地鐵下穿高速公路大型樁基托換技術

雷江松，李強戰

（深圳市地鐵集團有限公司，廣東深圳 518026）

1 工程概況

圖 1 8 號線與羅沙高架橋相對位置

深圳地鐵 8 號線一期梧桐山站—沙頭角站區間線路下穿羅沙高架橋左線，受其影響，羅沙高架橋 Z11 號及 Z12 號橋臺處需要進行樁基托換處理。隧道施工期間要保證高架橋上部正常通行，因此采用主動托換技術對樁基進行托換處理。主動托換技術是指在需托換樁兩側新增托換樁、托換梁，在需托換樁卸載前，將上部的荷載及變形運用頂升裝置進行動態調控，將荷載提前轉換到新增托換樁上，使托換后樁和結構的變形可以控制在較小的范圍。

羅沙高架橋為三跨一聯雙向 4車道，上部結構為雙箱直腹板式現澆連續箱梁，梁高 1.8 m，底板寬 8.75 m，橋面寬 13.25 m，跨徑 33 m。Z11 墩為φ1.2 m 端承樁，Z12 墩為φ1.5 m 端承樁。Z11 墩托換方案為對北側橋墩下對應的 2 根φ1.2 m樁進行托換，托換梁尺寸 17.677 m×5.4 m×2.5 m，2 根φ1.5 m 及 2 根φ1.2 m 托換樁單根長 19.064 m。基坑圍護結構為φ800 mm 鉆孔樁 +φ600 mm 旋噴樁，間距 950 mm。長嶺人行天橋附近采用φ600 mm 鉆孔樁 +φ600 mm 旋噴樁，間距 750 mm 支護，鉆孔樁外打設外徑φ600 mm、厚度 10 mm 的鋼套管。Z12 為單柱橋墩，托換方案為對南側橋墩下 2 根φ1.5 m 橋樁進行托換，托換梁尺寸 17.2 m×5.9 m×2.5 m，4 根φ1.5 m 托換樁單根長 13.478 m，基坑圍護結構為φ800 mm 鉆孔樁 +φ600 mm 旋噴樁，間距 950 mm（圖 1、圖 2）。

圖 2 橋樁托換剖面

圖 3 Z12 原橋墩與托換梁連接面施工

2 樁基拖換施工

2.1 施工方案

本工程所采取的施工形式為主動托換形式，在具體施工過程中，需要通過盾構進行荷載承受，對失效問題進行足夠的分析與預防之后，再設置換托梁來滿足上部結構受力要求。樁基托換采用“φ800 mm /φ600 mm 排樁支護 +φ600 mm 旋噴樁止水帷幕+內支撐”圍護基坑開挖。新樁采用沖孔法施工，舊樁采用人工鑿除侵入隧道的部分。托換體系采用梁式托換形式處理，將橋墩下部結構通過植筋技術與大剛度托梁咬接成整體，架設千斤頂、機械式安全自鎖裝置及鋼支撐，然后對之后預加力進行實時監測。待托換梁變形穩定后，再將上部荷載加載到托換梁上，讓新做托換梁、樁與原結構框架形成整體，共同工作受力。為保證盾構通過時和通過后橋梁的安全性，托換將采用一次預頂，實現上部荷載的完全轉移，保證托換前、中、后結構的穩定性，控制橋梁的沉降和變形。

（1）基坑開挖。基坑開挖后，原承臺和舊樁去除了部分土的結構力，沖孔樁的濕作業又對地下水產生干擾，使橋梁存在安全隱患，為避免事故，采用先進行托換樁施工、后進行基坑開挖的方式。 同一般建筑工程一樣，在進行基坑施工過程前，首先進行降水處理，當地下水位降至基坑底面 1 m之后，再分層、分臺階開挖。基坑開挖深度約 7 m，基坑開挖見底后進行樁帽施工。圖 3 為 Z12 原橋墩與托換梁連接面施工。

（2）托換梁。托換梁屬大體積混凝土，除與舊承臺銜接處，其他位置考慮采用冷卻管冷卻以減少混凝土裂縫。托換梁施工前，將托換梁與新建樁基承臺空隙用黃砂回填密實，以作為底模基礎。

（3）樁基托換。托換梁與被托換舊承臺及部分原樁基采用支托連結，通過植筋、下托式混凝土的施工，托換梁在下方托起原承臺，并用混凝土固定形成整體，保證上部結構荷載能夠完全轉至托換體系。樁基托換施工時需對橋梁相關數值進行控制，并聯系當地交警部門，對交通流量、車輛速度等進行管控，當整體托換結構穩定之后才能進行正常通行。

2.2 同步頂升

托換梁和托換帽采用千斤頂，使上部結構對鉆孔灌注樁進行荷載傳遞，并通過預壓抵消最大位移，通過鉆孔樁主動荷載代替樁應力。本次頂升采用 PLC 同步頂升設備進行施工。

（1）對連接部位、內部、砂礫、樁帽與大梁連接處進行清理，完成清理后安裝千斤頂并對安裝過程進行監控，確保荷載加載大小及次數滿足要求。

（2）當千斤頂所托梁強度達到設計要求后開始頂升，頂升荷載分 8 個等級，第 1 級為 30%，第 2 級為45%，然后每級按照 10% 的增加量遞加，到第 7 級時要加載到 93%，第 8 級才能加載到 100%。注意，不能一次性加載到最大值，每級的加載時間需要保持在 10 min，等結構穩定后才能進行下一級加載。

（3）對加載過程中產生的裂縫要進行嚴格控制，裂縫寬度大于 0.15 mm 時需立刻停止加載，并采取相應措施進行處理。預頂時，對千斤頂及托換梁的位置要進行嚴格控制，使得千斤頂在承受最大荷載的狀態下，梁端能夠保持在規定位移范圍以內。

（4）樁基礎作為墩底時，頂升力應不超過墩底的最大承受軸力；天然基礎作為墩底時，頂升力不應超過天然地基的最大承受軸力。增加頂升力過程中，需要滿足頂升力臨界值要求。

（5）根據數據對油泵加以調整，保證托換梁兩側受到的荷載在承受范圍之內且平衡。根據每一樁的軸向力設計值，確定各千斤頂的頂進壓力。對油泵流量和壓力進行控制，按照 8 級進行施壓，對于上下 2 級之間的差異需要在下一級荷載加載之前進行調整，使每個頂升力控制在合理的范圍內，以防止累積的差異超過規定的范圍。

（6）當頂升開始回落至50%～80% 時，應該能夠安全自鎖。若采取二次頂升，那么第 2 次頂升需要在第 1 次頂升完成后 30 min 進行，然后對比 2 次的數據，若第 2 次頂升數據的變化量不超過第 1 次頂升數據的15%，則可以進行下一步頂升，否則要進行數據調整。

（7）整個托換梁過程中，每個油泵并聯 3 臺千斤頂，并分為 2 組油泵進行操作（圖 4）。

（8）確定各樁的軸向力，并以此確定各千斤頂允許的頂進壓力。預加頂進力加載完成之后，需要再次對托換梁的沉降進行評估，沉降滿足要求后再調整自鎖裝置并予以鎖定。

圖 4 頂升千斤頂布置圖

圖 5 Z11 號墩變形監測點示意圖

圖 6 Z12 號墩變形監測點示意圖

3 施工監測

3.1 托換梁變形監測

托換梁變形監測點見圖 5、圖 6，通過百分表電子儀器讀取數據，并依此進行托換梁的撓度計算。

由表1托換梁變形的監測數據可知，Z11 號墩托換梁兩端變形監測點（S1、S3）的監測數據最大差值為 0.09 mm（第 8 級和第 9 級加載時），兩端監測點（S1、S3）的平均值和中間監測點（S2）的最大差值為1.31 mm（第 10 級加載時）；Z12 號墩托換梁兩端變形監測點（S4、S6）的監測數據最大差值為 0.05 mm（第 9級加載時），兩端監測點（S4、S6）的平均值和中間監測點（S5）的最大差值為 1.43 mm（第 11 級加載時）。經分析，抬升過程中托換梁兩端（S1、S3，S4、S6）的變形基本一致，托換梁中部（S2，S5）受梁自身的撓度影響導致變形偏大，可見，托換梁在抬升施工過程中變形同步、受荷均勻。

3.2 托換梁應變監測

托換梁應變監測點斷面在截面的 1/2、1/4 以及 1/8處，每個監測斷面布置 10 個監測點并分布在監測斷面兩側，如圖 7、圖 8 所示。

由表 2、表 3 抬升過程中托換梁應變監測數據可知，隨著抬升荷載的逐級增大，托換梁各監測點的應變數據也隨之增大，應變的變化基本呈線性趨勢。當抬升荷載達到最大值時，Z11 托換梁的跨中監測點 A3、A8 應變分別達到最大值 409 和 405，Z12 托換梁的跨中監測點 A3、A8 應變分別達到最大值 520 和 518。這表明，到達最大抬升荷載時，梁跨中彎矩最大。通過監測數據還可知，梁兩側對應點的應變值基本相等，表明托換梁在抬升過程中受荷對稱、均勻。

表 1 托換梁變形的監測數據 mm

圖 7 Z11 號墩應變監測點示意圖

圖 8 Z12 號墩應變監測點示意圖

表 2 Z11 托換梁應變監測數據

表 3 Z12 托換梁應變監測數據

3.3 被托換樁上部橋墩豎向位移監測

上部橋墩與橋梁之間產生位移變化是本工程的特點，因此要在可能發生位移變化的橋墩處設置監測點，并進行 24 h 的嚴格監控。

由圖 9、圖 10 抬升施工過程中橋墩豎向位移監測數據可知，抬升施工過程中，隨著抬升荷載的逐級增大，監測點的豎向位移值隨之增大。其中，Z11 號橋墩最終位移值為 0.52 mm，Z12 號橋墩最終位移值為 1.11 mm，與設計單位提出的豎向位移控制值基本一致。

圖 9 Z11 號橋墩豎向位移曲線

圖 10 Z12 號橋墩豎向位移曲線

圖 11 Z11 號墩新樁樁頂與托換梁之間相對位移監測點示意圖

圖 12 Z12 號墩新樁樁頂與托換梁之間相對位移監測點示意圖

表 4 Z11 號墩新樁樁頂與托換梁之間相對位移監測數據 mm

3.4 新樁樁頂與托換梁之間相對位移監測

新樁與托換梁的相對位移監測點見圖 11、圖 12。結合橋墩的豎向位移，最終計算出新樁的實際沉降值。

表 4 給出了 Z11 號墩新樁樁頂與托換梁之間相對位移監測數據。由表 4 數據可知，抬升過程中柱承臺的最大豎向位移為 S5 點 0.83 mm，托換梁的跨中最大變形為S3 點 0.07 mm，承臺兩端的最大豎向位移發生在 S7、S8點為 0.52 mm。扣除托換梁抬升過程中的豎向位移、撓度變形等因素，新樁在抬升過程中的最大豎向位移為：跨中位移（S5、S6）平均值加上抬升量撓度變形（S3、S4）平均值，減去托換梁兩端位移（S1、S2、S7、S8）平均值，最終得到 0.24 mm，小于計算新樁的沉降量，表明新樁的承載能力和變形滿足設計要求。

3.5 梁傾斜沉降監測

在托換梁頂升施工過程中，在Z11、Z12 號墩各安置 1 個傾斜儀，對傾斜情況進行監測，監測點布置見圖13、圖 14。

表 5 給出了 Z11 號墩托換梁傾角儀監測數據。由表 5 加載過程中托換梁縱橫軸X（長向）、Y（短向）2 個方向的傾斜角監測數據可知，將第 10 級測得的傾斜角減去初始傾斜角，托換梁在加載過程中縱向Y（短向）傾角最大變化值為 0.001°（監測點 J1、J2），橫向X（長向）最大變化值約為 0.007°（監測點 J1、J4）。經分析，該方向角度是由于托換梁抬升后橫向發生的微小變形所致，與理論計算一致。

表 5 Z11 號墩托換梁傾角儀監測數據

圖 13 Z11 號墩托換梁傾角儀監測點示意圖

圖 14 Z12 號墩托換梁傾角儀監測點示意圖

4 結束語

深圳地鐵 8 號線羅沙高架樁基托換工程具有抬升噸位大、施工空間小、工程風險大、技術含量高的特點，并且施工過程中不封路，不影響上部道路的正常運行。工程于2016 年 12 月順利完成，整個托換頂升過程中，上部結構的變形控制在 1 mm 以內，托換梁的變形、應變及托換樁的沉降均在設計允許范圍內，取得了較好的工程和社會效應，為后續同類工程和樁基托換技術的研究提供了可借鑒的實例。

參考文獻

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