新型懸臂式結構托換樁基技術在地鐵車站施工中的應用

李 東 福

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611130)

1 概 述

伴隨著社會經濟的高速發展，城市的市政交通網絡也在不斷完善，在城市軌道交通建設選址時，往往選擇將其修建在城市的繁華街區，樁基托換在地鐵施工時就是通常采用的處理方法。但在成都軌道交通18號線火車南站對人南立交橋E8號橋樁進行既有橋樁樁基進行托換處理時，發現該橋樁位于車站頂板的上方，該施工段車站的寬度為22.3 m，若采用傳統樁梁式托換法進行托換施工，存在因托換梁跨度過大而導致出現工期長、托換施工工序復雜、工程量大等缺點。對此，項目部專門成立的課題組結合施工現場的實際情況，通過工程實踐總結研究形成了“新型懸臂式結構托換樁基施工技術”，并在成都軌道交通18號線火車南站車站施工中應用，取得了較好的效果，創造了一個在城市復雜交通環境條件下大規模、高強度、高標準、高難度樁基托換工程的施工實例。闡述了該項施工技術創研與實施的過程。

2 技術原理

采用樁+承臺的方式對橋樁進行托換，其結構受力樁底進入中等風化泥巖層的深度不小于1 m，結構受力樁的受力形式按摩擦樁設計。懸臂式托換平面示意圖見圖1，懸臂式托換立面示意圖見圖2。

圖2 懸臂式托換立面示意圖

當結構受力樁施工完成后，搭設臨時支撐系統對既有橋梁進行支撐，為橋梁提供臨時的支撐體系，進而對原橋墩進行破除，完成橋梁的受力轉換，解決托換施工期間橋梁的支撐問題，最后施做托換承臺并原位還建橋墩，采用承臺將結構受力樁和新建橋墩連成整體，形成一個不等臂單杠桿支撐體系。支撐體系施工完成后，對新建橋墩和原橋梁接觸部位進行預頂，完成受力轉換，拆除臨時支撐系統[1]。

托換完成后，對托換樁樁底進行預注漿處理以進一步減少地鐵基坑開挖對新建托換結構的擾動，保障既有橋梁的結構安全。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

新型懸臂式結構托換樁基施工流程：施工準備→新建樁基施工→基坑開挖、支護→搭設支撐體系→E8橋墩拆除→托換承臺施工→原位還建橋墩→施工墊石、安裝支座→墩身混凝土等強→拆除支撐體系→基坑回填、恢復[2]。

3.2 操作要點

3.2.1 樁基工程施工

該項技術的結構受力樁為灌注樁。因加固樁大多位于橋梁下部，受梁下凈空影響，主要采用CZ-6D沖擊鉆機進行施工，其施工技術要點為：

(1)結構受力樁樁頂預留90 cm樁帽鋼筋，以便于后期與承臺鋼筋相結合。

(2)結構受力樁鋼筋籠采用分段制作，每段長6 m。

(3)在鋼筋制作時預埋3根φ60 mm聲測管用于后期檢測樁基成孔質量。聲測管應牢固綁扎在鋼筋籠內側且相互平行、定位準確，埋設至樁底，管口應高出樁頂30 cm，且各聲測管管口高度應一致，管底采用鋼板封底焊接，管口加蓋，管內無異物，不得漏水。

(4)樁身混凝土采用C40商品混凝土并確保一次連續澆筑成樁的要求。混凝土澆筑前，將孔底沉渣清理干凈。采用導管進行混凝土澆筑，隨著混凝土不斷的灌注、孔內混凝土面亦在不斷的上升，故應隨時提升和拆卸導管以保證導管埋深2～6 m[3]。

3.2.2 基坑開挖

基坑開挖采用放坡開挖、鋼板樁支護或者二者相結合的開挖支護方式。放坡開挖根據所揭露的邊坡情況輔以砂漿臨時噴護護坡，每邊預留0.5 m的操作空間，鋼板樁一側預留1 m的空間。

3.2.3 原橋墩拆除

(1)臨時支撐系統的搭設。

a.臨時支撐系統的設計。臨時支撐系統承受的荷載主要有箱梁自重、附件重、支架自重及其他荷載等。臨時支撐系統主要采用鋼管柱+千斤頂的形式在施工期間為橋梁提供臨時支撐。本次施工的臨時支撐系統由①、②號兩部分支撐體系組成，臨時支撐系統平面布置圖見圖3。

圖3 臨時支撐系統平面布置圖

b.①號支撐體系。鋼板的設置：兩立柱上部設置厚度為50 mm的Q235b鋼板，尺寸為1 m×1 m。

立柱的設置：鋼板下部設φ609 mm、壁厚16 mm的鋼立柱管，間距4.25 m，高度根據現場實測梁底標高進行調整。

立柱基礎的設置： 將C30混凝土澆筑成長1 m、寬1 m、高0.6 m的形狀，基礎底高程分別為493.734 m(P5號樁樁頂高程)、491.434 m(新建P7樁樁頂高程)，配筋參照車站冠梁配筋布置。

基礎樁基的設置：利用原有P5樁和新建P7樁作為①號支撐體系的基礎樁基，P5樁樁頂高出承臺頂面30 cm(標高493.734 m)，P7樁直徑為1.2 m，樁身長15 m，樁頂標高為491.434 m，配筋參照圍護樁配筋圖。

上部調節支撐系統的設置：在鋼板上方采用2臺液壓油缸系統調節梁底高度， ①號臨時支撐系統立面圖見圖4。當監測到梁底標高下降超過5 mm時，應及時采用千斤頂進行頂升以確保既有結構穩定[4]。

圖4 ①號臨時支撐系統立面圖

c.②號支撐體系。 鋼板的設置：與①號支撐體系相同。

分配梁的設置：分配梁采用I20b工字鋼，間距25 cm擺放。

主梁的設置：主梁采用I45c工字鋼雙拼。

立柱的設置：主梁下部設置φ609 mm、壁厚16 mm的鋼立柱管，間距2.5 m，立柱之間設置剪刀撐，高度根據現場實測梁底標高調整。

立柱基礎的設置：立柱基礎采用條形基礎，C30混凝土澆筑成寬1 m、高0.6 m，長度分別為6 m、3.5 m，配筋參照車站冠梁配筋布置。

上部調節支撐系統的設置：在鋼板上方采用2臺液壓油缸系統調節梁底高度，并在梁底與千斤頂接觸部位墊30 mm厚,尺寸為40 cm×40 cm的Q235b鋼板，當監測到梁底標高下降超過5 mm時，應及時采用千斤頂進行頂升，防止既有結構變形過大[4]，②號臨時支撐系統立面圖見圖5。

圖5 ②號臨時支撐系統立面圖

d.操作平臺的搭設。因鋼立柱支撐架主要為橋墩拆除過程中的主要支撐體系，在施工過程中需在鋼立柱支撐體系范圍內搭設一操作平臺，該平臺采用普通鋼管腳手架搭設。

①鋼管架采用普通型φ48 mm鋼管，壁厚3 mm，鋼管與鋼管之間相互用扣件固定。

②鋼管搭接長度不少于0.5 m，橫向步距為0.9 m、縱向步距為0.7 m、高度步距為1.5 m。

③縱向及橫向剪刀撐間隔不應大于6跨，剪刀撐接長時應采用搭接，其搭接長度不應小于800 mm，并應等距離設置不小于2個旋轉扣件且兩端扣件應在離桿端不小于100 mm處固定，將鋼管與鋼管的角度控制在45°至60°之間；每5跨設置一道斜撐，斜撐上部與鋼管架固定在一起，下部固定在地面上，將其與地面的角度控制在45°至60°之間，在支撐結構外圍的剪力撐應連續封閉。

e.支撐系統的安裝。

安裝順序：鋼管柱安裝→鋼管柱設置剪刀撐→操作平臺搭設→安裝I45c主梁→安裝I20b分配梁→鋪設鋼板→安裝千斤頂(根據間隙調整千斤頂的伸縮高度)。

鋼管柱的安裝方法：待鋼管柱擴大基礎施工完成后，利用吊車輔助或利用型鋼焊接臨時三角架，通過導鏈等工具安裝鋼立柱，并完成立柱間加強桿件的焊接。

f.預頂。考慮到鋼管柱支撐系統在支撐橋梁時存在的彈性變形以及整體沉降，在鋼管柱支撐系統布置后需要進行預頂，將梁底標高調節為動態調節且需以現場實際情況為準，總頂升力控制值為1 500 kN,頂升時應逐級增加；當梁底標高向上變動時應減慢頂升速度，梁底標高變化范圍不超過1 mm，頂升時的控制標準以梁底標高為主[5]。

(2)原橋墩的拆除。橋墩拆除時，考慮其對周圍環境的影響，拆除時選擇繩鋸進行切割、人工破除和機械破除相結合的方式。橋墩拆除前，采用直徑為48 mm、壁厚3 mm的普通鋼管搭設操作平臺，搭設過程中鋼管靠橋墩側緊貼墩柱，平臺步距為1.2 m，縱距及橫距均為1.2 m。

3.2.4 承臺施工

托換承臺長9 m，寬6.7 m,高1.8～4.5 m，呈階梯狀，承臺頂部需埋入地面以下0.356 m。

(1)承臺的施工流程。破除托換新樁頭的混凝土→澆筑墊層混凝土→承臺鋼筋制安→承臺模板制安→澆筑承臺混凝土→混凝土養護。

(2)承臺施工前的準備工作。

①破除托換新樁頭的混凝土，將樁頂以上90 cm預留鋼筋露出并清理干凈。

②用風鎬等電動工具破除托換新樁頭含泥沙部分的混凝土，破除時需注意：a.必須完全破除含泥沙部分的混凝土，不可有殘留的泥沙；b.破除樁頭時不可用力過猛，防止用力過度造成鋼筋擾動而影響到樁頭混凝土與鋼筋的握力。

(3)澆筑承臺墊層混凝土。托換樁樁頭混凝土破除完成后清潔樁頭，整平基坑基底，澆筑10 cm厚C15素混凝土墊層。

(4)鋼筋制安。根據設計圖紙放線定位與安裝鋼筋。在與承臺對應預埋鋼筋之間采用Ⅰ級擠壓套筒鋼筋接駁器連接。施工承臺鋼筋時，在原橋墩處預埋墩柱鋼筋，墩柱鋼筋需插入承臺內部90 cm。

為加強承臺與還建墩柱的連接，承臺頂部對應E8號原樁位置需預留鋼筋，該鋼筋需進入承臺內90 cm，外露30 cm，還建E8號原墩柱時與墩柱鋼筋進行機械連接。

(5)模板制安。側模板采用木模，支撐體系內龍骨采用10 cm×10 cm方木，間距為30 cm，外龍骨采用φ48 mm 雙向雙層鋼管，模板安裝前應涂刷脫模劑，所安裝的模板必須牢固。

(6)混凝土澆筑。采用C40商品混凝土，汽車泵泵送混凝土入模，插入式搗固器振搗，一次性連續澆筑，對澆筑完的混凝土進行淋水養護。

3.2.5 原位還建橋墩

待承臺混凝土達到設計強度后，在E8號原墩處還建原橋墩。墩身高度根據橋梁底高程推算，施工時應根據實測數據進行調整。

(1)還建樁與承臺界面的處理。調直預留搭接鋼筋，準確測量并放出橋墩柱中心點、托梁中軸線并用油漆標示于承臺及樁頂面。將承臺、樁頂與墩柱接觸部位的混凝土進行鑿毛處理并清理干凈，以便于承臺與墩柱能充分進行接觸，同時保護好已放樣的中心點。

(2)還建墩柱結構的施工。

①支架施工。為方便墩柱鋼筋、模板的安裝并提供澆筑混凝土的工作平臺，須搭設墩柱施工工作平臺。搭設前，對樁位周邊的地面進行清理、平整與壓實，其地基承載力應大于120 kPa,場地平面整平后即可進行支架的搭設工作。

支架采用φ48 mm，壁厚3 mm的普通鋼管搭設，其立桿的縱距為0.7 m，立桿的橫距為0.9 m，立桿的步距為1.5 m，操作平臺搭設完成后還需搭設一上下通道，以供人員上下平臺作業時使用。

②鋼筋綁扎。先與預留鋼筋進行機械連接，形成原樁鋼筋骨架，緊接著由還建樁從上到下對稱綁扎鋼筋最終形成緊密的鋼筋網柱，墩身鋼筋凈保護層厚度不小于35 mm。

③模板安裝。橋墩柱模板采用廠制整體鋼模，節高按0.5～3 m控制，其拉、箍等加固構件由廠家制作，確保墩身整體和局部尺寸、受力達到設計要求。

施工墩柱的模板由5 mm厚的Q235B鋼板彎曲而成，模板上、下及左、右接縫處邊框厚度為10 mm，模板豎肋及抱箍為8號U型鋼，環筋為厚10 mm、寬80 mm的鋼板彎曲而成，模板之間的連接螺栓為M18×50。本次施工墩柱的設計高度為7.415 m，其定制模板的節高為3 m、2 m及2.415 m三類。

3.2.6 混凝土澆筑

墩柱混凝土為商品混凝土，標號為C40，經混凝土罐車運至施工現場報檢合格后泵送入倉。為避免和減少施工縫，墩柱混凝土采用一次澆筑到頂的方式。為保證混凝土的自由下落高度不大于2 m，采用串筒進行混凝土的灌注，在灌注過程中，根據混凝土的上升速度隨時拆除上部的串筒。

3.2.7 模板拆除及混凝土養護

墩柱模板拆除前，對試塊進行了強度試驗，待墩柱同條件混凝土試塊抗壓強度達到設計強度的70%時方可拆除模板，模板利用吊車配合人工分片拆除。拆模時要求不得強行拉撬模板，以防碰傷墩身表面。

3.2.8 墩頂支座墊石的施工

墩柱鋼筋制安完成后，通知測量人員在墩柱頂部放樣出墊石輪廓線，之后安裝墊石鋼筋，支座混凝土為C50商品混凝土。

3.2.9 安裝支座及拆除支撐系統

待墩身混凝土強度達到設計值后安裝調試新的墩頂支座，支座采用GYZF4-800×125四氟滑板支座。支座施工時，以梁底標高作為控制要素，可采用鋼板進行調節。待支座安裝就位后，通過千斤頂進行緩慢卸荷減至0,最后拆除千斤頂即可完成主動托換，托換完成后，從上至下依序拆除支撐體系。

3.2.10 樁底預注漿

在整個托換施工完成后，需對托換結構受力樁樁底預注水泥漿以消除樁底沉降，保證加固結構的穩定。現場注漿參數為：

(1)注漿壓力為0.5～1.5 MPa；

(2)水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥；水灰比為0.5∶1～1∶1；

(3)注漿速度為5～10 L/min；

(4)注漿擴散半徑設計為1.5 m。

對于是否需要跟蹤注漿，應根據后期橋墩的變形監測情況而定。當橋梁任意一項監測項目監測值達黃色預警值時，立即啟動跟蹤注漿。

3.2.11 加固體系的監控量測

為確保托換過程中橋梁上部結構的正常安全使用，在施工過程中，對于每個施工步驟可能對結構造成的影響進行了相應的測點布置。采用信息化施工技術，以信息指導施工，在加固過程中對每個環節的監測數據進行采集、分析，發現問題及時提出并對相應的施工工藝進行優化[5]。

4 實施效果

4.1 經濟效益

成都軌道交通18號線土建1標火車南站人南立交E8號橋樁樁基托換施工應用了該技術，優化了資源配置和施工工藝，提高了施工效率，較傳統的混凝土樁加固技術縮短了施工時間，節約施工成本約10萬元/根，經濟效益良好。

4.2 社會效益

該項技術施工工藝簡便，能夠保證施工質量，加快施工進度，解決了地鐵施工中工期偏緊的難題，為成都軌道交通18號線1期如期開通奠定了基礎。

該項技術中采用的側挑懸臂式托換施工工藝極大程度地減少了對環境的污染，產生了很好的環保效益，節約了人、機、料的投入，降低了能量的消耗，節能效益顯著。

該項技術在成都軌道交通18號線1期工程中得到了成熟的運用，避免了在地鐵深基坑開挖時對既有橋樁的擾動、橋梁的沉降，保證了城市交通的通暢，減小了城市交通的壓力和地鐵施工對市民正常出行的影響。

5 結 語

懸臂式結構托換樁基施工技術的研究與應用有效地縮短了施工工期，為整個地鐵車站工程節點目標的實現提供了有力保障，其主要技術特點為：

(1)對侵入地鐵車站結構的原橋通過新建臨時鋼管柱支撐系統完成首次受力轉換后拆除原橋墩。

(2)在新建結構受力樁周圍預埋灌漿管進行超前注漿，注漿深度大于樁長2 m。

(3) 新建承臺將結構受力樁和新建橋墩連成整體，形成一個不等臂單杠桿支撐體系，完成對原橋二次受力轉換施工。

該項技術適用于：當既有建(構)筑物的樁基礎侵入新規劃設計建(構)筑物(地鐵車站、盾構區間)所用空間時，需對既有建(構)筑物侵入部分的樁基礎進行托換施工時；因為某種需要而對既有建(構)筑物的基礎進行置換時。