動荷載作用下高速公路橋梁墩柱主動托換技術(shù)探究

（山東高速股份有限公司，山東 濟南 250117）

托換技術(shù)涉及結(jié)構(gòu)力學(xué)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等多個學(xué)科，是一種特殊的施工方法，其工期較長、費用較高、施工難度較大。由于動荷載具有重復(fù)性、隨機性，車輛載重、路面不平順、行車速度等不確定性因素較多，所以橋梁基礎(chǔ)托換工程在車輛動荷載作用下比靜荷載托換要求更高、風險更大。因此在托換施工過程中，需要嚴格控制墩頂?shù)奈灰疲瑴p小行車震動對施工的影響，保證上部行車的安全舒適。

一、工程概況

本文選取的工程全長46.258km，其中地面線5.767km，高架線40.491km。托換的兩個墩柱為高架橋A340#、A341#，其中A340#墩為連接墩，A341#墩為高架橋制動墩。高架橋橋?qū)?.9m，墩柱尺寸為1.4m×2.2m。墩柱應(yīng)用鋼筋混凝土矩形墩，上接鋼筋混凝土承臺，承臺厚度2.0m，尺寸為5.6m×6.4m。下部結(jié)構(gòu)應(yīng)用群樁基礎(chǔ)，樁長為44m～45m，每根墩柱下有φ0.8m鉆孔灌注樁8根。A340#墩墩頂高程為10.0m，A341#墩9.88m。A340#墩承臺頂高程為2.0m，A341#墩1.88m。高架橋線路縱坡為6%。托換工程施工凈空大約7m，勘察鉆孔深度最大為100m。工程地質(zhì)層9個，工程地質(zhì)亞層18個。包括人工填土層、新近沉積土層、第I海相沉積土層、第II陸相層亞粘土等。黏性土在場區(qū)地面下20m范圍內(nèi)，場地土類別為Ⅳ類，且為非液化場地。

二、托換結(jié)構(gòu)設(shè)計

（一）地道設(shè)計

該工程采取托換技術(shù)，封閉箱體189 m，地道全長629 m。封閉箱體兩側(cè)為整體式U 型槽結(jié)構(gòu)，各長220m。

（二）托換結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原則

設(shè)計托換結(jié)構(gòu)首先需要滿足結(jié)構(gòu)耐久性和交通的需求，并明確其他五個方面：一是確定托換位移。即相比施工前，托換施工過程中及完成后墩-梁固結(jié)點發(fā)生的位移。考慮被托換橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、運營安全、托換結(jié)構(gòu)的剛度等，明確托換位移。二是確定托換體系的豎向剛度。在托換節(jié)點處被托換橋梁墩柱的豎向剛度，低于托換梁與托換樁豎向等效剛度的串連剛度。在最不利的荷載組合下，托換大梁仍可以保持彈性工作狀態(tài)。三明確托換荷載。包括扭矩、彎矩、水平力、豎向力等，被托換結(jié)構(gòu)向托換結(jié)構(gòu)傳遞的荷載。溫度變化產(chǎn)生的荷載、活載、恒載、托換位移的附加荷載均為最不利荷載組合。四確定結(jié)構(gòu)尺寸。滿足結(jié)構(gòu)要求、施工要求，滿足受力與剛度要求，比如擴大的樁頭尺寸，與千斤頂布置、局部應(yīng)力擴散相符合。五是確定預(yù)應(yīng)力大小。在托換荷載沒有作用的情況下保證托換大梁全截面受壓，長期荷載作用下不開裂。預(yù)應(yīng)力可以改善托換大梁的使用性能，提高耐久性及承載能力。

（三）托換結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計的總體思路

采用空間連續(xù)格構(gòu)式托換結(jié)構(gòu)，組成部分包括較大寬度的格構(gòu)式托換大梁、托換樁等能夠抵抗復(fù)雜托換荷載，提供較大的橫向剛度和縱向剛度。減輕自重，保證被托換輕軌橋梁的穩(wěn)定安全。為保證關(guān)鍵的托換節(jié)點，有效傳遞托換荷載，采取“企口+鑿毛+植筋+雙向預(yù)應(yīng)力”措施，符合托換荷載大且復(fù)雜的特點。

采用每排3根樁的方案，增加托換結(jié)構(gòu)體系的超靜定次數(shù)，以較少材料獲得較大的橫向剛度可以方便施工、減小樁的直徑，且對周圍既有橋梁基礎(chǔ)擾動較小。樁間距和縱梁位置，遵循3根樁承受荷載接近的原則，托換樁樁頂設(shè)置水平約束。采用擴大樁頭有利于局部應(yīng)力擴散，提供施工空間。布設(shè)千斤頂，并對應(yīng)增加鋼筋網(wǎng)片，在擴大樁頭部分設(shè)置永久性鋼箍，防止應(yīng)力集中，提高混凝土的承載能力。

有效控制托換節(jié)點位移及托換荷載的主動轉(zhuǎn)移，采用主動托換技術(shù)。施工控制通過千斤頂?shù)淖饔眉皶r調(diào)整頂力和位移，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，制定合理的控制指標維持運營安全，保證施工質(zhì)量。托換樁沉降穩(wěn)定后，固結(jié)托換樁及托換大梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系，形成超靜定結(jié)構(gòu)體系。施工時需注意避免溫度效應(yīng)引起的附加應(yīng)力，要選擇合理的溫度。

（四）托換結(jié)構(gòu)設(shè)計

使用3排9根托換樁和兩跨連續(xù)格構(gòu)式托換大梁，組成托換工程的托換結(jié)構(gòu)。地道箱體采用單箱四室結(jié)構(gòu)，在托換樁與托換大梁下方之間并總寬度為50.4m。設(shè)置托換樁基3排，每排3根，每排樁之間設(shè)置水平系梁增加托換樁基的整體穩(wěn)定性。墩-梁固結(jié)點設(shè)計為“梁抱墩”形式，企口深度2.5cm，企口凹凸間距為0.15m。底面寬度0.8m，頂面寬度0.2m，抹角高度0.6m，采用Φ32HRB335鋼筋為抗剪錨筋，植入鋼筋形成固結(jié)。

三、托換施工工藝與質(zhì)量保證措施

（一）主動托換施工的工藝流程

監(jiān)測和控制是主動托換技術(shù)的關(guān)鍵。信息化施工采用實時監(jiān)測方式，實時監(jiān)測托換的受力和變形。根據(jù)監(jiān)測指標的控制值、預(yù)警值及時反饋指導(dǎo)，系統(tǒng)分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，修正和調(diào)整施工溫度等施工參數(shù)，保證整個施工安全、可控，有效的預(yù)測托換系統(tǒng)后期受力情況、變形，全面掌握新舊結(jié)構(gòu)的荷載轉(zhuǎn)換過程，力與變形的相互關(guān)系。

（二）關(guān)鍵工藝與質(zhì)量保證措施

1.托換樁施工

鋼筋籠主筋直螺紋預(yù)拼裝連接，正循環(huán)旋轉(zhuǎn)鉆機鉆孔，導(dǎo)管水下灌注混凝土。在施工過程中需要注意三個方面：一是成孔質(zhì)量。嚴格控制泥漿性能及垂直度，根據(jù)不同地層，合理選擇鉆進壓力。優(yōu)化鉆進操作規(guī)程，根據(jù)現(xiàn)場地層情況制定方案。適當控制鉆進速度，及時調(diào)整。二是鋼筋籠施工質(zhì)量，嚴格控制鋼筋籠制作、下籠、起吊等工藝。保證筋籠安放質(zhì)量。分節(jié)制作鋼筋籠，加強筋內(nèi)內(nèi)支撐。每節(jié)加工長度為4m～6m。采用直螺紋連接鋼筋籠，采取加長型加鎖母，連接直螺紋接頭。采取預(yù)拼裝技術(shù)，保證孔口順利對接，消除直螺紋連接產(chǎn)生的偏差。制作完成后，拆開鋼筋籠做好標記，在井口拼接時一一對應(yīng)，并根據(jù)技術(shù)要求及工程特點制作插桿如圖2所示，臨時固定鋼筋籠。三是合理控制含砂率、泥漿比重、漏斗黏度等，嚴格控制孔內(nèi)沉渣厚度。

圖2 臨時固定鋼筋籠的插桿

2.托換大梁施工

嚴格控制地基處理和支架預(yù)壓施工，保證托換大梁有較好的線形。為防止應(yīng)力集中，在托換樁樁帽與托換大梁的對應(yīng)位置設(shè)水平約束，并在對應(yīng)千斤頂?shù)奈恢貌捎娩摻罹W(wǎng)片。托換大梁澆筑分為兩步，鑿毛接觸界面銜接好混凝土。對于梁-墩固結(jié)點，需確保有效傳遞托換荷載，保證新舊混凝土的結(jié)合，采取施加雙向預(yù)應(yīng)力、鑿企口等措施。分期分批張拉預(yù)應(yīng)力筋，注意墩頂高程及橋墩應(yīng)力的變化，施工進度根據(jù)監(jiān)測結(jié)果。采用二次攪拌法拌制混凝土，提高混凝土強度，和易性與保水性。加強振搗，避免混凝土裂縫。冬季施工養(yǎng)護14d以上，采取全覆蓋蒸汽，減少混凝土裂縫。

四、結(jié)語

托換技術(shù)是一種新型高度綜合性技術(shù)，可以擴建工程、整頓、加層、加固建筑物等。在動荷載作用下，高速公路橋梁墩柱應(yīng)用主動托換技術(shù)，施工更加復(fù)雜，需要嚴格規(guī)范施工工藝，加強施工監(jiān)測，保證施工質(zhì)量。