超靜定橋梁樁基柱頂主動(dòng)托換研究

摘要 為探究隧道盾構(gòu)穿越橋梁樁基時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理，以上海市域鐵路嘉閔線盾構(gòu)下穿滬渝高速公路樁基項(xiàng)目為依托，采用數(shù)值分析方法對(duì)托換梁—立柱節(jié)點(diǎn)受力性能和施工過程中對(duì)既有蓋梁的影響進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：采用托換梁抱立柱結(jié)構(gòu)形式，在立柱四周鑿出矩形企口縫并植筋，托換梁設(shè)置縱向預(yù)應(yīng)力筋能有效地使托換梁與立柱固結(jié)為一個(gè)整體；采用蓋梁彎矩和位移雙參數(shù)控制原則，在施工過程中通過調(diào)整千斤頂頂升力，既有蓋梁的彎矩和豎向位移均在控制范圍之內(nèi)。

關(guān)鍵詞 公路橋梁 ；樁基托換 ；數(shù)值計(jì)算；樁基礎(chǔ)；主動(dòng)托換

中圖分類號(hào) U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）08-0053-03

0 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)和城市建設(shè)日益推進(jìn)，地面空間資源急劇減少，以市域鐵路、地鐵為代表的城市地下軌道交通系統(tǒng)得到迅猛的發(fā)展。原則上交通線路選線應(yīng)盡量避讓地面和地下建（構(gòu)）筑物，但實(shí)際上由于各種條件的限制，總會(huì)有部分隧道從建（構(gòu)）筑物下面或近距離穿過。為了保障建（構(gòu)）筑物正常使用，同時(shí)也為了保證隧道施工時(shí)有足夠的空間。越來越多的項(xiàng)目運(yùn)用樁基托換技術(shù)清除受影響的地下障礙物[1-4]。

朱金涌[5]以蘭州地鐵2號(hào)線穿越魚兒溝橋項(xiàng)目，依據(jù)樁基托換設(shè)計(jì)方案室內(nèi)模型，研究樁基托換前后既有樁和托換樁的豎向位移、樁身軸力和側(cè)摩阻力的變化規(guī)律。牛斌[6]依托石家莊地鐵2號(hào)線長(zhǎng)安公園站－藍(lán)天圣木站區(qū)間盾構(gòu)下穿既有樁基項(xiàng)目，通過理論計(jì)算確定主動(dòng)托換過程中頂升力的測(cè)定方法。鑒于此，該文依托上海市域鐵路嘉閔線盾構(gòu)下穿滬渝高速公路樁基為案例，對(duì)托換梁—立柱節(jié)點(diǎn)受力性能和托換施工過程中對(duì)既有蓋梁的影響深入分析，研究成果可為隧道盾構(gòu)下穿樁基的托換技術(shù)的設(shè)計(jì)和施工作為借鑒。

1 工程概述

上海市域鐵路嘉閔線盾構(gòu)斜穿滬渝高速公路節(jié)點(diǎn)位于迎賓三路站至滬星路站區(qū)間，區(qū)間線路長(zhǎng)度2 082 m。線路自申昆路轉(zhuǎn)至七莘路走行區(qū)段，連續(xù)采用2處400 m曲線半徑，穿越滬渝高速節(jié)點(diǎn)線路平面為直線段。線路自迎賓三路站引出后下坡穿越北橫涇河，后線路起坡引入滬星路站。穿越滬渝高速節(jié)點(diǎn)線路采用8.9‰上坡，軌面標(biāo)高-17.0～17.6 m。區(qū)間均采用雙洞單線盾構(gòu)。盾構(gòu)外徑9 m，環(huán)寬1.5 m，管片厚度450 mm。

滬渝高速（滬青平高速）于2001年3月竣工。項(xiàng)目處上部結(jié)構(gòu)為22 m簡(jiǎn)支空心板梁，橋?qū)?6～32 m。蓋梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，矩形混凝土立柱。影響滬渝高速公路34#墩北幅、35#墩南北幅及36#墩南幅3個(gè)橋墩4個(gè)立柱。滬渝高速立柱軸線與嘉閔線夾角61°。該文主要分析35#墩南北兩個(gè)立柱樁基托換。

2 樁基托換設(shè)計(jì)方案

樁基托按照不同的托換部位可分為墩頂托換和墩底托換兩種方案。考慮既有承臺(tái)樁基采用Φ600 PHC預(yù)制管樁，節(jié)段樁基連接鋼端板位置難以確定，且盾構(gòu)機(jī)無法直接磨碎鋼端板后掘進(jìn)，故對(duì)既有橋墩進(jìn)行樁基托換后，拔出既有PHC管樁。根據(jù)設(shè)備規(guī)格并參考其他工程經(jīng)驗(yàn)，拔樁機(jī)施工高度空間約7 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用墩頂托換方案。

2.1 托換梁設(shè)計(jì)

35#橋墩各立柱的托換梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)新建承臺(tái)的位置，托換梁的尺寸為18.6 m×3.8 m×

2 m（兩個(gè)托換梁尺寸相同）。托換梁內(nèi)設(shè)20-Φ15.2鋼束14束，鋼束按兩層錯(cuò)開立柱布置，托換梁按A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)。

2.2 托換梁—立柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

35#墩托換墩柱承受的軸力11 447.96 kN，為保證托換梁—立柱節(jié)點(diǎn)固結(jié)，采用托換梁抱立柱結(jié)構(gòu)形式，在立柱四周鑿出矩形企口縫，梁柱固結(jié)范圍內(nèi)立柱四周植筋，托換梁設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋等方法。企口縫寬150 mm，深30 mm，托換梁范圍內(nèi)共設(shè)7道企口縫，托換梁—立柱接觸面均勻涂刷界面劑。錨筋采用HRB400 Φ25 mm鋼筋，錨筋之間間距200 mm，距離邊緣100 mm，植筋錨固深度600 mm，外露600 mm。采用專用植筋膠，使植入的錨筋和立柱固結(jié)。

2.3 托換承臺(tái)設(shè)計(jì)

由于需要鑿除既有承臺(tái)，拔出既有PHC管樁，新建托換承臺(tái)分兩部分實(shí)施。先施工臨時(shí)支墩下的樁基和承臺(tái)，承臺(tái)預(yù)留鋼筋套筒和波紋管。該部分承臺(tái)的尺寸為3.8 m×5.8 m×2.5 m（3個(gè)），待PHC管樁拔除后，實(shí)施剩余承臺(tái)，該部分承臺(tái)尺寸為14 m×5.8 m×2.5 m（2個(gè)）。托換承臺(tái)采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，按A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，托換承臺(tái)內(nèi)設(shè)17-Ф15.2鋼束19束。因盾構(gòu)斜穿限制，基礎(chǔ)采用Φ800 mm鉆孔灌注樁。

3 數(shù)值模擬分析計(jì)算

3.1 模型建立

針對(duì)樁基托換整個(gè)施工過程中最重要的兩個(gè)部分，托換梁—立柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和托換施工過程中對(duì)既有蓋梁的影響分別采用實(shí)體建模分析和Midas Civil建模分析。

根據(jù)托換梁—立柱和托換梁設(shè)計(jì)參數(shù)建立35#墩托換梁—立柱節(jié)點(diǎn)的實(shí)體模型。模型中考慮了縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋、矩形企口縫和植筋三種作用效應(yīng)組合。

施工步驟大致分為既有結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)、施工托換承臺(tái)和立柱、澆筑托換梁、張拉托換梁鋼束、安裝千斤頂、拆除滿堂支架、第1次千斤頂頂升力調(diào)整、鑿除立柱和承臺(tái)、第2次千斤頂頂升力調(diào)整、澆筑托換承臺(tái)混凝土、第3次千斤頂頂升力調(diào)整、立柱連接、千斤頂卸載、盾構(gòu)實(shí)施、移除托換梁、托換后運(yùn)營(yíng)這幾個(gè)階段。

3.2 托換梁—立柱節(jié)點(diǎn)結(jié)果分析

在樁基托換施工過程中，托換梁—立柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的安全性具有重要意義。圖1和圖2分別是滬渝高速35#墩左右側(cè)托換梁應(yīng)力和托換梁—立柱節(jié)點(diǎn)主拉應(yīng)力。

（1）35#墩左右側(cè)托換梁除約束位置和鋼束錨固端外，均無出現(xiàn)拉應(yīng)力。

（2）除約束位置和鋼束錨固端外，托換梁和立柱頂?shù)撞砍霈F(xiàn)橫向拉應(yīng)力。35#墩左側(cè)拉應(yīng)力在0～1.22 MPa之間。

（3）35#墩左右側(cè)縱向錨筋均受壓，35#墩錨筋拉應(yīng)力最大，最大拉應(yīng)力為13.0 MPa。各墩錨筋的應(yīng)力見表1。

3.3 托換施工過程中對(duì)既有蓋梁的影響分析

依次選擇蓋梁左側(cè)端點(diǎn)、蓋梁和立柱左側(cè)連接點(diǎn)、蓋梁和立柱右側(cè)連接點(diǎn)、蓋梁右側(cè)端點(diǎn)4個(gè)節(jié)點(diǎn)分析。圖3至圖4分別為35#墩彎矩差值比較和豎向位移變化值比較。

35#墩蓋梁8號(hào)節(jié)點(diǎn)和22號(hào)節(jié)點(diǎn)在施工過程中彎矩受影響較大。8號(hào)節(jié)點(diǎn)在第1次千斤頂頂升力和拆除滿堂支架施工階段彎矩變化幅值最大，達(dá)到2 600 kN·m，這是由于千斤頂安裝過程中外部邊界條件的變化和千斤頂頂升力的調(diào)整導(dǎo)致蓋梁內(nèi)力的變化，與各施工階段與既有結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)階段彎矩差值變化規(guī)律一致。在施工過程中，1號(hào)節(jié)點(diǎn)在第3次千斤頂頂升力調(diào)整階段豎向位移與既有結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)階段相比，上升4.7 mm左右。29號(hào)節(jié)點(diǎn)在托換后運(yùn)營(yíng)階段，豎向位移下降1.4 mm左右。

表1 錨筋應(yīng)力

墩號(hào) 最大壓應(yīng)力/MPa 最大拉應(yīng)力/MPa

35#墩左側(cè) 60.6 13.0

35#墩右側(cè) 67.0 11.9

4 結(jié)論

該文針對(duì)上海市域鐵路嘉閔線盾構(gòu)下穿滬渝高速公路樁基項(xiàng)目，研究托換梁—立柱節(jié)點(diǎn)受力性能和施工過程中對(duì)既有蓋梁的影響，得到結(jié)論如下：

（1）數(shù)值模擬結(jié)果顯示，采用托換梁抱立柱結(jié)構(gòu)形式，在立柱四周鑿出矩形企口縫，梁柱固結(jié)范圍內(nèi)立柱四周植筋，托換梁設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋措施能有效使托換梁和立柱固結(jié)。托換梁、立柱和錨筋應(yīng)力均在限值范圍內(nèi)。

（2）為保證樁基托換施工過程中既有蓋梁結(jié)構(gòu)的安全，采用蓋梁彎矩和位移雙參數(shù)控制原則。計(jì)算結(jié)果表明35#墩蓋梁在施工過程中彎矩變化幅值最大，達(dá)到2 600 kN·m，35#墩在施工過程中位移變化幅值最大，1號(hào)節(jié)點(diǎn)上升4.7 mm左右。

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