古橋“架立”與“托換”

辛海京，吳佳順

（1.中建一局華江建設有限公司，北京 100071；2.中交第一公路工程局集團喀麥隆總項目部，北京 100020）

0 引 言

近年來，建筑業發展迅猛，建筑物改擴建、改造項目明顯增加。北京大學承澤園教學科研樓施工現場內有一座古橋，在古橋下要進行大開挖，建造地下車庫。而應甲方及相關部門要求，古橋屬于文物，不能拆除，需要加以保護。如何在保證古橋結構穩定的情況下通過采用新技術進行古橋下土方開挖和建造地下車庫施工這是本文要討論的課題，也是建筑物施工與文物保護沖突時出現的較為現實的問題。如果將施工區域繞過古橋，那樣將使教學科研樓建筑面積明顯減少，將影響所建建筑物使用功能。為此，需要將古橋“架立”起來，在橋下完成挖土和地下車庫結構的施工等。

1 工程概況

所建工程位于北京大學校園承澤園內，在基坑北側施工范圍內，存在一座古橋。古橋由塊石堆砌而成，東西寬約 10 m（基礎寬度），橋面標高為 -1.120 m，底板頂標高為 -3.800 m，古橋板厚約 0.4 m；古橋北邊基坑支護單位施工長螺旋鉆孔灌注樁，古橋北邊古橋下部為人工挖孔樁，長螺旋鉆孔灌注樁和人工挖孔樁徑為800 mm，古橋東西兩側為灌注樁，樁上部為水平鋼管和工字鋼斜支撐，樁頂為冠梁。古橋北側為古廟門頭，古橋距今有 300 多年的歷史，是國家文物，要對古橋進行保護，由于古橋北邊有一部分在基坑范圍內，在開挖基坑前需要先對古橋進行“架立”及托換。古橋平面圖如圖1 所示，古橋立體圖如圖2 所示。

圖1 古橋托換工程平面圖（單位：mm）

圖2 古橋托換工程立體圖（單位：mm）

2 施工重點、難點分析

要“架立”的古橋為石塊堆砌而成，結構松散，對基礎變形十分敏感，根據本工程特點，對重點、難點分析如下。

1）托換鋼管梁成孔施工。古橋基礎位于級配砂石層上，古橋 400 mm 厚石板下部有木樁［1］（可能是古人為了防止古橋下沉而設置的豎向承重構件），要做水平向鋼管梁成孔，需要穿過級配砂石層和木樁，古橋寬度為 10 m，鋼管梁直徑為 273 mm、長度為 12 m 左右，鋼管成孔比較困難，對鋼管梁水平度要求高，并且施工中對古橋允許沉降值僅僅為 30 mm，這是工程難點之一。

2）人工挖孔樁樁底標高在地下水位以下，層間地下水流入樁內難以成孔；此外，在古橋下空間僅有 3～3.5 m 高，樁深 12.3 m，無法吊裝鋼筋籠，施工難度大。同時，北側邊坡支護結構為鉆孔灌注樁，但灌注樁距離古橋北側過近，樁機械無法施工，因此古橋北側采用人工挖孔樁施工，古橋兩側均為灌注樁。人工挖孔樁樁深很大，樁尖超過地下水位，地層中含有層間水，要防止周邊地下水流入人工挖孔樁，可每次下挖 1 m，然后做混凝土護壁，并摻加速凝劑，同時將水泵放入樁內抽地下水，以免孔內發生塌方，對施工速度控制要求十分嚴格，以確保人工挖孔樁安全，這是工程難點之二。

3）古橋“架立”后，小挖土機要在鋼梁下挖土、倒運土，作業空間高度只有 3 m，作業環境十分有限，施工較為困難，需要人工和挖土機配合，共同開挖，這是工程難點之三。

3 施工技術創新

3.1 古橋“架立”與“托換”的整體思路

要想保留有 300 多年歷史的古橋，從而在古橋下挖土，進行地下車庫的施工，就必須將古橋“架立”起來。架立結構承受古橋全部重量，架立結構體系將古橋整體“托”起來后，可在古橋下進行挖土方、地下車庫基礎和主體結構施工作業。本工程“架立”結構體系包括豎向灌注樁施工、水平向鋼管梁施工、鋼管梁上部南北向冠梁施工、鋼管下部工字鋼支撐焊接；“托換”結構體系包括古橋北端鋼筋混凝土墻、鋼格柵加固、古橋下人工挖孔樁施工、樁頂冠梁施工、古橋基礎外側錨索施工等。

3.2 古橋架立體系的施工步驟

在古橋兩側沿南北方向施工豎向灌注樁→水平方向東西向施工直徑為 273 mm 鋼管梁→鋼管梁上部南北方向冠梁施工→古橋下部挖土方→焊接鋼管下部工字鋼支撐→古橋北端 750 mm 厚鋼筋混凝土墻加固，內置鋼格柵→古橋下北側人工挖孔樁施工→人工挖孔樁樁頂冠梁施工→注雙液漿加固橋底 3.5 m 范圍土體→古橋基礎外側第一道錨索施工→第二道錨索施工→地下 3 層結構施工→架設水平剪刀撐→托換結構拆除。古橋托換結構體系如圖3 所示。

圖3 古橋托換結構體系圖

4 具體施工措施

4.1 托換樁（灌注樁）施工技術要求

1）灌注樁施工參數。根據地質條件，優先采用長螺旋成孔工藝。樁身混凝土等級為 C25，混凝土坍落度為 160～220 mm。托換樁主筋采用φ22、φ16 鋼筋，加強箍筋為φ16，螺旋箍筋為φ8@200。樁位允許偏差為 50 mm；樁垂直度偏差不宜大于 0.5 %；樁頂處鋼筋錨入冠梁長度為 500 mm；混凝土保護層厚度為 75 mm。

2）長螺旋鉆孔灌注樁。鋼筋籠制作應符合 GB 50204－2015《混凝土結構工程施工質量驗收規范》［2］的規定，長螺旋鉆孔灌注樁質量檢驗標準應符合 GB 50202－2018《建筑地基基礎工程質量驗收標準》［3］的規定。

3）鉆孔棄土的清運。鉆孔棄土應及時清運，以避免影響施工速度，棄土的清運應罐裝外運，不得污染環境。鉆孔棄土清運應采用小型機械，并應與托換樁施工配合進行。樁身棄土清運時應保護樁位放線點，避免樁點移位或破壞。

4.2 水平鋼管梁（大管棚）施工工藝

1）開挖工作面。為了使鉆機有工作面，土方開挖至托換梁標高下 1 000 mm 時，清理孔口，疏通套管。

2）鉆機就位。調整鉆機機身，確保鉆桿水平放置。由于托換梁要水平穿過級配砂石和木樁，因此采用水平定向水鉆套管跟進的方法鉆孔。

3）套管準備。由于托梁直徑較大，預先加工直徑為273 mm 鋼套管運至現場，按照水鉆成孔工藝施工：先啟動水泵，注水鉆進，并根據地質條件控制鉆進速度，接外套管時，要停止供水，把絲扣處泥砂清除干凈，抹上少量黃油，要保證所連接的套管與原有套管在同一軸線上。

4）鉆孔施工。鉆進過程中隨時注意速度、壓力及鉆桿的平直，直到鉆通橋底板基礎。

5）安裝托換梁。托換梁采用直徑為 273 mm 鋼管，壁厚14 mm、長度 12 m。在拔出鉆桿后，將鋼管與外套管連接，將托換梁通過套管穿過橋底。要保證水平鋼管梁水平度，施工難度較大，可使用改裝后的水平套管鉆機，采用少進尺、勤跟進的成孔方法，發現托換梁不水平應及時調整，每天施工完及時填充管內砂漿。

4.3 水平鋼管梁下鋼支撐施工工藝及措施

4.3.1 施工工藝流程

放線→開挖左側導洞（北端按 1∶1 放坡留置）→架設左側斜撐和縱梁→開挖右側導洞（北端按 1∶1 放坡留置）→架設右側斜撐和縱梁→開挖中間核心土→架設橫梁→北端鋼格柵封堵→開挖至人工挖孔樁施工作業面。

4.3.2 施工工藝及措施

1）放線。從古橋南側向北側土方開挖，確定導洞范圍，靠近核心土側采用 1∶0.5 臨時放坡。

2）開挖雙側導洞。為了防止開挖土方過程中，土方坍塌，采用暗挖法依次開挖兩側導洞，開挖土方時，按照 3.2 m 步距，邊開挖邊架設工字鋼斜支撐和縱橫梁。挖到北端后，分步制作北側 750 mm 厚的鋼格柵封堵墻，開挖時盡量減少對中間土和上部托梁的擾動。

3）架設斜支撐和縱梁。水平鋼管梁施工完畢并灌漿后，開始在鋼管梁下焊接工字鋼縱梁及斜向支撐。按設計要求在托換樁安裝預埋件，如圖4 所示。架設斜撐及縱梁：①斜撐間距 3.2 m，采用雙 25 b 工字鋼，與縱梁和托換樁連接牢固；②縱梁采用雙 22 b 工字鋼，縱梁緊貼托梁底部，南北通長布置。斜向支撐一端與鉆孔灌注樁上預埋件焊接，另一端與鋼管梁下縱、橫梁焊接牢固。工字鋼斜支撐如圖5～6 所示。

4）分段開挖中間土，架設橫梁。橫梁采用 22 b 工字鋼，水平方向東西布置，與縱梁焊接牢固。

圖4 斜支撐與托換樁節點圖（單位：mm）

圖5 工字鋼縱、橫梁和斜支撐體系 1

圖6 工字鋼縱、橫梁和斜支撐體系 2

5）古橋北端封堵。古橋北端采用 750 mm 厚鋼筋混凝土墻加固處理，內置鋼格柵，格柵主筋植入托換樁，深度不小于 15 d（d 為鋼筋直徑）；格柵加工如圖7 所示。

圖7 鋼筋格柵加工圖（單位：mm）

封堵施工時，格柵豎向間距 500 mm，分層進行封堵，直至人工挖孔樁開挖工作面為止。

4.4 人工挖孔樁施工工藝

古橋北側橋下為 750 mm 厚的混凝土墻施工，內插鋼格柵，從鋼格柵混凝土墻往南 1 000 mm 為一排人工挖孔樁，共 6 根，樁直徑 800 mm，深度 12.3 m。從古橋鋼管梁下 3.5 m 開始挖，樁與樁中心線距離 1 600 mm。隔樁開挖，即采用跳樁法施工，以防土體產生水平力擠壓相鄰樁，并澆筑混凝土冠梁，張拉第一道錨索。繼續開挖至第二道錨索，同時在中板以上 1 m 位置架設水平剪刀撐一道。開挖至第三道錨索，鎖定后，開挖至基坑底部，施工地下結構部分。

4.4.1 人工挖孔樁施工重點和難點

1）人工挖孔樁施工的難點是對不明地質狀況的處理，對于地質狀況復雜的情形和樁內工作面小，為了安全起見可放慢施工速度。

2）在古橋下開挖人工挖孔樁，空間僅有 3.5 m 高，樁深 12.3 m，無法吊裝鋼筋籠施工。現場分 4 節制作，每節長 3.1 m，用吊鏈將鋼筋籠放入后，焊接下一節鋼筋籠，再人工放入。

3）挖出的土方運走難度較大，土石從樁內吊出后人工轉運至場區指定場地。

4）人工挖孔樁樁底標高在地下水位以下，層間地下水流入樁內難以成孔，可每次下挖 1 m，然后做混凝土護壁，并摻加速凝劑，同時將水泵放入樁內，及時抽走樁內流入的地下水，以確保安全。控制人工挖孔速度和鋼模板拆模時間，根據土層情況，每天單孔進尺不得超過 1 m。

5）護壁施工。人工挖孔樁護壁配筋與護壁如圖8 所示。

圖8 人工挖孔樁斷面配筋與護壁圖（單位：mm）

4.4.2 人工挖孔樁施工工藝要點

嚴格按照規范要求進行人工挖孔樁的施工，嚴禁超挖。北側護坡樁采用人工挖孔樁，直徑為 800 mm，護壁混凝土強度為 C 30 同樁身混凝土強度。挖孔時第一節孔圈護壁應高出現場地面 100～200 mm，上下護壁搭接長度不得少于 50 mm。為保證護壁混凝土的整體性，視護壁土質情況，上節鋼筋進入下節護壁不得小于150 mm，以免脫節下沉。澆筑護壁混凝土時，用敲擊模板及用木棒插實方法，不得在樁孔地下水淹沒模板的情況下澆筑混凝土。當第一節護壁混凝土拆模后，即把軸線位置標定在護壁上，并用水準儀把相對水平標高畫記在第一圈護壁內，作為控制樁孔位置和垂直度及確定樁的深度依據。施工中要密切注意土層的變化，當遇到流砂、大量地下水等影響挖孔樁安全時，要立即采取有效措施后，才能繼續施工。終孔時，必須清理好護壁污泥和樁底的殘渣雜物浮土，清除積水。成孔質量標準如表1 所示。

表1 成孔質量允許偏差

1）人工挖孔樁施工中，嚴禁在坑邊堆放建筑材料，防止動載對土體的震動造成原土層內部顆粒結構發生變化。加強對土方開挖的監控。開挖后及時支護，不得在上一段護壁未施工完畢前開挖下一段土方。軟土基坑必須分層均衡開挖，層高不宜超過 0.5 m。

2）加強對支護結構監測［4］。甲方請有資質的第三方監測機構對古橋板沉降和基坑北側灌注樁進行監測，同時項目部內部也加強自測，確保古橋石板下沉量≤30 mm。

3）加強對地表水的控制。減少地表水滲入坑壁土體，基坑頂部四周應用混凝土封閉，施工現場內應設地表排水系統，對雨水、施工用水進行有組織排放。對采用支護結構的坑壁應設置泄水孔，泄水孔外傾坡度不宜小于 5 %，間距宜為 2～3 m，并宜按梅花形布置。

4.5 剪刀撐施工方案

為了防止灌注樁底部受到較大的水平荷載，在古橋下土方開挖至第二道錨索以下、地下 3 層頂板以上1 000 mm 處，設一道水平剪刀撐，起到拉結作用。剪刀撐采用 22 b 工字鋼，隔樁布置，剪刀撐與托換樁連接牢固，焊縫高度不小于 6 mm，如圖9 所示。

圖9 地下 3 層頂板上 1 000 mm 架設水平剪刀撐

4.6 托換結構拆除施工方案

待古橋下地下 1 層頂板施工完畢，可用 C 20 混凝土填充地下 1 層頂板與鋼管梁之間空隙，將古橋荷載由托換結構轉換到地下 1 層頂板承受后，方可將托換樁進行拆除（托換梁可以保留）。施工順序為先拆除托換體系鋼結構，再切斷托換梁和托換樁之間的連接，然后拆除冠梁，并分段拆除托換樁，鋼管梁不拆除。

5 結 語

在當今深基坑開挖過程中，文物需要保護，這對施工單位提出了更高的要求，古橋“架立”與“托換”技術的成功應用，既符合文物保護的要求，又對施工過程中遇到問題進行了一次有益的探索和嘗試，具有較好的指導作用和社會意義，還為類似工程施工積累了經驗，值得進一步推廣。