深圳地鐵3號線廣深鐵路橋樁基托換技術

陳安生,吳 義

(1.湖南交通工程職業技術學院,衡陽 421001； 2.深圳廣鐵土木工程有限公司,深圳 518000)

1 工程概況

1.1 位置概況

深圳地鐵3號線紅嶺站—老街站區間隧道在和平路與解放路交匯處穿過廣深鐵路既有線橋基。該鐵路高架橋為四線橋,需要對18-1號～18-4號共計4個橋墩的基礎進行托換。平面位置如圖1所示。

圖1 工程平面位置

1.2 高架橋與重疊隧道概況

高架橋基礎為四樁承臺,其中1～3號鐵路線的18-1～18-3號各橋墩基礎為4根φ550 mm的打入式預制管樁,樁頂承臺厚度2 m,樁尖埋置深度18.357～20.027 m,樁端為砂性黏土； 4號鐵路線的18-4號橋墩基礎為φ800 mm的鉆孔灌注摩擦樁,樁頂承臺高1.5 m,為連續剛構的主墩。該處區間隧道為盾構施工的上下重疊隧道,下層隧道埋深約25 m,上下隧道凈距最小為1.60 m。如圖2、圖3所示。

圖2 托換體系平面示意

圖3 托換體系橫向剖面示意(A-A剖面)(單位：mm)

1.3 地質和水文概況

托換場地為第四系地層,自上而下依次為全新統人工堆積層(含素填土、粉質黏土、中砂、圓礫、碎石等)、海沖積層(依次為淤泥質粉土、黏土、粉砂、中砂、粗砂、礫砂、圓礫等)、下伏花崗片麻巖及花崗巖,按風化程度分為全風化、強風化、中等風化和微風化等4個風化帶。

樁基托換工程點距布吉河100～130 m,地下水位高(埋深為2.4～6.5 m)且水量豐富,滲透性強,滲透系數最大為30 m/d。場地主要含水層自上而下的埋藏形式為：第四系海沖積細中砂層、礫砂層等松散土層孔隙水,主要由大氣降水和鄰近河水補給；賦存于基巖裂隙水,含水量相對較少,透水性相對較弱。

2 工程特點與托換方案

2.1 工程特點

根據工程所處的地理位置、地質與水文條件、結構設計、工程規模、結合施工工藝及施工經驗分析,本工程具有以下主要特點。

(1)工程所處地層構造復雜,地下水位高且含量豐富,尤其深入地下約25 m的托換樁深度范圍內分布有較大厚度的礫砂層,滲透性強,地下水力聯系緊密,對工程施工尤其對托換樁和截樁的施工帶來很大難度。

(2)本工程托換的鐵路橋樁基,為φ550 mm預制管樁和φ800 mm鉆孔灌注摩擦樁,上部3座橋梁為不同時期修建,結構均是低高度的部分預應力混凝土連續梁,對墩頂豎向位移特別敏感,警戒值為5 mm,變形稍大必將影響到整聯連續梁。

(3)鐵路高架橋上列車行車時將會產生很大的振動荷載,在不中斷、不影響列車正常運營的條件下,必須保證橋梁結構在其基礎施工時不產生破壞性變形,同時要防止施工過程中列車振動荷載影響托換梁與被托換樁承臺粘結面混凝土的整體性。

2.2 托換方案

(1)采用主動托換方案

根據工程地質條件、結構狀況、使用環境要求分析,決定采用主動托換方案。在每個橋墩承臺底設置一條托換梁固結在隧道兩側新設樁的樁頂,新樁與托換梁在固結前采取主動托換技術進行荷載轉移。其基本原理是：在托換梁與新設樁之間設置千斤頂加載,使上部結構有微量頂升位移,同時使新樁的大部分位移通過頂升的預壓來完成,從而通過主動加載實現將作用在原結構舊樁上的荷載經托換梁轉移到新樁。

(2)設置臨時鋼支架

為防止鐵路高架橋上列車行車時產生的振動荷載影響托換梁與被托換樁上承臺粘結面間的混凝土結硬過程中的整體性,并保證施工過程中不因舊橋墩基礎可能產生的下沉影響上部橋梁的結構安全和運營安全。在基坑開挖及新樁施工前對托換基礎的梁跨在橋墩兩側設置臨時支架進行支撐,并在臨時鋼支架立柱頂部放置特制的D12型鋼縱梁,鐵道鋼軌下穿扣軌橫梁將上部鋼軌架空脫離橋面,扣軌橫梁與縱梁吊扣連接。這樣施工段橋跨線路上列車通過時的大部分動荷載直接由扣軌橫梁承受,再通過鋼縱梁傳至臨時鋼支架上,將線路上的列車動載與橋梁恒載分離。其次,通過設于臨時支架上的千斤頂按照設計頂力加載托起橋梁的上部梁部,將上部梁部荷載轉移至臨時支架。這樣便實現了列車運行動載和上部梁部荷載對既有樁基礎的影響減至最小。如圖4所示。

(3)新樁與托換梁結構

樁基托換充分利用橋下空間,并開挖一約長23.8 m,寬15.6 m、深6.2 m的基坑作為施作空間,基坑支護結構采用2排φ600 mm鉆孔灌注樁+1排φ600 mm旋噴樁,并在坑壁噴射混凝土護壁。因托換的新樁距既有承臺最近不足3.0 m,為確保不影響廣深鐵路的正常運營,確定新樁采用人工挖孔樁,共10根。其中廣深1～3號線每條托換梁(L1～L3)下設樁徑2.0 m的新樁2根,共6根；廣深4號線托換梁(L4)下設樁徑1.5 m的新樁4根。樁長約為22 m,樁身混凝土強度等級C30,持力層為花崗片麻巖。

托換梁設于既有橋梁承臺下方并與既有橋梁承臺固結,采用鋼筋混凝土結構,共4片梁(L1～L4),詳見圖2。大梁混凝土強度等級C40,尺寸分別為：L1～L3的長×寬×高=13.4 m×4.0 m×2.4 m,L4的長×寬×高=13.0 m ×4.8 m×3.0 m。

3 施工工序

樁基托換主要施工工序為：托換基坑圍護結構及止水帷幕旋噴樁施工→臨時鋼支架施工及扣軌→既有橋梁體頂升→新托換樁施工→開挖托換基坑→托換梁施工→千斤頂頂升→托換樁、梁連接→切斷既有樁→拆除扣軌和臨時鋼支架、拔出地鐵隧道盾構影響范圍內的鋼管樁→基坑回填,地面恢復。

4 關鍵施工技術

4.1 線路加固及扣軌施工

本次線路加固主跨縱梁采用在廠家特別加工的D12定型便梁,扣軌時1～3號鐵路線上把3組D12定型便梁連成36 m長的連續梁,4號線上把4組D12定型便梁連成48 m的連續梁。橫梁寬度為0.21 m,兩端通過連接板及牛腿與縱梁定位相連,橫梁上設有若干孔眼,以便于安裝扣件,固定鋼軌。在橫梁底通過節點板設置斜系桿以增強其整體穩定。

(1)臨時鋼支架基礎 采用φ299 mm×8 mm,樁長為27.0 m的微型鋼管樁。為不造成橋墩范圍內地下水的變化,其基礎施工安排在基坑支護及止水帷幕旋噴樁施工完成后進行,并盡量減少對既有高架橋待托換管樁基礎的影響。微型鋼管樁采用XY-200型地質鉆機鉆孔,BW-150型高壓注漿泵注漿,樁頂深入樁頂承臺內400 mm。在樁頂承臺上預埋鋼板和錨栓,為后面鋼管立柱的安裝做好準備。鋼板厚30 mm,預埋錨栓為φ28 mm(4號線上為φ32 mm)。錨栓位置必須準確、牢固,確保澆筑樁頂承臺混凝土時不位移。在后續開挖托換基坑時,由于臨時鋼支架承臺下的鋼管樁基礎也將會暴露,因此必須隨挖隨將各鋼管樁焊連在一起,以增強鋼管排樁的共同受力與穩定性。

(2)鋼立柱的架設 采用支架進行安裝。用吊機起吊構件卸至橋面投影范圍外后,人工移至安裝地點附近,然后在其上方搭設支架、安放橫梁掛起重拉鏈滑車,將其扶直與基礎進行焊接與錨固。

(3)鋼橫梁安裝 按照先安裝橫梁,再安裝縱梁的施工工藝進行。為節省橫梁安裝時間,預先準確定出橫梁位置,將與橫梁位置有沖突的軌枕位置進行調整。在確保橫梁能穿進的條件下盡量減少扒開道砟的數量,以減少對既有線路的擾動,為利于縱梁安裝,確定橫梁擺放位置與高程準確無誤后,用定位角鋼將橫梁定位,再安裝橡膠墊及橫梁與鐵軌連接扣件,通過墊片來調整鋼軌的高程；并在橫梁頂與鋼軌底之間墊上木楔調整線路方向、高程,以防軌枕下沉時及時調整、搗固線路。

(4)D12型鋼縱梁安裝 在臨時鋼支架立柱頂部安裝特殊加工的可以連續的D12型鋼縱梁,縱梁最大長度48 m,質量達21 t。為解決對位問題,將其分成兩節拼裝,并在鋼立柱上焊接鋼筋幫助對位。縱梁就位后,與鋼立柱件采用焊接連接,防止縱梁在回填道砟搗固、列車側向推力下產生偏移。

(5)縱橫梁聯結 D12型梁縱橫梁聯結采用固定的配件,由于斜桿安裝在橫梁底,扣軌時無法安裝,可考慮清除道砟后安裝,增強橫梁的整體性；在橫梁各鋼軌之間安設絕緣墊板,并插打薄木夾,確保軌頂高程與扣軌前一致,并每隔2.0 m設置一道軌距桿。

4.2 既有承臺植筋

因鐵路高架橋原樁基礎為φ550 mm預制管樁和φ800 mm鉆孔灌注摩擦樁。根據預應力管樁的特點,不能對其進行植筋處理,故只能在承臺下部進行植筋。為加強既有承臺與托換梁間的連接,另在承臺兩側植筋并新澆300 mm厚鋼筋混凝土加強拉結層。如圖5、圖6所示。承臺植筋要求如下。

(1)施工時將管樁與托換梁的接觸面的雜物清除,用清水和鋼絲刷洗刷干凈,并且鑿毛處理,以利于托換梁和舊樁之間的結合。

(2)設計植筋規格為φ25 mm鋼筋,長度500 mm,錨入承臺內250 mm, 植筋步驟為：①植筋前須仔細鑿除既有樁承臺底混凝土表面的水泥砂漿和松弱層；②在承臺下用電動沖擊鉆孔機鉆孔至設計深度,并注意避開承臺鋼筋,鉆孔均向同一方向布置；③用空壓機的風管對準鉆孔將殘留的灰塵吹出；④用尺寸比鉆孔直徑稍大一點的鋼絲刷對鉆孔進行清刷；⑤用空壓機風管進行二次吹灰；⑥帶水進行二次清刷；⑦用吸水強的干布,將孔內水分吸干；⑧將錨固劑塞入孔中,將已除銹、干凈無油污的鋼筋塞入孔中,并將孔口錨固劑抹平。

圖5 既有承臺植筋構造(單位：mm)

圖6 既有承臺四周新澆混凝土配筋(單位：mm)

4.3 樁基主動托換頂升

(1)頂升準備 本工程托換樁頂升加載系統包括千斤頂和鋼支墊等。如圖7～圖9所示。每個樁頂橫梁上各放置2臺YSD500t的千斤頂,而鋼支墊則是由“矮鋼支墩+各種厚度的鋼板+特制的螺絲端桿鋼支墊”組成。它一方面可隨著千斤頂的頂升同步上升或作升降微調,當千斤頂出現回油或故障時,能起臨時支承作用；另一方面托換荷載轉換完成后,便于千斤頂的置換取出,能起到永久支承作用。在澆筑托換樁頂橫梁及托換梁前,分別在橫梁頂面、托換梁底面放置千斤頂和鋼支墊部位各預埋20 mm厚鋼板并預先通過鋼筋連接錨固在梁內鋼筋上,定位牢固并確保鋼板面平整。樁頂橫梁及托換梁施工完畢且達到設計強度后,即可進行頂升加載準備。施工時首先測量復核各千斤頂和鋼支墊、千斤頂的頂面和底面高程。將千斤頂調節到與上下鋼板密貼的高度。本工程樁頂橫梁與托換梁之間垂直距離為650 mm,支墊設計高度為640 mm,剩余的10 mm空間和頂升位移一起通過支墊上的螺絲端桿上的螺母進行調整。安裝時務必保持千斤頂、支墊的頂升力與水平托換大梁垂直,與樁基的軸線一致。

圖7 樁基托換頂升剖面示意(單位：mm)

圖8 1～3號鐵路線18-1～18-3號橋樁基托換頂升構造(B-B剖面)(單位：mm)

圖9 4號鐵路線18-4號橋樁基托換頂升構造(C-C剖面)(單位：mm)

(2)頂升托換

將舊樁上的荷載安全地轉移到托換新樁上,是樁基托換成功的關鍵。本工程根據設計要求的最大頂升力分別為6 973 kN(廣深1～3號線橋墩)和7 643 kN(廣深4號線橋墩),施工前對實際軸力進行測試驗證。分12級逐步施加頂升力,前80%的荷載按8級進行加載,每級遞進10%；后20%的荷載按4級進行加載,每級遞進5%。為保證梁體的平衡穩步上升,前8級的每一級加載在2 min內完成,持荷時間為15 min,具體施加時間及持續時間須結合現場量測,以新樁的沉降速度(≤0.01 mm/min)為控制標準；后4級加載通過2個方面來進行控制：一是每級加載的持荷的時間增至30 min以上；二是新樁的沉降速率≤0.01 mm/min。每個樁帽的2個千斤頂由一個油泵控制,即2臺油泵分別控制4臺千斤頂實施統一操作,同步頂升。千斤頂頂升的高度可以通過螺絲端桿上螺母旋轉上升或下降的多少和精密水準儀觀測來進行雙控。當千斤頂頂升到所需要的荷載后,并且監測到橋梁和托換樁基礎的沉降達到一定的穩定甚至不再沉降時,即將油泵鎖死,將螺絲端桿上的螺母旋轉到位,使鋼支墊頂緊托換梁底。支墊全部頂到位后,再用粗鋼筋將預埋鋼板與支墊底板臨時焊在一起,將支墊固定在樁帽上,防止作業時支墊發生位移。這時方可啟動油泵,使千斤頂回程復位,撤消千斤頂。最后連接托換樁頂橫梁以及托換梁之間的鋼筋,澆筑樁梁間混凝土,而位于樁梁之間的鋼支墊則不再取出。

(3)頂升監測 對托換梁進行頂升過程中,隨著千斤頂活塞的推出,各部分變形、受力的順序是個復雜的過程,為保證“主動托換”的效果,在頂升過程中,千斤頂頂力與所有結構的應變監測是確保托換成功的關鍵,頂升托換梁時,必須以設計頂力作為最基本的參考依據,確定每個千斤頂允許壓力限值,將頂升力控制在允許范圍內。以墩柱頂部位移與管樁的應力變形作為關鍵控制對象。被托換橋墩底上抬量大于2 mm或最大裂縫寬度大于0.15 mm時應停止加載,并同時檢測結構應力。在每級頂升過程中,監控頂升產生的同步差值,并在下一級及時調整,使每一級頂升差值控制在允許范圍內,防止差值積累超限,實現同步均衡頂升。

4.4 切斷舊樁

為避免隧道開挖施工過程中對既有樁產生附加力進而影響上部高架橋結構,防止既有樁對地鐵襯砌結構的影響，以及降低地鐵運行時的振動躁聲,樁、梁結構主動托換完成、樁帽與托換梁之間的剛性固結完成并達到強度承受所有荷載,全面觀測沉降穩定后,應將橋墩舊基礎樁和臨時鋼支架下地鐵隧道盾構影響范圍內的鋼管樁徹底清除。

圖10 截斷舊樁基坑施工作業面示意

截樁前需對原樁、承臺、托換梁、新樁等的沉降和位移進行全方位監測,各測點全面進行一次初始讀數,為施工過程中隨時掌握變形發展趨勢作指導,做到信息化施工。截樁使用無振動的切割機,舊樁截斷工藝是：待托換梁施工完成后,直徑為550 mm及800 mm的原橋樁分別采用內徑為1.20 m、1.50 m的挖孔形成截樁作業操作面,如圖10所示。挖孔護壁采用直徑12 mm的玻璃纖維筋,樁的截除位置在梁底以下500 mm處,先用紅油漆沿樁周劃出一圈水平的切割線,每個承臺下截樁作業分二批每批2個樁,按點對稱程序進行。先沿樁周開一條深100 mm、寬200 mm的斷口,在此過程中鋼筋不斷,同時觀測各個測點的位移、沉降變化情況。如果托換梁的最大下沉量大于2 mm,則通過千斤頂加載調整橋墩柱頂與高架橋之間的支座,控制其沉降值滿足要求。每一次切割深度為不超過100 mm,由外向內、層層剝離,將樁身混凝土全部鑿除后再截樁身鋼筋。

截樁完成后,拔除臨時鋼支架下地鐵隧道盾構影響范圍內的鋼管樁,用C10的混凝土回填,恢復路面。

5 施工監測

根據設計施工圖的技術要求,施工技術人員對既有鐵路橋的結構特點和樁基托換的各項技術參數進行了充分論證,在托換前根據工況并考慮各種初始因素,對結構進行變形、荷載計算模型分析。

在施工過程中,根據高架橋結構特點、工程地質條件及主要表現元等因素綜合考慮布點,由監測單位對橋梁既有狀態及各施工工況下的墩臺豎向和水平位移值、托換結構的應變增量和位移,托換大梁撓度和新樁沉降進行了全過程嚴密監測,結果表明各項實際變形值遠小于設定的預警值,證明托換結構是穩定的。

6 結語

樁基托換是一種較為新穎的力系轉換施工方法。在鐵路運營干線上不中斷行車,橋上列車正常運行的條件下按施工方案進行本鐵路高架橋樁基托換,取得了成功。但在既有鐵路線上進行高架橋樁基托換,涉及的施工項目較多,施工中存在諸多不確定的影響因素,對技術、工藝要求很高,尚需我們在實踐中進一步總結。

[1] 北京城建設計研究總院.GB50157—2003 地鐵設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結構設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB10203—2002 鐵路橋涵施工規范[S].北京：中國鐵道出版社，2002.

[4] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.5—2005 鐵路橋涵地基與基礎設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[5] 中國建筑科學研究院.JGJ120—99 建筑基坑支護技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，1999.

[6] 中華人民共和國建設部.GB50007—2002 建筑地基基礎設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[7] 秦質樸，呂 剛，蔣小銳.北京地鐵4號線長河白石橋樁基主動托換技術[J].鐵道標準設計，2009(10):97-99.

[8] 劉 浩，郭 平.樁基托換監控量測技術的應用[J].鐵道標準設計，2010(12)：99-102.