橋梁下部結(jié)構(gòu)托換技術(shù)綜述

齊 新，秘志輝

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

1 概述

當(dāng)新建道路、地道、地鐵等從既有橋梁下方通過(guò)時(shí)，時(shí)常會(huì)遇到與既有橋梁下部結(jié)構(gòu)位置發(fā)生沖突的情況。當(dāng)新建交通的線位調(diào)整仍然不能避開(kāi)既有橋墩時(shí)，就需要對(duì)既有橋墩進(jìn)行改造。改造的原則一般是不改變既有橋梁上部結(jié)構(gòu)的跨徑布置，改造后橋梁上部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)基本不變。因此改造的方案一般是新建樁基和地下托換大橫梁將原樁基礎(chǔ)托換或者將普通墩托換改造為門(mén)架墩，為新建交通提供通過(guò)的空間。

文獻(xiàn)[1]介紹了上海軌道交通下穿某跨河橋梁的托換工程。該橋?yàn)槿绾?jiǎn)支梁跨河橋，方案是對(duì)老橋首先進(jìn)行地基加固，然后采取連續(xù)大底板基礎(chǔ)托換橋墩、臺(tái)的樁基。

文獻(xiàn)[2-3]介紹了廣州機(jī)場(chǎng)西路所涉及的橋梁樁基托換工程設(shè)計(jì)。當(dāng)下穿隧道與橋梁樁基位置沖突時(shí)，采用地下大橫梁托換方案，即在擬建隧道兩側(cè)施工新的樁基，新建的地下大橫梁（托換梁）與既有橋梁承臺(tái)結(jié)合在一起，當(dāng)其支承于新建樁基實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換后，即可拆除老樁基。方案構(gòu)造如圖1（a）所示。類(lèi)似的利用地下大橫梁對(duì)橋梁樁基進(jìn)行托換的工程案例很多[5，8-9，12，15]。文獻(xiàn)[14]介紹的福州地鐵所引起的橋梁樁基托換案例中，雖然采用的是類(lèi)似的方案，可是因?yàn)槭┕l件的限制，因地制宜地應(yīng)用了二次托換技術(shù)。

圖1 廣州機(jī)場(chǎng)西路所涉橋墩改造方案構(gòu)造圖[2-3]

文獻(xiàn)[3]還介紹了當(dāng)?shù)孛娴缆放c橋墩位置沖突時(shí)，利用臨時(shí)支墩托換的方法，將普通橋墩改造為門(mén)架墩。方案構(gòu)造如圖1（b）、(c）所示。文獻(xiàn)[10]則介紹了新建蓋梁托換技術(shù)在高速公路橋梁改造中的應(yīng)用，將立柱加蓋梁的普通公路橋墩托換改造為門(mén)架墩。方案構(gòu)造如圖2 所示。

圖2 廣東高速公路橋墩改造為門(mén)架墩方案構(gòu)造圖[10]

關(guān)于橋臺(tái)樁基的托換，除了文獻(xiàn)[1]，國(guó)內(nèi)還有多個(gè)工程案例。文獻(xiàn)[4]介紹了成都某地鐵下穿單跨橋梁的橋臺(tái)時(shí)，在原橋臺(tái)底部增加擴(kuò)大結(jié)構(gòu)并新建樁基，以彌補(bǔ)因地鐵而準(zhǔn)備截除的樁基。方案構(gòu)造如圖3 所示。文獻(xiàn)[7]介紹了暗挖地鐵隧道下穿既有單跨橋梁時(shí)，采用新建樁基和大承臺(tái)來(lái)托換橋臺(tái)部分樁基的方案。文獻(xiàn)[16]介紹了橋臺(tái)改橋墩的頂升托換方案，新建樁基并部分利用老樁基，在老橋臺(tái)下方新建承臺(tái)，拆除一部分老橋臺(tái)后新建墩身，然后將上部結(jié)構(gòu)重量轉(zhuǎn)換到新橋墩，最后拆除老橋臺(tái)剩余部分。

圖3 成都地鐵下穿橋臺(tái)樁基托換方案構(gòu)造圖[4]

還有一些其他類(lèi)型的橋梁下部結(jié)構(gòu)托換的工程案例。例如地鐵下穿鐵路橋梁時(shí)的樁基托換[6]、地鐵車(chē)站基坑內(nèi)既有高架橋梁的樁基托換[11]等。

2 托換方案研究

2.1 既有橋梁調(diào)查和檢測(cè)

橋梁下部結(jié)構(gòu)托換工程比新建橋梁難得多，必須確保既有橋梁的安全。在托換方案制訂前，要對(duì)既有橋梁進(jìn)行調(diào)研和全面檢測(cè)，查清既有橋梁的狀況，作為制訂托換方案的基礎(chǔ)資料。與竣工資料和年檢資料進(jìn)行對(duì)比，檢查發(fā)生不均勻沉降、平面橫向偏位和縱向爬移的情況、混凝土梁體裂縫的情況、支座和伸縮縫是否出現(xiàn)病害。如果發(fā)現(xiàn)有明顯病害的情況，橋梁托換前應(yīng)先進(jìn)行病害治理。例如有支座損壞甚至引起梁體偏轉(zhuǎn)的狀況，應(yīng)先更換支座和糾偏。

2.2 基本方案

托換改造基本方案一般有兩類(lèi)。一類(lèi)是新建地下橫梁及其樁基，原樁基廢棄。這類(lèi)改造方案往往適用于地鐵、地道在地下下穿的情況。另外一類(lèi)是將普通橋墩改造為地面門(mén)架墩。這類(lèi)改造方案適用于有地上交通通過(guò)的情況，如地面道路、匝道橋、地道敞開(kāi)段等。

托換方案要進(jìn)行多方案的綜合比選，結(jié)合建設(shè)條件，從結(jié)構(gòu)受力安全、可實(shí)施性、施工風(fēng)險(xiǎn)、施工控制的難易程度、經(jīng)濟(jì)性、橋梁景觀等多方面進(jìn)行分析比較。

以地下橫梁方案為例，地面橋墩身是保留利用的，對(duì)橋梁景觀無(wú)影響，對(duì)地面交通的影響也很小。這是該方案的優(yōu)勢(shì)，可是該方案要考慮的制約因素也很多。比如地下大橫梁與地下其他建筑及管線位置是否沖突，是管線搬遷還是調(diào)整橫梁標(biāo)高對(duì)管線避讓?zhuān)髾M梁及新建樁基與遠(yuǎn)期規(guī)劃地鐵、地道、大直徑管線是否相適應(yīng)，橫梁是否需要施加預(yù)應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力鋼束體系的防腐保護(hù)措施，大橫梁上部的覆土等恒載后期是否會(huì)變化，橫梁上部地面汽車(chē)活載的影響等。相比較而言，地面門(mén)架墩方案結(jié)構(gòu)受力清晰、橫梁工程量相對(duì)較少，預(yù)應(yīng)力體系的耐久性好、對(duì)地下管線的影響小。可是地面門(mén)架墩方案對(duì)橋梁景觀影響較大，同時(shí)要考慮門(mén)架墩的布置與地面交通的關(guān)系。

2.3 結(jié)構(gòu)方案

在確定基本方案后，還要對(duì)托換工程的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行研究和比較，地下橫梁有普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的比選，地上門(mén)架墩橫梁還可以考慮鋼結(jié)構(gòu)。如圖4 所示，地下橫梁方案有橫梁全部位于承臺(tái)下方、橫梁與承臺(tái)結(jié)合、橫梁與墩柱結(jié)合三種形式。地上門(mén)架墩橫梁可以設(shè)計(jì)為明橫梁或者隱式橫梁，如圖5 所示。明橫梁構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，施工方便。隱式橫梁比較美觀，然而隱式橫梁與上部結(jié)構(gòu)結(jié)合需要采用鑿毛和植筋等措施，施工操作費(fèi)工費(fèi)時(shí)，連接構(gòu)造的耐久性也有待時(shí)間檢驗(yàn)。

圖4 托換大橫梁與基礎(chǔ)的結(jié)合方式示意圖

圖5 門(mén)架墩方案示意圖

樁基位置確定要符合地下結(jié)構(gòu)物安全距離的要求，樁基構(gòu)造和配筋要考慮隨后的地下結(jié)構(gòu)物施工引起土體擾動(dòng)所帶來(lái)的樁身附加彎矩和樁基豎向承載能力降低等不利影響。橫梁的截面尺寸和標(biāo)高、樁基的直徑與根數(shù)、橫梁與既有承臺(tái)的結(jié)合方式等，也是需要深入研究比較的。

方案制定過(guò)程中要驗(yàn)算改造前后橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的受力情況比較。下部結(jié)構(gòu)由普通橋墩變換為門(mén)架墩或者地下門(mén)架基礎(chǔ)后，不僅下部結(jié)構(gòu)的剛度會(huì)發(fā)生變化，而且長(zhǎng)期的收縮徐變會(huì)產(chǎn)生位移。這些都會(huì)引起橋梁上部結(jié)構(gòu)在使用階段的內(nèi)力的變化。以汽車(chē)活載為例，同樣的汽車(chē)荷載作用下，由于下部結(jié)構(gòu)變形增大了，引起上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力增大，因此應(yīng)同時(shí)對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，必要時(shí)對(duì)下部結(jié)構(gòu)構(gòu)造尺寸進(jìn)行調(diào)整，使其滿足要求。

2.4 主動(dòng)托換與被動(dòng)托換

一般采用主動(dòng)托換的方案。主動(dòng)托換是要采取主動(dòng)控制的措施，達(dá)到托換后上部結(jié)構(gòu)標(biāo)高不變的目的。主要手段是通過(guò)千斤頂施加主動(dòng)力，將橋梁的重量轉(zhuǎn)換到新的基礎(chǔ)上，使新的基礎(chǔ)產(chǎn)生沉降和樁身壓縮變形后，再連接形成最終的下部結(jié)構(gòu)支承體系。以地下橫梁方案為例，施工地下橫梁時(shí)先不與樁基相連，利用樁基作為支承施加主動(dòng)力頂升橫梁，卸載老樁基，將重量轉(zhuǎn)換到新樁基，使橫梁和樁基充分發(fā)生變形，并保持上部結(jié)構(gòu)的標(biāo)高不變。

當(dāng)橫梁的跨度較小，樁基也是短的嵌巖樁，上部恒載轉(zhuǎn)換后的下沉變形很小，不利影響仍在上部結(jié)構(gòu)可承受的范圍之內(nèi)；或者當(dāng)上部結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支梁的情況，則可以在澆筑橫梁時(shí)將樁基連在一起。該方法也被稱(chēng)作被動(dòng)托換[13]。

3 主要托換方案的實(shí)施步驟及要點(diǎn)

3.1 地下橫梁托換方案

該方案有地下轉(zhuǎn)換橫梁在既有承臺(tái)下方和新建橫梁與既有承臺(tái)或墩身結(jié)合在一起等結(jié)構(gòu)形式。這里以與承臺(tái)相結(jié)合的方案為例，說(shuō)明主要施工步驟及要點(diǎn)。

（1）施工新的樁基礎(chǔ)，在樁頂設(shè)置臨時(shí)構(gòu)造，安放千斤頂。

（2）為了使新建橫梁與既有承臺(tái)牢固結(jié)合，需清除承臺(tái)底部墊層混凝土，對(duì)承臺(tái)及樁基與橫梁的結(jié)合面進(jìn)行鑿毛處理并植筋。新建橫梁混凝土澆筑前，要對(duì)承臺(tái)及樁基表面采取長(zhǎng)時(shí)間充分濕潤(rùn)等措施，以增加結(jié)合力。為了使承臺(tái)底面部位的混凝土澆筑密實(shí)，要開(kāi)設(shè)適當(dāng)數(shù)量的通到承臺(tái)頂面的澆筑孔和排氣孔。

（3）綁扎托換橫梁的鋼筋和安裝預(yù)應(yīng)力鋼束（如果有），澆筑橫梁混凝土。新樁基與橫梁暫時(shí)不連接。

（4）橫梁混凝土達(dá)到要求的強(qiáng)度后，如果是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，則張拉第一批預(yù)應(yīng)力鋼束（是否分批張拉以及每批張拉的數(shù)量通過(guò)計(jì)算分析確定），頂升千斤頂，橋梁重量轉(zhuǎn)換到新建樁基，老樁基卸載。

（5）實(shí)施樁基與橫梁的結(jié)構(gòu)連接，澆筑的混凝土達(dá)到強(qiáng)度后拆卸千斤頂。

（6）切割掉適當(dāng)高度的樁基段，使老樁基與新建橫梁結(jié)構(gòu)完全分離。張拉剩余橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束（如果有）。

3.2 地面門(mén)架墩托換方案

該方案的新橫梁根據(jù)工程需要設(shè)計(jì)為普通鋼筋混凝土構(gòu)件、預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件或者鋼結(jié)構(gòu)。這里以預(yù)應(yīng)力混凝土明橫梁和鋼結(jié)構(gòu)隱式橫梁為例，分別說(shuō)明其主要施工步驟及要點(diǎn)。

3.2.1 預(yù)應(yīng)力混凝土明橫梁

（1）施工新門(mén)架墩樁基、承臺(tái)和立柱。

（2）在既有橋墩前后安裝臨時(shí)墩，并安放千斤頂。

（3）啟動(dòng)千斤頂，將上部結(jié)構(gòu)重量轉(zhuǎn)換到臨時(shí)墩。拆除該老橋墩支座和墩身。

（4）建造新橫梁并張拉第一批預(yù)應(yīng)力鋼束，橫梁現(xiàn)澆支架拆除。

（5）在橫梁頂永久支座附近布置千斤頂并施加適當(dāng)頂升力。

（6）張拉橫梁第二批預(yù)應(yīng)力鋼束。這時(shí)因?yàn)闄M梁上拱，千斤頂?shù)捻斏?huì)被動(dòng)增加。

（7）繼續(xù)施加千斤頂頂升力至設(shè)計(jì)值，將上部結(jié)構(gòu)重量完全由臨時(shí)墩轉(zhuǎn)換至新建橫梁。拆除臨時(shí)墩。

（8）安裝永久支座，并使座漿密實(shí)。待座漿強(qiáng)度達(dá)到要求時(shí)，卸載千斤頂，將支承力由千斤頂轉(zhuǎn)至永久支座，完成托換工程?？紤]到支座的壓縮變形，千斤頂?shù)诙雾斏皆O(shè)計(jì)值時(shí)，橋面標(biāo)高宜適當(dāng)高1～2 mm。

3.2.2 鋼結(jié)構(gòu)隱式橫梁

地面門(mén)架墩還可以設(shè)計(jì)為鋼橫梁.以圖6 所示為例，橋梁上部結(jié)構(gòu)為連續(xù)鋼箱梁。為了美觀或者橋下凈空受限制時(shí)，新增鋼橫梁與鋼箱梁結(jié)合在一起形成隱式橫梁，橫梁兩端通過(guò)支座支承在新建門(mén)架墩立柱上，具體實(shí)施步驟為：

圖6 鋼橫梁門(mén)架墩方案示意圖

（1）在鋼連續(xù)梁部分跨中設(shè)臨時(shí)支架，頂升使鋼連續(xù)梁卸載，使要改造成鋼橫梁的部位的鋼箱梁的應(yīng)力接近于零。同期施工新門(mén)架墩樁基、承臺(tái)和立柱。

（2）搭建墩位處臨時(shí)墩，臨時(shí)墩頂安放千斤頂并頂升，將上部重量轉(zhuǎn)換至臨時(shí)墩，拆除老橋墩。

（3）焊接外接鋼橫梁，橫梁腹板與箱梁內(nèi)隔板對(duì)齊，必要時(shí)箱梁內(nèi)進(jìn)行加強(qiáng)改造。

（4）在新建墩柱頂支座附近安放千斤頂并施加適當(dāng)頂升力。卸載并拆除鋼連續(xù)梁跨中臨時(shí)支架。

（5）墩柱頂?shù)那Ы镯敿虞d，將上部結(jié)構(gòu)重量由臨時(shí)墩轉(zhuǎn)換至門(mén)架墩。

（6）安裝支座并使座漿密實(shí)，達(dá)到支座頂面與鋼橫梁、底面與混凝土墊塊均密貼的要求。

（7）座漿達(dá)到設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度后拆除千斤頂，支承力轉(zhuǎn)換至永久支座，完成托換改造。

4 托換工程關(guān)鍵點(diǎn)

（1）要建立有限元模型對(duì)既有橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。在托換作業(yè)過(guò)程中，對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)有“頂”和“落”的操作，梁體標(biāo)高會(huì)有微量的上升和下降。縱向?yàn)樾】鐝交蛘咂胀ㄤ摻罨炷两Y(jié)構(gòu)的連續(xù)梁，對(duì)橋墩位移變化比較敏感，要將豎向位移的變量控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。此外，還要結(jié)合檢測(cè)資料進(jìn)行控制。例如資料顯示要托換的橋墩已經(jīng)發(fā)生了不均勻沉降，則托換作業(yè)要控制其向上的位移可以多些，不再允許下?lián)匣蛟试S下?lián)系牧恐悼刂频煤苄　?/p>

（2）必須重視托換過(guò)程中的監(jiān)控工作，對(duì)千斤頂?shù)捻斏蜆?biāo)高等同時(shí)實(shí)行監(jiān)控。由于橋梁實(shí)際重量、結(jié)構(gòu)剛度等與理論值存在誤差，所以托換過(guò)程中應(yīng)以對(duì)上部縱梁標(biāo)高的監(jiān)控為關(guān)鍵，控制縱梁標(biāo)高在限定的上升和下降限值范圍內(nèi)變化，保證托換過(guò)程中縱梁的安全。

（3）應(yīng)仔細(xì)驗(yàn)算，預(yù)留合適的托換完成后的橋面預(yù)拱度值。例如新建橫梁在長(zhǎng)期收縮徐變后是下?lián)系模谄?chē)荷載作用下的下?lián)现狄彩窃黾拥?，則托換完成后的縱梁標(biāo)高宜稍微高于現(xiàn)狀。

（4）嚴(yán)格執(zhí)行分級(jí)加載和分級(jí)卸載的作業(yè)制度。由于上部縱梁標(biāo)高要控制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變動(dòng)，因此千斤頂加載和卸載都要逐級(jí)緩慢進(jìn)行。荷載每加一級(jí)或者減一級(jí)，都要對(duì)實(shí)際的頂升力和位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)、與理論值進(jìn)行對(duì)照，并對(duì)最終加載值進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

（5）應(yīng)嚴(yán)格控制臨時(shí)墩的沉降變形。這是地面門(mén)架墩托換改造方案成敗的關(guān)鍵之一。臨時(shí)支墩承載力大，支承時(shí)間長(zhǎng)，因此應(yīng)支承在既有橋墩承臺(tái)上。如果需要單獨(dú)做基礎(chǔ)，則應(yīng)做樁基礎(chǔ)。雖然費(fèi)用高些，但是為拖換的順利實(shí)施打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（6）托換操作所用千斤頂應(yīng)為自鎖式，加載到位后要機(jī)械旋緊鎖定。千斤頂?shù)捻敽偷滓话銘?yīng)安放厚鋼板以擴(kuò)散局部承壓力，頂升點(diǎn)也不能離結(jié)構(gòu)邊緣太近。同時(shí)，還要注意對(duì)老結(jié)構(gòu)頂升點(diǎn)的混凝土密實(shí)性進(jìn)行檢查。如果發(fā)現(xiàn)有孔洞，應(yīng)先行修補(bǔ)。

（7）地下大橫梁方案的新樁基與大橫梁連接處的構(gòu)造要進(jìn)行仔細(xì)設(shè)計(jì)?？紤]的因素有樁帽構(gòu)造、千斤頂布置、鋼支撐的布置、托換后樁基與大橫梁的連接等。既要受力安全可靠，又要注意預(yù)留和避讓?zhuān)⑶沂┕げ僮鞣奖恪?/p>

（8）要注重保障地下大橫梁預(yù)應(yīng)力體系的耐久性的措施。預(yù)應(yīng)力鋼束的封錨構(gòu)造設(shè)計(jì)要增加厚度和加強(qiáng)配筋，施工時(shí)壓漿要仔細(xì)認(rèn)真，使壓漿密實(shí)飽滿。封錨時(shí)要仔細(xì)鑿毛，兩次澆筑的混凝土結(jié)合要緊密，切斷腐蝕通道。

（9）地下大橫梁方案的千斤頂頂升時(shí)，要加強(qiáng)頂升位移一致性的控制，防止造成大橫梁產(chǎn)生傾斜和扭轉(zhuǎn)。

（10）承載力轉(zhuǎn)換到新樁基后，千斤頂要持荷適當(dāng)?shù)臅r(shí)間。其間如果樁基沉降增量較大，則需要啟動(dòng)千斤頂調(diào)整標(biāo)高，穩(wěn)定后再連接為永久結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）托換要根據(jù)既有橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、施工條件、景觀、經(jīng)濟(jì)性，改造過(guò)程中和改造后的結(jié)構(gòu)安全、施工難度、風(fēng)險(xiǎn)控制、工期要求等因素進(jìn)行綜合研究來(lái)確定托換改造方案。

（2）托換改造要遵循改造后上部結(jié)構(gòu)標(biāo)高不變、受力特性基本不變、改造過(guò)程中梁體標(biāo)高變動(dòng)幅度要在結(jié)構(gòu)受力安全允許的范圍內(nèi)的原則。

（3）托換改造不同于新建工程，設(shè)計(jì)和施工難度都要大得多，施工風(fēng)險(xiǎn)也較高。因此，要重視施工圖設(shè)計(jì)、施工組織設(shè)計(jì)等工作，圍繞托換工程的關(guān)鍵點(diǎn)制訂有針對(duì)性的施工方案并認(rèn)真落實(shí)，控制工程風(fēng)險(xiǎn)并保障托換質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。