地鐵區間隧道下穿既有橋梁的樁基托換

黃銀釘

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，710043，西安∥工程師）

1 工程背景

西安地鐵1號線三橋站——皂河站區間長度1810.313雙線米，主要采用盾構法施工，位于區間中部的三橋立交東西方向皂河橋五根樁基礎侵入盾構隧道空間，為保證盾構機順利施工通過，須將侵入隧道樁基提前托換并截除。平面相互位置關系見圖1。

1.1 皂河橋道路現狀

（1）上部結構。采用預制30m預應力混凝土箱梁，為機動車道雙向八車道，單幅橋為單向四車道16m寬。

圖1 平面位置關系

（2）下部結構。采用樁柱式橋臺，鉆孔灌注樁基礎，φ1.5m，長35m，為摩擦樁。

（3）荷載情況。城－A級，驗算荷載：掛－120；

（4）交通情況。需要托換位置位于西安市東西向的城市交通主干道上，來往車輛多，交通繁忙。

1.2 皂河現狀

皂河是西安城市污水的排放渠道，雨季作為泄洪通道。河床采用漿砌片石鋪砌，成為開放式排污河道。皂河河床上口寬約25m，底口寬約15m，邊坡比1∶1.5，為梯形斷面型式，漿砌片石防護，設計水深2.72m，設計流量134.8m3／s。皂河實景照片見圖2。

圖2 皂河實景照片

1.3 工程地質及水文地質

樁基托換施工場地主要為第四系松散堆積物，自上而下地層為填土、黃土、中砂、粗砂夾薄層粉質黏土，皂河橋路基部分主要為塊石廢料、建筑垃圾和大型混凝土塊等充填，厚度約3.0～6.0m，最深達8.5m。。隧道拱頂距河床底10m，隧道洞身位于中砂層中。地下水為第四系松散層孔隙潛水，地下水潛水位埋深29.2m，位于區間結構底板下方。

2 樁基托換施工特點

（1）施工場地狹窄。位于三橋立交的橋區，場地范圍內為橋梁、河道、既有道路、管線眾多（3.85m×2.25m排水箱涵）。

（2）地質條件差，施工場地內填土層較厚，最高達到8.5m，多為塊石廢料、建筑垃圾和大型混凝土塊；填土層下方為黃土及砂層，且受皂河水流長期滲透浸泡，地層軟弱，自穩性差。

（3）皂河寬度較小，河床較淺，平常為城市排污渠道，汛期時作為泄洪通道，排水量大。

（4）托換施工將對三橋立交東西向的交通造成一定的影響。

3 樁基托換施工設計方案比選

3.1 明挖基坑托換方案

臨時中斷道路，皂河內修筑臨時圍堰，由地面往下明挖托換基坑，暴露侵入隧道樁基，在基坑內施作托換結構體系，采取主動托換的方式進行荷載轉換，并將侵入隧道的樁基截斷鑿除。方案示意見圖3。

圖3 樁基托換縱剖圖（標高單位：m）

3.2 礦山法隧道洞內托換方案

過皂河段100m區間隧道改為礦山法開挖，暴露侵入隧道樁基，洞內施作托換結構體系，采用被動托換的方式將樁基荷載轉換至隧道環形襯砌托粱上，并將侵入隧道樁基鑿除。方案示意見圖4。

圖4 樁基托換橫剖圖

3.3 豎井橫通道內托換方案

在三橋立交橋區內增設豎井，豎井往橋樁方向開設橫通道，開挖暴露侵入區間隧道樁基，橫通道內施作托換結構體系，采取主動托換方式進行荷載轉換，后將侵入隧道樁基鑿除，橫通道回填密實。方案示意見圖5。

三種托換施工設計方案的比較見表1。經技術、經濟、工期、安全等方面的綜合比較，結合專家審查意見采用明挖基坑托換方案。

4 樁基托換施工設計的主要技術細節

在區間隧道兩側施作兩根托換樁基，通過托換梁將侵入隧道樁基上承擔的荷載轉換至新樁基上，然后將侵入隧道樁基鑿除。托換結構的頂標高位于皂河河床的標高以下，不占用河道空間。換結構平面見圖1，托換結構剖面見圖6。

14＃、17＃、20＃均為單根樁侵入隧道結構，采用一根托換主梁的簡支托換結構，23＃兩根樁侵入隧道結構，采用主次梁組合的簡支托換結構。

4.1 新托換樁基樁位的確定

1）與既有樁基的凈距大于2.5D（樁基直徑）為3.75m；

2）與地鐵區間隧道的凈距大于1m；

3）盡量減少托換梁的長度，盡可能少的占用皂河河道，降低托換梁的高度，控制托換基坑的深度。

圖5 樁基托換橫剖面圖

表1 樁基托換施工設計方案比較表

圖6 托換結構剖面

4.2 托換結構的檢算

對托換樁基、托換主梁、托換次梁等主要結構進行承載能力檢算。以23＃被托換樁基為例進行檢算。采用有限元模型如圖7所示，采用三維荷載－結構模式，將上部荷載施加于橋臺蓋梁上。

有限元分析通過兩階段完成：1）原橋樁受力狀態分析時，鈍化托換主梁、次梁和托換樁單元，根據計算結果提取原橋樁樁頂受力狀態；2）托換結構受力狀態分析時，鈍化原橋樁被截斷部位單元，鈍化整個未被托換橋樁，并在樁梁交界處反向施加上一步提取的樁頂受力狀態，激活托換主梁、次梁和托換樁單元。計算結果見圖8～圖13。

圖7 三維計算機模型

1）荷載基本組合。

圖8 主梁彎矩圖

圖9 次梁彎矩圖

圖10 主梁剪力圖

圖11 次梁剪力圖

2）荷載標準組合。

圖12 主梁彎矩圖

圖13 次梁彎矩圖

4.3 托換梁和被托換樁的連接

托換梁和被托換樁之間抗剪設計主要通過它們相互之間的咬合、界面處理和植筋來實現。首先把被托換樁在與托換梁相接觸部位表面鑿毛，然后進行界面處理，再沿被托換樁周圍鉆孔植埋鋼筋，鋼筋和樁之間的縫隙用植筋膠充填。

4.4 托換梁與托換樁基連接

截樁前托換梁底和托換樁頂均預留接駁鋼筋，待截樁完成后，用擠壓套筒將預留鋼筋連接起來，澆注C30微膨脹混凝土，將承臺和托換梁連成一體。

4.5 樁基托換預頂設計

在托換梁底和承臺頂分別預埋鋼板，當托換梁及承臺達到設計強度后，把千斤頂安放在承臺頂的預埋鋼板上，分級同步加載，同時要求加強對被托換樁、托換梁和橋臺蓋梁、橋面板的監測，直到托換梁、橋梁結構及托換樁基變形穩定后，將千斤頂卸荷至穩壓荷載，不出現異常情況，方可實施截樁。

4.6 被托換樁的破除

截樁后，從地面往下分段（分段長度1m）破樁并施作鋼筋混凝土護壁（厚15cm），破樁深度至盾構隧道底板以下1m，之后挖孔內采用黏土夯實回填。

5 工程施工

施工前應對皂河橋面、箱梁、橋臺蓋梁的既有變形、結構裂縫、破損等情況進行周密調查，以便確定橋梁的沉降控制標準，確保上部結構的正常使用。樁基托換及盾構隧道施工過程中應隨時監測托換上部結構的變形和結構開裂情況，如遇變形和結構開裂趨勢增大，應立即停止施工，采取措施予以控制。

設置監控預警值、警戒值，預警值為極限變形值的70%，警戒值為極限變形值的80%。當變形達到預警值時，應優化施工工藝及調整施工參數；當變形達到警戒值時，應立即停工，研究確定施工方案。

目前，17＃及23＃樁基的托換施工已全部完成，實踐證明是成功的。需提醒三點：一是托換梁與被托換樁基的結合處是托換體系的關鍵節點，此處鋼筋較多，且存在新舊混凝土的結合面，必須保證混凝土澆筑密實，并養護達到設計強度，才能進行預頂工作；二是必須保證被托換樁的荷載可靠轉換到托換結構上后，才能進行截樁工作，避免截樁過程中托換梁突然受力，影響托換體系的穩定；三是預頂過程中，須密切監控橋梁上部結構及托換結構的變形情況，以監控量測數據指導托換施工。

6 結語

本工程在交通管理允許的前提下，在明挖基坑內完成了托換工作，降低了工程風險與投資，取得了較好的工程效益，希望能為類似的樁基托換工程提供參考。

［1］TB 10002.5—2005鐵路橋涵地基和基礎設計規范［S］.

［2］JGJ 94—2008建筑樁基技術規范［S］.

［3］JTJ 024—85公路橋涵地基與基礎設計規范［S］.

［4］JTG D60—2004公路橋涵設計通用規范［S］.

［5］GB 50010—2010混凝土結構設計規范［S］.

［6］GB 50204—2002混凝土結構工程施工質量驗收規范［S］.

［7］GB／T 50476—2008混凝土結構耐久性設計規范［S］.

［8］JGJ 107—2003鋼筋機械連接通用技術規程［S］.

［9］國振喜.簡明鋼筋混凝土結構構造手冊［M］.第2版.北京：機械工業出版社，2004.

［10］陜西工程勘察研究院.西安市地鐵一號線一期工程（后圍寨站～紡織城站）詳細勘察階段三橋至阿房路區間巖土工程勘察報告［R］.西安：陜西工程勘察研究院，2009.

［11］丁賽華，葉建忠.基礎托換技術在地鐵建設中的應用［J］.城市軌道交通研究，2010（7）：69.