工技術(shù)

鐘 猛,胡遠(yuǎn)新,盧趙偉

(浙江省隧道工程集團(tuán)有限公司,浙江 杭州 310030)

隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，在實(shí)際工程中，經(jīng)常會(huì)遇到待建工程需要下穿既有建筑物，或者從其影響范圍內(nèi)下穿的情況。為了保證既有建筑物的安全以及工程保質(zhì)按時(shí)完成，需要采用一種可靠的技術(shù)措施。樁基托換技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)，為城市中工程建設(shè)增加了許多便捷條件[1]。朱小藻[2]以廣州市廣園西路-機(jī)場(chǎng)西路交通改造工程為例，介紹了樁基托換施工技術(shù)及監(jiān)控控制方法。羅鵬程等[3]闡述了在地鐵車站基坑開挖過程中采用沖孔灌注樁+高樁承臺(tái)托換體系對(duì)站內(nèi)既有橋梁樁基進(jìn)行托換的施工技術(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析對(duì)托換效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。趙紀(jì)麗[4]以某地鐵工程為例，闡述了地面深孔注漿加固技術(shù)在下穿橋梁工程中的應(yīng)用。柳宏偉[5]以天馬山天橋工程為例，對(duì)天橋橋梁支架位置承載力要求以及支架施工方法進(jìn)行了分析。采用樁基托換技術(shù)，可以減少工程整體建設(shè)難度，節(jié)約工期，降低工程中原料和能源的消耗，對(duì)綠色施工有重要作用[1]。

1 工程概況

余杭區(qū)東西向快速通道下穿杭徽高速段工程位于浙江省杭州市余杭區(qū)老余杭街道范圍內(nèi)，項(xiàng)目包括地面道路和下穿隧道。主路沿南北走向，經(jīng)過一段地面后，以地道形式連續(xù)下穿荊余路、02省道(杭徽高速)以及蔣家潭河，至圣地路與規(guī)劃杭州中環(huán)接順。主路線全長2.528 5 km(ZK0+000～ZK2+528.5),為雙向六車道布置，隧道暗埋段1 284 m(ZK0+604～ZK1+888)。工程線路示意圖見圖1。

圖1 工程線路示意圖

2 杭徽高速1#匝道橋3#橋墩混凝土立柱托換施工工藝

2.1 1#匝道橋3#混凝土立柱托換施工方案

本段分為左、右線隧道，其中左線隧道與1#匝道橋3#墩平面相擾，需要將3#墩的樁基清除。為確保杭徽高速1#匝道橋正常運(yùn)行，工程擬對(duì)3#橋墩樁基礎(chǔ)進(jìn)行托換，鑿除老承臺(tái),保留混凝土立柱，新建托換基礎(chǔ)(含樁基、承臺(tái)跨隧道結(jié)構(gòu)和支護(hù))，橋墩承載轉(zhuǎn)移到托換基礎(chǔ)上，分離原橋墩樁基、承臺(tái)及少許立柱，其中涉隧部分破除。

2.2 橋墩托換施工流程

本工程橋墩托換施工流程包括以下步驟：1)施工準(zhǔn)備(包括場(chǎng)地交付，原橋檢測(cè)、鑒定、交通管制等)，施工基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，并在老承臺(tái)四周打鋼管樁；2) 設(shè)置臨時(shí)支墩，施工臨時(shí)支墩；3) 施工托換樁基，布設(shè)上部梁體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；4) 臨時(shí)支墩頂升持力，使立柱處于零應(yīng)力狀態(tài)，通過臨時(shí)支墩對(duì)立柱進(jìn)行抱箍；5) 在老承臺(tái)上表面400 mm處切除立柱，鑿除老承臺(tái)及與隧道結(jié)構(gòu)沖突部分樁基，監(jiān)測(cè)校對(duì)，第二次頂升匝道主梁到達(dá)預(yù)定位移量；6) 在設(shè)計(jì)托換承臺(tái)上表面200 mm處對(duì)立柱進(jìn)行水切割，保留立柱主筋，施工托換承臺(tái)；7) 張拉托換承臺(tái)內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束，受力體系轉(zhuǎn)換，托換結(jié)構(gòu)承載；8) 釋放千斤頂，讓托換承臺(tái)及樁基持力，拆除臨時(shí)支墩；9) 下穿隧道開挖，施工下穿主體混凝土箱涵通道；10) 基坑回填，應(yīng)力監(jiān)測(cè)，托換處上部梁體外觀檢修，橋梁檢測(cè)鑒定，托換完成。

2.3 托換承臺(tái)、輔助墩樁基設(shè)計(jì)

2.4 臨時(shí)支墩設(shè)計(jì)

圖2 匝道橋3#橋墩臨時(shí)支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

為確保匝道橋混凝土立柱切割后不發(fā)生左右偏移，本托換施工方案在臨時(shí)支墩鋼管柱上設(shè)置鋼抱箍限位和防墜落支撐體系。鋼抱箍限位包括2只高50 cm的抱箍，內(nèi)襯3 mm厚橡膠墊、M24高強(qiáng)螺栓，下設(shè)千斤頂；防墜落支撐體系，即在兩個(gè)臨時(shí)支墩承臺(tái)上各設(shè)置兩根D500鋼管柱+貝雷片+工字鋼，工字鋼向上托住鋼抱箍，以消除匝道橋混凝土立柱切割后的自重力，并且型鋼左右緊固混凝土立柱，防止混凝土立柱偏移。

2.5 高架橋箱梁頂升

箱梁頂升采用PLC多點(diǎn)同步頂升系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由液壓系統(tǒng)(油泵、油缸等)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成。箱梁頂升工藝流程如圖3所示。箱梁頂升分為初次頂升和二次頂升兩個(gè)階段。箱梁頂升前，根據(jù)支座規(guī)定位置進(jìn)行布置，將支座墊箱與工字梁進(jìn)行點(diǎn)焊連接，并準(zhǔn)備好橡膠支座，支座型號(hào)為50 cm×40 cm×7 cm。所有準(zhǔn)備工作完成后進(jìn)行頂升，按初次頂升力進(jìn)行控制，當(dāng)頂升力達(dá)到要求后，立即安裝橡膠支座，并在橡膠支座下面設(shè)置疊層鋼板，使橡膠支座和箱梁緊密貼合。當(dāng)匝道橋橋墩立柱切割后，臨時(shí)支墩支撐體系會(huì)產(chǎn)生彈性變形，箱梁會(huì)產(chǎn)生微弱下沉，為了使箱梁恢復(fù)到原始標(biāo)高，需要對(duì)箱梁進(jìn)行二次頂升。在箱梁頂升受力轉(zhuǎn)換24 h后，對(duì)箱梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)得箱梁因臨時(shí)支墩支撐體系彈性變形沉降量，依據(jù)結(jié)果采用PLC多點(diǎn)同步頂升法對(duì)箱梁進(jìn)行再次頂升，使之恢復(fù)到原標(biāo)高。箱梁頂升加載流程見表1。

圖3 箱梁頂升工藝流程圖

表1 箱梁頂升加載流程表

2.6 橋墩混凝土立柱切割

在臨時(shí)支墩鋼管柱抱箍限位裝置施工好后，再進(jìn)行匝道橋3#橋墩混凝土立柱切割施工?；炷亮⒅懈畈捎盟蟹?，先在老承臺(tái)上方40 mm處切割，同時(shí)切割混凝土和鋼筋；后在臨時(shí)支墩托換承臺(tái)上方20 mm處切割，切割過程中需保護(hù)混凝土立柱原受力主鋼筋；切割過程利用臨時(shí)支墩對(duì)混凝土立柱進(jìn)行抱箍處理，減小擾動(dòng)，增加其穩(wěn)定性。

匝道橋混凝土立柱切割時(shí)間：臨時(shí)支墩頂升持力，混凝土立柱處于零應(yīng)力狀態(tài);臨時(shí)支墩完全承受荷載并變形穩(wěn)定后，根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)指令，即可進(jìn)行匝道橋混凝土立柱切割工作。

切割后，對(duì)混凝土立柱的垂直度進(jìn)行檢測(cè)，若垂直度偏差則需對(duì)其進(jìn)行微調(diào)，滿足規(guī)范要求，并將托換承臺(tái)鋼筋和混凝土立柱鋼筋進(jìn)行焊接固定，然后再進(jìn)行托換承臺(tái)鋼筋和混凝土施工，最后再切割混凝土立柱端口涂刷界面劑，確保與承臺(tái)有效粘結(jié)。

2.7 托換施工監(jiān)測(cè)

杭徽高速余杭互通1#匝道橋3#橋墩立柱托換施工監(jiān)測(cè)分3個(gè)階段：

第1階段：第1次頂升，當(dāng)單個(gè)千斤頂力為50%設(shè)計(jì)值時(shí)，監(jiān)測(cè)臨時(shí)支墩支撐體系的沉降變化情況。

第2階段：第2次頂升時(shí)(在箱梁橋墩立柱切割后)，監(jiān)測(cè)高架橋箱梁的沉降量，用于指導(dǎo)箱梁的2次頂升，提升臨時(shí)支墩高度，使混凝土箱梁達(dá)到立柱切割前的標(biāo)高。

第3個(gè)階段：托換梁與原立柱混凝土澆筑達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度后，由臨時(shí)支墩支撐體系應(yīng)力轉(zhuǎn)換至托換梁上的監(jiān)測(cè)及后期的穩(wěn)定監(jiān)測(cè)。

臨時(shí)支墩支撐體系監(jiān)測(cè)布點(diǎn)與監(jiān)測(cè)方法同建筑物。箱梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程通過地面固定沉降測(cè)點(diǎn)與箱梁之間的垂距間接計(jì)算可得，垂距可通過手持測(cè)距儀觀測(cè)。

匝道橋墩立柱托換施工過程中應(yīng)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，并實(shí)時(shí)指導(dǎo)，維持箱梁原標(biāo)高；后期穩(wěn)定監(jiān)測(cè)每周測(cè)1次，最后1個(gè)月平均變化速率不超過0.02 mm/d時(shí)停測(cè)，箱梁沉降量累計(jì)報(bào)警值為14 mm。

3 托換施工技術(shù)驗(yàn)算

為了確保杭徽高速余杭互通1#匝道橋3#橋墩混凝土立柱托換方案的安全性和可靠性，下面對(duì)臨時(shí)支墩支撐體系主要組成部分和輔助墩鉆孔灌注樁基礎(chǔ)進(jìn)行驗(yàn)算。

3.1 上橫梁驗(yàn)算

本托換方案計(jì)劃采用8個(gè)100 t千斤頂進(jìn)行頂升，單個(gè)千斤頂受力為808.35 kN；千斤頂下由雙拼I36a工字鋼支撐，工字型下為貝雷梁，中距20 cm，工字鋼長200 cm；按簡支梁承受2個(gè)820 kN集中荷載(按4片貝雷片承受1個(gè)千斤頂，千斤頂位置中間)進(jìn)行計(jì)算。

上橫梁采用雙拼I36a工字鋼并排布置，支承在10片貝雷片上，貝雷片橫向中距20 cm，上橫梁可視作彈性支承在貝雷片上的連續(xù)梁。由于跨徑很小，上橫梁本身應(yīng)力可忽略不計(jì)，只需進(jìn)行上橫梁腹板局部應(yīng)力驗(yàn)算。

上橫梁處承受千斤頂?shù)募泻奢d作用，該位置需要按照《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD 64—2015)第5.3.1條規(guī)定驗(yàn)算腹板的局部應(yīng)力，其計(jì)算公式為

γ0δZ=γ0F/(twlx)≤fd

(1)

式(1)中:lx為有效分布長度，mm;F為局部集中應(yīng)力,MPa；fd為腹板的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；δZ為腹板的正應(yīng)力，kN。在本工程中，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.0，tw=2×10=20 mm，lx=230+2×15.8=261.6 mm，則γ0δZ=1.0×(820×103)/(20×261.6)=156.73 MPa

由式(1)可知，雙拼I36a工字鋼梁組成的上橫梁在千斤頂反力作用下，千斤頂?shù)闹С袑挾热鐬?30 mm，則工字鋼腹板局部應(yīng)力為156.73 MPa，小于Q235受壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度190 MPa。為增加腹板承受力，在千斤頂下方的工字鋼內(nèi)增設(shè)加勁板。

3.2 貝雷片驗(yàn)算

貝雷片設(shè)置單層8排，中間采用150連接框連接成整體，跨徑按12 m計(jì)算，下橫梁作用位置位于梁底肋板正下方，距離跨中位置1.875 m，左右各一處；按千斤頂下傳力及上橫梁自質(zhì)量計(jì)算，單處荷載為p=820 kN+1.3×0.6 kN=820.78 kN。本工程采用Midas Civil分析軟件選取1#橋第一聯(lián)4 m×25 m箱梁的上、下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，經(jīng)過計(jì)算得到貝雷片承受內(nèi)力的彎矩和剪力如圖4～圖5所示。由圖4～圖5可知：貝雷片承受的最大彎矩為3 458.62 kN·m，最大剪力為845 kN。貝雷片的物理力學(xué)性能如表2所示。

表2 貝雷片的物理力學(xué)性能表

由表2可知，單個(gè)千斤頂下單層五排加強(qiáng)型貝雷片承受的內(nèi)力情況如下：

Fmax=845 kN<[F]=698.9+245.2=944.1 kN；
Mmax=3458.62 kN·m<[M]=4809.4 kN·m。

3.3 下橫梁驗(yàn)算

下橫梁采用雙拼I36a工字鋼，承受上部貝雷片下傳力及自重，其下由鋼管柱支撐，鋼管柱頂設(shè)置20 mm鋼板，柱頂單側(cè)設(shè)置2根牛腿(0.5 m×1.0 m)，鋼管柱采用直徑1.0 m，厚度16 mm鋼管。鋼管柱內(nèi)填砂，頂部1 m內(nèi)設(shè)置十字形加勁板，故下橫梁僅傳遞荷載和增加貝雷片橫向穩(wěn)定，剪力和彎矩均無需進(jìn)行驗(yàn)算。

3.4 鋼管柱驗(yàn)算

鋼管柱承受千斤頂下傳力以及上部各構(gòu)件材料的質(zhì)量，千斤頂下穿力按單根鋼管柱1 200 kN計(jì)算。單根鋼管柱上部材料質(zhì)量分別為

上橫梁：2.0 m×1.2 kN/m=2.4 kN

貝雷片：8×12 m×1 kN/m/2=48 kN

下橫梁：2.0 m×1.2 kN/m=2.4 kN

鋼管柱承受荷載P=上部匝道梁荷載+上部材料荷載=1 642+2.4+48+2.4=1 694.8 kN

此處取值P=1 700 kN。

鋼管柱直徑D1=1 000 mm，壁厚直徑D2=2×16 mm，則回轉(zhuǎn)半徑i=(D12+D22)1/2/4=347.94 mm。鋼管最大自由長度L=10 m,則柔度系數(shù)λ=L/i=28.74。

鋼管柱壁截面積A=π×(0.5×0.5-0.484×0.484)=0.049 5 m2

查表可知折減系數(shù)為φ=0.9，則

[P]=φ[σw]A=0.9×188.5×106×0.049 5=8 397.69 kN>1 700 kN，滿足要求。

3.5 輔助墩鉆孔灌注樁基礎(chǔ)驗(yàn)算

輔助墩采用C30鋼筋混凝土灌注樁基礎(chǔ)，直徑為1.0 m，樁頂標(biāo)高為2.47 m，樁底標(biāo)高為-9.53 m，深入中風(fēng)化粉砂巖層2.0 m，長度12.0 m。不考慮雜填土的摩擦力，中風(fēng)化粉砂巖地基極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值取800 kPa，按摩擦端承樁進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)規(guī)定，計(jì)算單樁豎向承載力特征值公式為

(2)

單樁承載力式(2)中，安全系數(shù)K取2.0。根據(jù)本工程勘察資料，各巖層厚度及特性如表3所示。

表3 工程巖層厚度及特性表

因鉆孔灌注樁采用沖擊鉆機(jī)成孔，不考慮樁端土的阻塞效應(yīng)，即λp=1,則單樁設(shè)計(jì)承載力為

0.787 5×800]=

2 497 kN>F=2 350 kN

由上述計(jì)算可知，滿足承載力要求。施工時(shí)應(yīng)按入巖深度和樁底標(biāo)高進(jìn)行雙控，樁底標(biāo)高暫定為-9.53 m，樁端部進(jìn)入中風(fēng)化巖不小于2 m。

3.6 驗(yàn)算結(jié)論

根據(jù)上述驗(yàn)算結(jié)果可知，杭徽高速余杭互通1#匝道橋3#墩承臺(tái)托換臨時(shí)支墩體系各構(gòu)件在托換過程中能夠滿足應(yīng)力應(yīng)變要求，安全可靠[7-9]。

4 結(jié) 論

對(duì)既有建筑物結(jié)構(gòu)托換墩柱或樁基都屬于高難度、高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目，施工單位應(yīng)該與其他各參建單位密切配合，采用Midas Civil 分析軟件建立的模型應(yīng)高度模擬施工過程。本工程橋墩托換在施工過程中要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)整施工方案，項(xiàng)目管理人員要全天候在施工現(xiàn)場(chǎng)組織,及時(shí)協(xié)調(diào),推進(jìn)各項(xiàng)工作的實(shí)施，要針對(duì)已出現(xiàn)或即將出現(xiàn)或可能出現(xiàn)的情況和問題及時(shí)做出反應(yīng)，采取有力措施控制，以保證橋墩托換施工正常、有序、安全地進(jìn)行。