深圳愛國路高架橋梁樁基托換工程設計

顧曉毅，林志雄

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

托換技術起源于舊建筑基礎加固。直到20世紀30年代，美國紐約地下鐵路建設，托換技術在既有橋梁樁基托換工程中得到推廣應用；二戰后，德國對許多城市進行重建，積攢了豐富工程經驗。近年來，我國城市地下交通快速發展，地鐵和隧道等地下構筑物與既有橋梁或建筑物樁基位置交錯、重疊，下穿城市既有橋梁的情況常有發生，樁基托換技術成為解決這一矛盾的有效手段[1，2，5]。

“深圳東部過境高速公路連接線工程”隧道結構下穿既有愛國路高架橋梁（高架橋1999年建成），為不中斷愛國路高架交通，采用橋梁樁基礎托換設計、施工方案。本文以愛國路高架西側3#墩樁基托換工程為例（平面、立面見圖1），介紹樁基托換、頂升、施工監控及安全等方面設計要點。

1 樁基托換方案設計

1.1 場地情況

本工程沿線覆蓋第四系土層，自上而下依次為人工填土、粉質黏土、粉細砂、中粗砂、黏土等；基巖層主要有震旦系花崗片麻巖、石炭系變質砂巖等，按其風化程度可劃分為全、強、中、微四個風化帶。勘探資料顯示，上覆土層較薄，且位于隧道底板高程以上，故不宜采用摩擦樁，同時樁端應進入微風化花崗片麻巖不小于2 m且應進入隧道開挖底板以下足夠深度。為降低托換樁基礎結構受工程隧道開挖影響，托換樁應避開隧道洞身側壁一定安全距離，本工程控制凈距不小于2.1 m。

圖1 橋梁基礎托換平面、立面（單位：mm）

根據水文調查，沿線場地地下水主要賦存于第四系沖洪積粗砂層和細砂層中（埋深0.5 m以下），其含水性及透水性較好，含水較豐富。地下水在弱、強透水地層中對混凝土結構分別具有弱、中等腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中鋼筋具微腐蝕性，在結構耐久性設計時予以考慮。

1.2 舊承臺與托換梁連接設計

舊承臺與托換梁連接處受力復雜，連接界面承受彎剪、收縮和徐變等復合變形，節點可靠連接是保證橋墩荷載有效傳遞的關鍵。對新老混凝土接觸界面的處理方法，包括人工鑿毛法、切槽法、植筋法、噴砂法、高壓水射法等。

本工程新舊混凝土接觸界面處理主要采用切槽法和植筋法。切槽法是通過人工鑿槽對舊混凝土表面進行機械切割處理，形成規則的粗糙界面，有效提高新舊混凝土界面機械咬合強度和抗剪性能[3，4]；界面植筋是通過在新舊混凝土連接界面種植鋼筋，增大界面抗剪承載力，提高界面的延性和耗能性能，減緩界面剛度的退化[6]。這兩種方法，都必須采用合適的工藝工法，以最低限度減少對舊承臺的損傷并增強連接界面的咬合力。

連接面切槽、植筋處理見圖2，設計中，切槽的深度a、寬度b和c、間距ΔL等參數，需通過試驗和有限元分析確定，鋼筋種植深度參照相關技術規程確定。

圖2 舊承臺與托換梁連接設計（單位：mm）

同時，托換荷載轉換過程中，傳遞路徑為橋墩→舊承臺、舊樁基新樁基，托換梁承受沖切荷載，需驗算抗沖切承載能力，同時需驗算正截面抗彎承載力、撐桿-系桿體系抗壓和抗拉承載力等。

1.3 新樁基樁帽與托換梁連接設計

新樁基樁頂處，為提供千斤頂頂升施工操作空間，需設置樁帽作為頂升平臺（見圖3）。綜合考慮千斤頂尺寸、頂升位移行程和自鎖裝置等因素，本設計樁帽采用倒T形截面，尺寸為2 800 mm（底寬）×2 200 mm（高），在樁帽頂部設置鋼墊塊，托換梁頂部設置豎向注漿孔。

圖3 樁帽與托換梁連接節點（單位：mm）

該節點設計考慮以下要點：

（1）后澆帶。后澆帶是連接樁基、托換梁的關鍵節點，其混凝土澆筑質量、鋼筋連接控制是關鍵工序。由于后澆節點位置狹窄且無法振搗，設計中考慮采用超高性能混凝土（UHPC）。UHPC是由水泥、礦物摻合料、高性能外加劑、粒徑不大于5 mm的高性能細骨料、短纖維等以特定工藝混合而成的材料，其在施工現場按比例加水攪拌均勻后進行施工，凝結硬化后具有高強度、高耐久性、高流動性、高柔韌性、高極限拉應變等超高性能。UHPC具有自流平混凝土的流動特性，能順利通過鋼筋網，較好的達到施工致密性要求。

（2）千斤頂設置。千斤頂選型，需綜合考慮頂升荷載大小、頂升位移行程、樁帽尺寸、自鎖裝置等因素。在本設計中，為避免不均勻沉降對橋梁上部結構產生二次病害，采用PLC液壓同步頂升技術，實時數據的采集，實現多液壓缸負載不均衡同步升降控制，同時設置鋼支墊以實現位移跟隨安全鎖定。

（3）鋼筋連接。由于采用了UHPC混凝土，利用其自密性和咬合力，大量減少了接頭鋼筋焊接工作量，提高了節點連接質量。

1.4 耐久性設計

結構所處環境是影響耐久性的外因，不同的環境類別采取不同的耐久性設計要求。根據水文調查，本工程地下結構的環境類別屬于Ⅰ類一般環境，對鋼筋混凝土結構中鋼筋具微腐蝕性。耐久性設計主要包括混凝土保護層厚度、強度等級、預應力體系防護、抗滲要求等內容。

本工程耐久性設計中，由于預應力鋼筋存在應力腐蝕、氫脆等不利于耐久性的弱點，且直徑一般較細，對腐蝕比較敏感，破壞后果嚴重，重點予以考慮。對預應力鋼筋、錨夾具、錨頭等容易遭受腐蝕的部分采取有效措施，比如采用環氧預應力鋼筋、錨頭采用環氧混凝土做封錨防水處理、適當加大預應力鋼筋保護層厚度等。

2 頂升設計

根據愛國路橋梁的結構特征和場地地質情況，橋梁上部結構對變形要求嚴格，屬于位移敏感結構，本設計采用主動托換方式。主動托換的控制思想是：通過主動頂升、施加預應力等方式，提前施加反向位移，以消除新樁基與土體壓縮變形、托換梁彎曲剪切變形與徐變收縮變形，使得托換后橋梁上部變形Δ≈0。

頂升設計重點是計算分析頂升施工工序的荷載位移效應。計算內容包括預應力鋼束張拉、頂升荷載與位移、老樁基內力變化和工后沉降控制等。主要頂升工序見表1。

表1 主要頂升工序

本工程采用“Midas”、“橋梁博士”分別計算模擬上述施工過程。其中，工序2反向彌補了新樁基承載、土體壓縮產生的變形，消除了有限元計算中新樁基周邊土體模擬而產生的誤差，但舊樁該誤差依然存在。各階段的內力見表2。

表2可見，通過張拉預應力（工序1～2），把舊樁約90%的荷載轉移到托換新樁基；二次頂升后（工序3），舊樁基最大內力約為35 t，開始截樁；最后通過三次頂升，使托換結構滿足各項位移指標。

在位移控制時，工序1～2主要是控制新樁基沉渣變形、樁身承載和土體壓縮變形；并通過工序3～4，微調舊樁存留荷載、最終托換梁的工后變形（徐變、收縮）和其它不可預見變形。本設計中，基礎托換梁在橋墩處的計算工后沉降約2.0 mm。

表2 各階段內 t

在實際頂升設計中，由于新老樁基的土體力學參數和計算模型邊界模擬具有近似性，頂升理論荷載必然存在偏差。因此，在實際頂升控制時，執行“以位移控制為主，荷載控制為輔”的指導原則。

3 監 控

監控包含施工控制與監測兩部分內容。頂升過程中，雖然采用PLC液壓同步頂升系統進行頂升操作，但各千斤頂的頂升速率仍有可能存在差異，這將導致梁體出現相對位移差，產生附加應力從而使結構受到損傷。因此，施工監控需貫穿托換頂升全過程。

（1）施工控制。施工控制是為了達成某種特定狀態而采取的分析方法和措施。托換過程中，必須通過有限元和理論分析，結合既有橋梁的構造特點、維護和運營情況、土體參數等，建立一套位移控制目標（見表3），從而制定相應的施工措施、工序和方法。因此，設計時，托換頂升步驟、預應力張拉順序、樁基持力層選擇、托換梁剛度設計、橫向限位措施等，是托換控制目標的具體分解。

表3 托換梁位移控制值

實際頂升設計中，由于千斤頂安裝垂直誤差或其他橫向誘因影響，頂升過程中可能會出現微小的水平位移，為避免此類風險，需設置限位裝置，以限制梁體可能發生的縱橫向位移。

（2）監測。施工監測是采用監測儀器對關鍵部位各項控制指標進行監測的技術手段，在監測值接近預警值或控制值時發出警告，用來保證施工的安全，也可檢驗施工工序的合理性。

具體監測內容包括千斤頂位移及荷載監測、既有橋梁梁底面高程監測、托換梁豎向及橫向位移監測、基坑土體變形監測、新樁基位移監測、舊樁基位移監測和臨時鋼支撐應力監測等。本工程監測點布置見表4。

表4 監測點布置

4 結 語

本橋梁樁基托換工程創造了國內單點基礎托換噸位最大、托換梁跨徑最大的記錄，在托換過程中，實現了保通、可控和安全的目標。由于新老樁基的土體力學參數和計算模型的邊界模擬具有近似性，頂升理論荷載可能存在偏差，因此在實際頂升控制過程中，執行“以位移控制為主，荷載控制為輔”的指導原則。施工監測數據顯示，本工程實際豎向位移目標偏差成功控制在±0.5 mm以內。