某橋梁樁基托換工程變形控制探索與實踐

2021-12-16 08:42:28侯偉清

福建建筑 2021年11期

侯偉清

(福州地鐵集團有限公司福建福州 350000)

0 引言

橋梁的換托是一個動態過程，核心在于新樁和原樁荷載轉換。托換中，橋梁的縱向偏差、立柱傾斜率、板梁間隙等都會發生較大變化，特別是支承點的相對變化，將導致橋梁受力狀態發生變化，這就要求換托的過程中橋梁上部結構的變形必須在允許的范圍之內[1]。因此，在施工過程中，對橋梁結構和臨時構件的變形和關鍵部位的內力進行監控，非常必要。需要建立一整套的監測系統，設定必要的預警值和極限值，控制指標必須精準，才能確保托換工藝成功實施。

1 工程概況

福州軌道交通某區間隧道范圍內立交橋墩樁基侵入、須采用新建樁基、承臺、橋墩來替換原舊橋下部結構。隧道頂埋深約14 m，托換的橋墩所在上部結構為3 m×15.75 m鋼筋砼連續箱梁，橋墩下部結構為薄壁墩配承臺預制方樁基礎，墩高11.714 m，預制方樁的截面尺寸為40 cm×40 cm，樁長32 m，橋址地質條件差、地下1.5 m左右即見軟土，且地下水位高。該工程采用主動換托技術，即在原有樁基截除之前，在新樁和托換結構之間利用千斤頂施加荷載，消除部分新樁和托換結構的變形。其步驟分別為：施工新橋墩樁基-澆筑新橋墩兩側承臺-安裝臨時支撐架及千斤頂-拆除舊橋墩及承臺[2]，拔除舊橋墩樁基-澆筑后澆承臺-澆筑新橋墩-拆除臨時支撐架-恢復路面并開始盾構施工，施工流程如圖1所示。

該項目采用信息化施工技術，以信息指導施工，對托換過程中，對每個環節的監測數據進行采集、分析，并第一時間反饋至各參建方、對有關托換頂升參數進行修正。在托換或頂升過程中，須對原樁的位移、沉降和托換新樁的沉降情況、蓋梁的變形進行嚴密監測。

(a)步驟一 (b)步驟二

(c)步驟三 (d)步驟四

(e)步驟五 (f)步驟六

(g)步驟七 (h)步驟八

2 最不利工況分析

根據設計圖紙，所檢橋梁上部結構分析計算，采用橋梁專用程序MIDAS/Civil進行空間建模分析。其中上部結構為3 m×15.75 m鋼筋砼連續箱梁，采用桿系模型，主梁混凝土C30，Ⅱ級鋼，結構內力按照《公路橋涵設計通用規范》(JTJ 023-85)進行荷載組合驗算，采用桿系模型。本文以第22聯141#橋墩、18聯112#為例進行模擬，采用參數為：上部結構為3 m×15.75 m鋼筋砼連續箱梁，墩承臺厚度320 cm，相應樁徑180 cm，橋寬8 m，普通鋼筋配筋率0.56%。有限元模型如圖2～圖3所示。

圖2 D匝道第22聯有限元模型示意圖

圖3 E匝道第18聯有限元模型示意圖

根據有限元模型分析結果，D匝道第22聯141#墩在千斤頂從0 mm頂升至6.83 mm時，D匝道主梁存在應變150με的點，達到混凝土的開裂應變。故D匝道第22聯頂升位移極限值設定為6.83 mm。根據有限元模型分析結果，E匝道第18聯112#墩在千斤頂從0 mm頂升至5.87 mm時，D匝道主梁存在應變150με的點，該應變達到了混凝土的開裂應變。故E匝道第18聯頂升位移極限值設定為5.87 mm。

3 監測項目及控制值

監測內容包括：①橋梁線型，用以反應橋梁下部結構土體穩定狀況和整體橋梁結構的平動、轉動和傾斜情況；②上部結構應力應變，用以監測梁體因施工擾動引起的附加內力；③裂縫監測，對橋梁的裂縫狀況進行實時數據采集；④箱梁支點豎向絕對位移，用以驗證托換結構實施后受力轉換的可靠性，并對橋梁安全狀態進行準確評估；⑤臨時支撐架傾斜、沉降，用以監測新建樁基與承臺周圍的土體穩定性；⑥新、舊墩應力應變，用以反應箱梁在頂升施工過程中的荷載轉移情況；⑦托換完成后新、舊墩傾斜，用以準確把握地鐵施工期間，盾構下穿、土體擾動對匝道橋上部結構的影響。控制值及監測內容如表1所示。

表1 控制值及監測內容一覽表

在托換施工過程中，上部結構不可避免會產生位移，但橋梁結構的變形是有限的。根據最不利工況分析，梁端位移的極限值設定為5.87 mm，托換施工過程中必須對該監測項目進行嚴密監控。該指標異常時，馬上對其他監測參數進行一次全面測量，確認異常原因，采取必要措施，及時反饋至各參建單位。

4 監測要點

樁基托換施工工序多，技術復雜，每一步疏忽都有可能造成不可挽回的損失。因此，監測工作必須貫穿整個樁基托換工程的始終。為此，我們實施樁基托換信息化施工監測，其監測要點包括：

(1)建立一套完善、先進、可靠的監控系統，由靜力水準式沉降儀、美國基康鋼弦式應變計等穩定性好、精度高的傳感器，先進穩定的專用模塊設備及數據實時存儲、處理和分析系統等組成。

(2)重點關注托換新樁施工階段，包括既有橋樁基持力層擾動、地下水位改變，須在周邊建筑物和托換樁布置監測點，同時進行水位觀察。

(3)重點箱梁頂升施工階段，包括被托換結構的頂升及沉降位移、新樁沉降、支座反力狀態、箱梁底面絕對標高，頂升千斤頂裝置及安全自鎖裝置的同步協調等。

5 變形分析

根據實際施工過程，本次樁基托換過程監測結果分為五個階段，相應監測成果如下：

(1)第一階段：新承臺開始樁基施工至臨時支撐安裝完成

在第一階段施工期間，監測樁基施工對臨近既有橋墩的影響，在施工期間對臨近的5個既有橋墩沉降及傾角進行監測，樁基施工臨邊既有橋墩均未發生明顯變位，如表2～表3所示。

表2 D匝道第一階段橋墩沉降數據監測結果

表3 D匝道第一階段橋墩傾角數據監測結果

(2)第二階段：完成上部結構從老橋墩支座受力到臨時支撐受力的托換過程

第二階段施工過程的基本流程為：首先使臨時支撐上的千斤頂對主梁進行頂升，使得主梁與141#墩上的舊支座脫離；臨時支座就位，千斤頂卸荷載，使得主梁落于臨時支座處；觀察臨時支撐受力后的變形狀況，待臨時支撐承臺變位，主梁豎向位移均穩定后，取出141#墩舊支座開始141#舊墩切除施工。第二階段施工期間，主梁最大頂升高度為7.95 mm，千斤頂回落、主梁轉換為臨時支座受力后，主梁141#截面兩側高程分別為4.99 mm和5.95 mm，說明141#墩舊支座已經完全不受力，臨時支座完全受力，頂升后36 h內主梁高程基本不變，說明臨時支撐體系較為穩定。在托換過程中，主梁梁底應變以受壓為主，最大壓應變為-24με，主梁未發生明顯損傷，如表4～表5所示。

表4 D匝道第二階段主梁豎向位移監測結果

表5 D匝道第二階段主梁應變監測結果

(3)第三階段：進行中間后澆承臺施工以及新橋墩的施工

113#墩第三階段施工期間，E匝道主梁113#截面梁體高程變化部分數據，由于地下水變化以及113#墩臨時支撐為摩擦樁基礎等原因的耦合作用，113#截面主梁高程明顯下降，且下降速度較快，主梁左右兩側高程分別下降為-5.55 mm和-3.98 mm。鑒于此，監控單位發出預警，施工單位立即對113#截面主梁進行二次頂升，頂升后113#主梁兩側高程恢復至5.15 mm和5.03 mm，施工期間，施工臨邊橋墩傾角未發生明顯變化，確保了第三階段施工期間主梁不發生損傷，如表6所示。

(4)第四階段：完成上部結構從臨時支撐受力到新橋墩受力的托換過程

第四階段施工過程的基本流程為：首先使臨時支撐上的千斤頂對主梁進行頂升，使得主梁141#截面與臨時支撐脫空，頂升期間嚴格控制主梁的位移；141#墩新支座就位，千斤頂卸荷載，使得主梁落于新支座處，注意在主梁就位后盡量保持支座受力均勻；觀察141#新墩受力后橋墩及承臺的變形狀況，待變形穩定后，拆除臨時支座及臨時支撐。第四階段施工期間，主梁最大頂升高度為11.35 mm，主梁轉換為墩新支座受力后，主梁截面兩側高程分別為3.24 mm和3.56 mm，頂升后36 h內主梁高程基本不變，說明臨時支撐體系較為穩定。在托換過程中，主梁梁底應變以受壓為主，最大壓應變為-28με，主梁未發生明顯損傷，位移監測結果如表7～表8所示。

表7 D匝道第四階段主梁豎向位移監測結果

表8 D匝道第四階段主梁應變監測結果

(5)第五階段：拆除臨時支撐恢復路面至正常上部結構通車正常運營。

通過對E匝道橋墩沉降、傾角及主梁應變的監測可知，樁基拖換完成后，橋墩沉降及傾角未發生明顯變化，主梁未發生新的損傷。

(6)靜載試驗

為確定橋梁結構的實際工作狀態，對被托換結構所在聯進行靜載試驗，采用三軸載重汽車加載方式，按荷載效率η范圍進行計算，確定采用4部重車進行靜載試驗，依據設計荷載等級要求，對橋梁結構在最不利荷載組合下產生的內力進行詳細計算，并通過布置荷載工況，使現場加載產生的內力與設計荷載產生的理論內力的比值符合橋梁試驗規范的要求，如表9～表10所示。