連續梁頂升托換墩柱基礎的施工關鍵技術

喬長慶

中鐵十五局集團第二工程有限公司 上海 201713

托換施工技術具有較強的綜合性，主要涉及工程地質學、土力學、結構力學等學科，施工重點在于托、換這2個步驟的安全可靠性。橋梁墩柱托換技術的關鍵是將舊有構筑物傳遞的荷載轉換至施工托架結構上，完成結構力學上荷載的轉移，然后施工新的受力基礎、墩柱，最后將舊有結構物的荷載再次轉移至新建構筑物上[1-2]。整個過程中上部舊有構筑物保持原有的功能，變形和應力在要求的范圍內，安全性、耐久性不受影響。墩柱托換技術既不中斷舊有構筑物的功能，又保證了新建構筑物建造的順利實施。

1 工程概況

現狀G56余杭互通1#匝道橋上跨東西大道，0#—4#墩結構為4×25 m的預應力混凝土連續梁，橋寬8.5 m，現澆混凝土箱梁，柱式橋墩，鉆孔灌注樁基礎。而新建余杭東西向快速通道左線隧道與G56余杭互通1#匝道橋3#墩正好平面相擾，根據設計，將對3#墩的樁基進行托換施工。

一般來說，托換施工從受力角度可以分為主動托換技術和被動托換技術。而本工程上部為預應力連續梁橋，選擇適用于大噸位、結構物對變形要求嚴格的主動托換技術更為合適，采用修建輔助墩，在橋梁維持現狀的情況下將3#橋樁基、承臺重新施做，以避讓開新建的快速通道隧道（圖1）。

圖1 新舊結構物位置關系

2 托換施工總體方案

本工程通過新建獨立的托換基礎（樁基、承臺跨隧道結構和支護），將橋墩承載轉移到托換基礎上，分離原橋樁基、承臺及少許立柱（涉隧破除）。之后在強支護的前提下，進行基坑開挖和隧道施工。

在托換施工之前，被托換墩位處需要設置輔助墩，使原立柱處于零應力狀態后，再與承臺進行連接，直至原立柱和托換基礎具備完全承載能力。其托換結構的設計情況如下：

1）托換樁基采用4根直徑1.5 m鉆孔樁，按嵌巖樁設計，樁底嵌入中風化泥巖。樁基布置在基坑圍護結構外側，順橋向間距20.6 m（跨越基坑及隧道），橫橋向間距3 m。

2）承臺為預應力混凝土結構，平面為矩形，平面尺寸為23.6 m×5.5 m，四角切角，承臺厚2.5 m。

3）輔助墩采用鋼管柱，頂部設置桁梁分配梁，支撐于被托換墩位處梁底。

4）先用水力法切除立柱混凝土，保留立柱主筋，然后將立柱和承臺一起澆筑（圖2、圖3）。

圖2 托換施工結構設計示意一

圖3 托換施工結構設計示意二

3 涉隧基礎托換施工工藝

涉隧基礎托換施工工藝流程如下：施工準備→托換樁基施工，同步輔助墩施工→輔助墩頂升持力（封閉交通，沉降監測）→水力法切除連接位置立柱混凝土，保留主筋→托換承臺施工并連接立柱，承臺預應力施工→輔助墩卸載，立柱和新基礎受力（承臺沉降監控）→拆除輔助墩，開挖完成地下隧道，完成托換施工（開放交通）→檢測橋梁，評估托換施工效果。

4 上部結構輔助支墩設計

本工程采用主動托換的方式，在輔助支墩和頂升系統的共同支撐下，立柱為零應力狀態。輔助支墩主要包括老承臺周圍的鋼管柱，鋼管柱延伸作為支撐平臺。鋼管柱上部設置支撐橫梁（分配梁），連接的頂升千斤頂支承于連續箱梁主梁下部。輔助支墩必須有足夠的強度和剛度，同時對托換承臺或者轉換梁采取避讓措施。

根據輔助墩結構的要求，由于托換承臺為預應力承臺需要避讓，故采用鋼管柱下設置臨時承臺作為受力基礎。對原有老承臺外側進行力學剝離混凝土，后擴大至鋼管柱范圍，同時對擴大部分的下部做注漿處理，綁扎鋼筋后澆筑混凝土，完成老承臺的擴大施工。

老承臺周圍施設4根φ1 000 mm、壁厚12 mm鋼管柱，鋼管柱節與節之間焊接縫應飽滿，垂直度控制在0.5%以內。鋼管柱內清理干凈后填筑砂礫作為填充物。地面上鋼管柱之間采用型鋼連接。

鋼管柱上部采用貝雷梁片，橫橋方向每對鋼管柱設置貝雷片2組，用專用固件固定。其上設置千斤頂分配梁，分配梁采用32#H型鋼對拼焊接。

5 墩柱托換頂升系統的選擇和施工

本工程設計頂升總質量為700 t。頂升千斤頂2臺，分別在原支座橫軸線的兩側60 cm位置上，同時保證支座位置在連續梁的橫梁之下。

本工程頂升系統采用PLC（可編程控制器）液壓頂升裝備。該裝備由液壓主站，PLC計算機控制器，液壓終端（千斤頂），位移、壓力檢測設備與人機交互界面操作系統等組成。頂升高度10～500 mm，最大頂升質量1 200 t。液壓系統由計算機控制，通過控制油路，接受傳感器反饋信息，不斷調整頂升姿態，實現同步頂升，同時具有檢測受力和位移、緊急停止等諸多功能。常用操縱為按鈕方式，人機界面為觸摸屏；位移檢測采用光柵尺，光柵尺分辨率為0.005 mm；壓力檢測采用壓力傳感器，精度為0.5%，自動記錄壓力與位移參數。千斤頂頂升時，應在千斤頂與混凝土的接觸面處設置鋼墊塊，千斤頂墊塊的尺寸不得小于50 mm×750 mm×750 mm，各個鋼墊塊（片）之間要求焊牢。千斤頂的頂升以標高控制為主，以荷載控制為輔。

頂升托換由專業的施工隊伍進行施工，多個同步頂升的千斤頂采用液壓同步頂升技術。頂升前在托換承臺的側面設置縱、橫向限位裝置，千斤頂的頂升順序、頂升荷載和頂升位移，應按施工監控單位的施工指令執行。施工前對施工方案進行審核、審批。

施工前，先根據頂升方案的要求進行試驗性初步頂升，確保落實支撐結構之間空隙，測量墩柱與蓋梁之間的間距并設置千分表，準備好適當的墊鐵。然后開始啟動頂升設備，同步頂升匝道橋箱梁，控制好頂升速度，按不超過5 mm/min控制。頂升采用逐級加載的方式進行，每加載一級，就暫停頂升并持荷不小于10 min，對支架沉降、變形進行檢測，對鋼管柱的貝雷架位置、箱梁位置進行量測，如有問題及時調整，直到支座不再受力為止。頂升作業完畢后，關閉千斤頂、鎖定閥門。預頂力達到設計值后穩壓30 min，并打緊鋼楔，同時監測托換支架體系構件的變形（圖4）。

圖4 頂升作業支架體系示意

6 立柱固定、切除技術

在托換承臺和樁基完全受荷載并變形穩定后，原設計下步將對立柱進行切除，并剝離與托換承臺之間的鋼筋和混凝土。但在這個作業過程中，需要解決立柱固定的如下問題：

1）橋墩的鋸切將使墩柱水平方向受到外力作用，造成失穩甚至傾覆。

2）剝離鋼筋混凝土后，墩柱垂直方向受到重力的作用下滑，下滑后重新調整將帶來新的問題。

針對以上問題，筆者考慮改變原來的設計及施工思路，采用新的施工工藝和措施來保證施工質量。

首先依托鋼管柱輔助支墩抱箍設施，確保墩柱在水平平面位置不位移，同時對原墩柱和新建托換基礎相接的部分采用水力破除施工，這樣在剝離混凝土時，鋼筋依舊可以承受部分重力，同時保證原墩柱的平面、高程位置準確。接著進行新建托換基礎的施工。在完成與原墩柱相接的托換承臺施工后，開始下層施工，即開始新建托換承臺下地下隧道的基坑開挖，并對原墩柱下層（含樁基）以及與地下隧道相沖突的部分使用金剛石繩鋸切割施工。

水力破除作業是一種新興的破除技術，其工作過程為使用超大功率液壓泵站形成高壓沖擊水流，沖擊富含微小孔隙的混凝土，當高壓水射流沖進混凝土內部微小孔隙的壓力大于混凝土自身拉力時，混凝土被沖擊為碎屑而破除。同時由于鋼筋表面密實、無孔隙，故對鋼筋將無任何損壞。

水力破除施工后的原墩柱下部伸入托換承臺內200 mm即可。墩柱橫向限位采用在墩柱的4個角處安裝4個200 mm×200 mm×16 mm角鋼，構成格構柱的分肢，采用100 mm×100 mm×10 mm角鋼作為格構柱的綴條，柱腳采用4個直徑24 mm的化學錨栓將厚度20 mm的鋼板固定在承臺上。限位支架應有足夠的強度，并在限位方向有足夠的剛度。當千斤頂將橋梁頂升時，墩柱只允許在格構柱里面進行上升，從而很好地限制了墩柱的橫向位移。

7 受力體系的轉化及完成

完成立柱的固定與剝離，并在托換承臺樁基強度達到設計要求后，開始進行承臺施工。承臺采用支護開挖、立模澆筑工藝，開挖后先進行承臺底面的壓實工作，再施做墊層，綁扎、安裝鋼筋與預應力鋼筋，然后澆筑混凝土，待混凝土強度達到設計要求強度后，進行后張法張拉及壓漿施工。

承臺施工完畢后，釋放千斤頂，讓托換承臺及樁基開始持力。然后拆除輔助支墩，開挖老承臺，使用金剛石鋸鋸開托換承臺、老承臺之間的鋼筋結構。最后開挖隧道基坑，分割老承臺并裝卸運走。

8 結構姿態監控措施

施工前做好測量準備工作，設置二等平面控制網和二等高程控制網。在托換施工過程中，對匝道橋測控點的結構位移、標高進行動態監控，對輔助墩支架做變形監控，控制擴建的承臺平面位移和豎向變形值，及時對數據進行處理，并根據分析結果采取相應的措施，確保匝道橋的結構姿態處于受控狀態。在頂升過程中，橋面高程觀測點的標高監控可作為自動頂升時位移監測的補充，為頂升作業提供輔助依據。

當結構變形監測值超出規定限值或預警值時，應按操作規程要求及時通報，立即采取保障措施并暫停施工，對出現的異常情況及時分析并處理。

9 結語

1）確保臨時支撐系統結構可靠、穩定是頂升施工過程的關鍵要求。臨時支撐系統包括基礎處理、承臺拓寬、支撐輔助墩的設計，施工過程中必須穩固結構體系，對輔助支撐體系做結構受力驗算，減少支架沉降，確保強度、剛度滿足施工要求。

2）頂升系統要求統一協調性強，因此頂升系統采用PLC同步控制技術。頂升設備的液壓控制系統、檢測儀表采用靈敏度高、精度高的設備。頂升作業的速度控制要慢、穩。由電腦系統處理數據后及時調整，以高度控制為主，應力檢測作為輔助校驗。

3）頂升后進行墩柱與原基礎的分離時，必須確保墩柱位置不變，高度調整到設計要求。因此，施工過程中應密切關注抱箍的狀況，不得擾動墩柱，否則恢復原始狀態將比較困難。同時，在墩柱水力剝離過程中應做好連續梁、墩柱的姿態觀測，及時反饋各種監測數據，并及時調整、處理。

[1] 高波,韓俞慧.保持既有上部結構拆除重做下部結構的關鍵施工 技術[J].施工技術,2011,40(10):143-146.

[2] 代敬輝.津濱輕軌樁基托換工程墩柱切割施工技術[J].鐵道標準設 計,2010(10):77-79.