地鐵隧道下穿異型連續梁樁基托換設計

楊正華

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

基礎托換技術發展于20世紀30年代美國紐約市的地下鐵道建設。近年來，世界上大型和深埋的結構物和地下鐵道的大量施工，尤其是古建筑的基礎加固數量巨大；有時對現有建筑物還需要進行改建、加層和加大使用荷載時，都需要采用托換技術。在眾多的基礎托換形式中，樁基礎托換是其中難度最大、技術最為復雜的形式之一，它是一項集結構工程、巖土工程、材料工程等多學科交叉的施工技術。

在國內外的地鐵建設中，樁基托換技術也得到了廣泛的應用，如美國紐約地鐵、日本京都地鐵站、深圳地鐵和廣州地鐵等，現已實施的樁基托換以單樁軸力小于3 000 kN的小噸位被動托換居多，托換梁也多采用普通鋼筋混凝土結構，變形控制比較粗糙。目前大噸位主動托換在國內外實施的較少，其托換技術難度大，施工風險高，對設計和施工精度要求高[1-2]。

2 工程概況

西安北至機場城際軌道項目起自西安北站，終點至咸陽機場T3航站樓，按地鐵標準和模式建設，該線在咸陽機場范圍以地下方式敷設，受機場交通廊道的影響，機場范圍內區間為地下單洞雙線隧道，機場站站后設交叉渡線及其折返線。為滿足站位要求，站后配線需下穿T3航站樓主線橋22-1和22-2兩處橋墩樁基，為保證T3航站樓正常的交通運營，隧道施工期間不能中斷橋上交通。結合工程周邊環境和既有主線橋的現狀，經工程技術、經濟等綜合比選，設計采用對既有主線橋22-1和22-2號橋墩樁基實施樁基托換方案。機場站與周邊建筑位置關系見圖1。

圖1 機場站與周邊建筑位置關系

2.1 既有橋概況

主線橋是連接T3航站樓與地面及T2航站樓的重要交通設施，車流量大，主要分兩部分組成：由地面通往T3航站樓二層候機大廳的主線橋；T2航站樓與T3航站樓之間的連接橋。

主線橋共7聯，其中機場站站后區間隧道下穿的為第二聯，該聯跨徑布置為(24.045+21.023+11.837+22.182) m，梁部為異型變寬鋼筋混凝土連續梁，位于匝道區(圖2)。橋面寬度由35 m漸變至15.25 m，梁部斷面由單箱6室漸變至單箱5室，全聯設置5道橫梁，箱梁兩側挑臂均為2.5 m，箱梁分室情況見圖3。

圖2 地鐵下穿的既有橋梁基礎平面布置(單位：m)

圖3 被托換橋梁梁部箱室平面(單位：cm)

22-1和22-2號橋墩均為T形花瓶墩，墩身截面尺寸為1.3 m×2.5 m(縱向×橫向)，墩高10 m，梁底距離地面約8 m。22-1、22-2號橋墩承臺厚2 m，尺寸為6.5 m×6.5 m，承臺下均設4根φ150 cm鉆孔灌注摩擦樁，樁長35 m，樁間距4.0 m，既有橋墩墩底豎向力詳見表1。

表1 既有橋墩墩底豎向力 kN

2.2 工程地質

本段區間隧道所處地層從上至下依次為壓實土(Q4ml)、雜填土(Q4ml)、第四系上更新統風成黃土(Q32eol)、殘積古土壤(Q31el)、中更新統晚期風成黃土(Q22eol)、殘積古土壤(Q21el)。

特殊巖土為自重濕陷性黃土，濕陷性等級為Ⅲ級(嚴重)，濕陷厚度為15～20 m。場地地下水對混凝土結構及鋼筋混凝土結構中的鋼筋均具微腐蝕性；對鋼結構具微腐蝕性。場地土對混凝土結構及鋼筋混凝土結構中的鋼筋均無腐蝕性。

2.3 工程特點及難點

(1)托換工程影響因素多。

樁基托換具有綜合性強、各專業結合要求高、施工精細化程度和監測監控精度要求高、環境和安全問題突出等特點，其復雜性遠遠超過一般的土木工程，特別是大噸位的主動托換。

受機場站站位條件的制約，站后配線雙線暗挖隧道結構外緣距離鄰近的23號橋墩承臺外緣僅有6.24 m，在該寬度內布置托換樁影響因素多，既要考慮新的托換樁與既有橋樁的樁間距，又要考慮托換梁基坑開挖對鄰近23號橋墩基礎的影響，同時需滿足托換施工作業空間的要求，托換難度和風險大。

南海海洋環境日益惡化，生物資源迅速衰退的現實已擺在南海各國面前。包括南海地區在內的世界各大海域都已清醒認識到，海洋是人類的公有地和共同財富，海洋環境保護是沿岸國家的共同責任。南海周邊國家也早已認識到，只有共同合作才能真正有效地應對海洋環境污染和生態退化。早在2002年的《南海各方行為宣言》中，南海各國就明確了海洋環保合作的意愿和決心，但是16年過去了，海洋環保合作的機制化建設仍未正式開啟。

由于在隧道施工前已完成托換結構體系的轉換，后期隧道的施工會引起地層擾動變形、位移，造成既有樁基摩擦力損失，降低樁周土體的抗力，可能導致橋梁樁基發生沉降，當相鄰橋梁基礎的沉降差超過容許限值時，直接影響被托換既有橋梁的正常使用，甚至出現安全問題。

(2)被托換結構體系復雜，對變形敏感。

需托換的既有橋梁部為異型鋼筋混凝土連續箱梁，橋面最大寬度達35 m，最大橫跨比近1.6，受力極其復雜，該結構對變形敏感，墩柱的非均勻沉降會產生次內力，同時托換工程場地自重濕陷性土層厚，必須合理設計托換結構體系，確保托換施工及隧道開挖過程中既有橋梁位移不超限。

(3)托換梁跨度和托換噸位大，綜合難度高。

恒載及活載作用下，被托換的兩處橋墩墩底軸力接近13 000 kN，考慮到隧道結構尺寸，并結合周邊控制條件，托換梁計算跨度近20 m，如此大跨度的托換梁和托換噸位極為復雜，其綜合跨度和托換噸位目前在國內居于首位，需研究確定托換梁與既有橋墩、承臺等的連接接頭形式，確保連接節點可靠。

(4)施工條件復雜，受控條件多。

22-1和22-2號橋墩處橋下凈空有限，僅約8 m，由于場地濕陷性土層厚，托換樁樁長較長，樁基施工難度大。同時，既有承臺底埋深約3.5 m，考慮托換梁結構高度后，托換基坑深度較大，基坑施工時會對鄰近橋墩的基礎土體產生擾動，造成摩阻力損失，若防護措施不當，可能會對既有結構造成損傷。同時，托換施工全過程需研究制定詳細的監測方案和控制標準，實時動態監測，保證既有結構變形、應力不超限，結構安全可靠。

3 托換設計

3.1 托換方案選擇

根據樁基托換的機理，可以分為兩種方式：被動托換技術和主動托換技術。被動托換是指原樁在卸載的過程中，其上部結構荷載隨托換結構的變形被動地轉換到新樁，托換后對上部結構的變形無法進行調控，其一般用于托換荷載較小的托換工程。主動托換是指原樁在卸載之前，對新樁和托換體系施加荷載，以部分消除被托換體系長期變形的時空效應，將上部的荷載及變形運用頂升裝置進行動態調控，通過主動變形調節來保證變形要求[3]。

經研究分析，22-1和22-2號橋墩的托換梁均采用預應力混凝土梁，每個橋墩的托換樁均采用4根φ2.0 m的鉆孔灌注摩擦樁，為減少托換樁對既有23號橋墩樁基的影響，22-1號墩樁基與23號橋墩樁基的樁間距按不少于2.5倍樁徑控制，托換樁與隧道結構外緣最小距離按1.5 m控制。樁基托換平面如圖4所示，托換梁、隧道與既有承臺剖面如圖5所示。

圖4 樁基托換平面布置(單位：cm)

3.2 托換梁設計

托換梁采用全預應力混凝土結構，采用抗滲等級為P8的C50混凝土，22-1號墩和22-2號墩托換梁尺寸分別為20.3 m×8.7 m×3.5 m(長×寬×高)和21.5 m×8.7 m×3.5 m(長×寬×高)，托換梁梁頂距既有承臺頂0.5 m，托換梁梁底距離既有承臺底1.0 m，托換梁配置17-7φ5 mm鋼絞線，抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa，Ep=1.95×105MPa，鋼絞線錨下張拉控制應力為σcon=0.69fpk，采用單端張拉，交錯對稱錨固，預應力孔道采用內徑90 mm的金屬波紋管成孔，采用相應的夾片式錨具錨固。托換梁鋼束縱、橫斷面如圖6所示。

圖5 托換梁、隧道與既有承臺剖面(單位：cm)

根據實際施工過程，采用Midas軟件模擬實際不同階段托換梁的受力狀況，既有樁和托換樁對托換梁的約束采用6個方向彈簧剛度進行模擬，剛度采用m法計算。由于托換梁的跨高比L/H<5，屬于深受彎構件，設計同時采用現行《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)中相關深受彎構件進行反核，托換梁主要計算結果見表2。

外部荷載作用下，各施工階段托換梁跨中的最大豎向位移為2.88 mm，撓跨比約1/5 868，托換梁整體剛度大，托換梁豎向撓曲變形有限，可通過截除既有樁后千斤頂頂升進行調整，使得各施工階段橋墩位移在容許范圍內。

圖6 托換梁鋼束縱、橫斷面(單位：cm)

項目計算值容許值運營階段截面最大正應力/MPa運營階段截面最小正應力/MPa運營階段混凝土最大剪應力/MPa強度安全系數抗裂安全系數主力上緣下緣主力上緣下緣主力主力主力下緣運營階段預應力鋼筋應力/MPa2.834.571.152.820.614.62.721054≤16.75≥0≤5.695≥2.2≥1.2≤1116

3.3 托換梁與既有承臺、墩、樁的連接方式

托換梁和既有承臺、橋墩間的連接節點承受剪力大，受力復雜，其可靠連接是托換成功的關鍵所在。參考國內已成功實施深圳地鐵一期工程百貨廣場樁基托換和相關科研結論，本設計采用了“植筋+鑿毛+新舊混凝土界面膠”的連接方式[5-6]，植筋采用φ25 mm的HRB400鋼筋，植筋孔直徑為30 mm，孔深420 mm，植筋鋼筋按梅花形布置，間距按不大于30 cm控制，植筋膠采用A級膠[7-8](圖7)。在既有樁、既有橋墩外側設計2道箍筋，并與所植鋼筋連接牢固(圖8)。

圖7 樁基脫換施工現場

圖8 樁基植筋布置

由于托換梁混凝土與既有橋梁承臺的混凝土存在較大的齡期差，為保證新舊混凝土共同工作，有效粘結，設計中將舊混凝土表面鑿毛10 mm左右，并充分用水潤濕，清洗干凈后，噴設專用的新舊混凝土界面膠。外包托換梁采用預應力結構，預應力不僅提高托換梁的承載力和耐久性，而且通過預應力使得托換梁全截面受壓，不開裂，同時借助“新舊混凝土界面膠+植筋+鑿毛”，保證了托換梁與既有承臺的緊密接觸，不滑移。

3.4 托換樁設計

根據托換噸位，結合場地條件，經綜合比選后，托換樁采用φ2.0 m的鉆孔灌注摩擦樁，采用樁基后壓漿技術，進行樁側和樁底注漿。注漿順序：先上層樁側注漿，再下層樁側注漿，最后樁底注漿。托換梁以下至隧道結構底板范圍不考慮樁基摩阻力，僅考慮樁周土體彈性抗力，通過計算，4根托換樁最長樁長74 m，最短樁長64 m。

3.5 基坑開挖及隧道施工對23號橋墩的影響

22-1號墩托換梁與既有23號的承臺外緣的最小距離僅2.04 m，考慮既有承臺下的施工作業空間需要，22-1號橋墩基坑開挖深度約6.5 m，既有23號橋墩承臺底埋深約3.5 m，即22-1號墩托換基坑底部位于既有23號橋墩承臺以下約2.0 m。同時，暗挖隧道結構外緣距離23號承臺外緣僅6.24 m，需充分考慮基坑開挖和后期隧道暗挖施工對臨近23號橋墩的影響。

為減少基坑開挖對23號橋墩的影響，設計中臨近23號的基坑采用垂直開挖，排樁圍護，圍護樁采用φ600 mm@1 000 mm的鉆孔灌注樁，樁頂設置鋼筋混凝土冠梁，截面0.6 m×0.8 m(寬×高)，冠梁處設置1道φ600 mm的鋼管支撐。基坑設計時地面超載取20 kPa，基坑整體穩定系數按不小于1.35控制，經分析計算，圍護樁插入基坑底下4.0 m。

區間暗挖隧道采用雙側壁導坑法施工，為分析隧道施工對23號橋墩的影響，設計采用Midas-GTS有限元軟件進行數值模擬分析。分析結果顯示：隧道施工對既有橋墩的變形和內力影響較小，23號墩下樁基樁頂沉降最大值為2.54 mm，在容許的5 mm范圍以內，整體可控。樁頂千斤頂及鋼墊塊布置見圖9。

圖9 樁頂千斤頂及鋼墊塊布置

3.6 千斤頂及鋼墊塊布置

頂升時每個樁頂設置3臺YG-500t液壓千斤頂(帶自鎖裝置)和3塊鋼墊，并在樁頂和托梁底對應于千斤頂和墊塊的位置設置預埋鋼墊板，且定位牢固，并確保鋼板面平整。

千斤頂在安裝前必須進行標定和調試，確認合格后方可安裝，同時應保證其在頂升過程中有足夠的行程，千斤頂在加載后能長久穩定持荷。頂升過程中，換梁左右側6個千斤頂各由1個油泵控制，即1個油泵控制托梁一側的6臺千斤頂，采用并聯，同一油路采用摩阻系數相近的千斤頂，同步頂升。每根托換樁頂部按照120°夾角均勻布置3臺千斤頂，千斤頂組合形心需與托換樁的形心重合，且盡可能使得兩端千斤頂形心連線與托換大梁的軸線重合。

3.7 現狀調查及主要監測項目控制值

在托換施工之前，對既有橋梁的初始狀態進行了詳細的現場調查和現場錄像，內容包括既有橋梁的橋面線形及高程、結構裂紋分布、梁底和墩頂的原始高程、墩身垂直度和傾斜等。調查表明：既有橋梁整體狀況良好，無肉眼可見的明顯裂紋，梁部及墩身混凝土強度、彈性模量與原設計值相符。

在托換施工過程中，需對托換結構及既有橋梁的相關安全指標進行全過程監測，從而得到各施工階段結構的實際內力和變形，跟蹤掌握不同施工階段的影響，并根據監測結果適時對千斤頂加載力及加載速率進行動態調整，實現信息化施工，保證整個施工過程在安全和可控的狀態下進行，確保既有橋梁運營安全。

本托換配備2臺測量機器人，實現自動化監測，監測內容包括基坑圍護樁的變形和應力、既有橋墩位移、托換梁位移和應力、托換樁的軸力及沉降、托換梁與橋墩連結點部位變形等，涉及到橋墩、被托換橋墩與托換梁固結點、托換梁以及托換樁等結構部位，主要監測項目的控制值見表3[9-11]。

表3 主要監測項目控制值和實測值

4 主要施工步驟

托換施工的主要施工工序有監測監控體系的建立、托換樁的施工、基坑開挖和托換梁的施工，頂升施工、截樁和體系轉換等，具體施工步驟見表4[12-14]。

表4 托換施工步驟

注：1.為保證結構安全，施工中對22-1和22-2兩處托換交替施工，待一處托換完成后再施工另外一處；2.墩頂及鋼支架上千斤頂用于以下應急頂升：基坑開挖過程中，既有橋梁的位移超限；托換梁、托換樁間固結段施工完畢后，后期暗挖隧道施工過程中，既有橋梁位移超限。

5 結語

動載作用下的大噸位橋梁主動托換技術難度大，風險高，尤其對于被托換的上部結構為異型變寬連續梁。西安北至機場城際軌道項目主動托換噸位巨大，托換梁跨度大，為本線的重難點工程，綜合難度居于國內前列。設計中通過對影響托換的因素進行分析，采用了托換梁外包既有承臺的連接形式，新舊混凝土通過“植筋+鑿毛+界面膠”連接方式，保證了新舊混凝土的共同受力，整個托換梁結構安全可靠。頂升過程采用單油路帶自鎖千斤頂，通過千斤頂并聯和油壓自動補償，實現千斤頂同步聯動頂升。托換施工前，建立監測監控系統，根據施工和測量精度，確定了相應位移控制值，實現動態控制，信息化施工。該托換已順利實施，為以后類似托換工程提供了寶貴參考，具有較好的實用價值。

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