深圳地鐵3號線廣深鐵路橋樁基托換工程設計

魯雪冬，毛學鋒，許智焰

(中鐵二院工程集團有限責任公司土木建筑設計研究一院，成都 610031)

1 工程概況及特點

1.1 總體工程概況

深圳地鐵3號線廣深鐵路橋是連接廣州、深圳的準高速鐵路，區間隧道穿越段是廣深鐵路既有3線橋解放路段的18號橋墩和所建廣深四線19號橋墩(圖1)。根據竣工資料，既有3線橋墩均為4根φ550 mm摩擦樁，樁端為砂黏土;兩邊18號～22號墩間橋梁為4跨連續梁;所建廣深4線19號墩為4根φ800 mm的鉆孔灌注摩擦樁，為連續剛構的的主墩(圖2);該處區間隧道為盾構施工的上下重疊隧道，上下隧道凈距最小為1.60 m。根據廣深鐵路橋的結構、基礎形式和施工操作空間，采用人工挖孔樁，梁式托換橋墩的托換形式，托換梁設于承臺下方。采用臨時鋼支架支承3線連續梁和1線連續剛構梁需要托換的橋墩對應的梁部，然后用D型施工便梁吊扣軌。

圖1 施工場地布置

圖2 樁基托換平面示意

1.2 連續剛構樁基托換特點

連續剛構橋是墩梁固結整體受力，基礎變形通過橋墩傳遞到梁體，對梁體結構安全影響較大。而基礎托換的過程就是將原有基礎放在新設計的托換梁上，發生位移是不可避免的。但基礎過大的位移不僅會拉裂墩身，還使得梁體產生破壞。結構過大的位移將使鐵路線路不平順，危及行車安全，而梁體結構的損壞更是會導致鐵路運營中斷。樁基托換范圍內地下水位高，為了保證樁基托換過程中下部的沉降值滿足梁部各項指標，必須采用多種措施防止樁基的變位，整個施工范圍采用止水及施做托換基坑圍護結構;連續剛構墩周實施旋噴樁加固，并采用局部冷凍法凍結該墩基礎地下水;外加臨時鋼支架支承剛構，梁部采用D型便梁吊扣軌(圖3)。連續剛構的樁基托換工程，國內并無先例，且各項輔助措施眾多，施工場地狹小，施工難度大，這給設計和施工帶來了很大難度。

圖3 連續剛構樁基托換示意

1.3 地質和水文概況

場地內各地層地質主要為堆積土、沖積層、花崗片麻巖和花崗巖(主要分全風化、強風化、中風化和微風化)。

施工場地附近有布吉河河水，樁基托換工程點離河100～130 m，地下水與河水相互補給。地下水主要有2種類型:一是松散土層孔隙水，二是基巖裂隙水，主要賦存在松散覆土及基巖的裂隙中。隧道結構位于地下水位以下，地下水對混凝土無腐蝕，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具弱腐蝕，對鋼結構有弱腐蝕。

2 樁基托換工程的難點

(1)廣深鐵路為深圳市通往廣州、香港的交通大動脈，運輸十分繁忙，托換工程施工必須萬無一失，確保鐵路運輸暢通，因此本托換是在動活載作用下的托換。

(2)需根據被托換建筑物的結構類型、對變形控制的要求以及托換荷載大小等因素，仔細研究托換方案、施工步驟、采取的措施等，以確保荷載的有效轉移和建筑物的安全。

(3)確定托換荷載的制約因素多。樁基托換受力轉換體系復雜，需要根據不同階段、不同荷載的作用，分階段確定托換荷載。針對托換樁在托換施工、隧道施工期間的受力變形影響，分析建筑物可能的最大最小受力情況，以選擇樁基托換各階段的控制荷載。

(4)托換大梁與樁節點抗滑移的技術措施是實現荷載轉移的關鍵，必須根據原建筑樁的形式、托換荷載大小等因素采取相應的措施，使托換大梁與樁節點的先后期混凝土形成整體，以彌補粘結能力的削弱。

(5)樁基托換段地質條件相當差，地層軟弱不均，且含有6～11 m的飽水砂層，樁基托換工程點離布吉河100～130 m，地下水與河水相互補給。因此，必須注意未托換前施工降水對被托換橋梁樁基的影響，避免因降水產生地層的附加沉降對橋墩的破壞。

(6)區間隧道施工必然對托換新樁周邊土體引起擾動，增大托換新樁的側向位移，造成周邊摩阻力減小。因此，托換結構的設計必須考慮隧道施工的影響，同時對隧道的設計和施工提出要求。

(7)托換段橋梁為4跨連續梁和連續剛構，對沉降控制嚴格，墩臺均勻沉降量和相鄰墩臺均勻沉降量之差應滿足規定，臨時鋼支架的設計必須滿足對梁的支承，特別是連續剛構，對沉降非常敏感，梁體不能用千斤頂在墩頂調整沉降，對連續剛構的既有線的防護，是本工程的重點和難點。

(8)由于本區間采用盾構法施工，為避免托換后的舊樁對盾構掘進的影響，托換后的舊樁的破除也是本工程的難點。

3 樁基托換工程方案及步驟

3.1 托換方案的確定

托換樁的軸力較大，變形要求高，若采用被動托換結構將難以滿足剛度、承載力和變形的要求。為更好地控制托換結構及橋梁的變形，托換方案選擇了主動托換的形式。

3.2 托換新樁設計

綜合以上托換樁的影響因素及處理措施，托換新樁應采用較大直徑的端承樁。設計采用在隧道兩側設置直徑2.0 m的人工挖孔樁，來代替原有的樁基礎，樁端進入微風化層的深度不小于0.5 m，且應低于隧道仰拱不小于2.0 m。托換新樁按嵌巖樁設計，樁底巖石單軸極限抗壓強度RC＞10 MPa。

3.3 托換梁的布置

將托換梁置于原樁基承臺下，這樣施工完畢后對地面的交通和景觀等均無影響，而且施工也比較方便。但在托換過程中需設置托換基坑。

3.4 托換施工輔助措施

(1)為了很好的控制施工期間橋梁的變形，在橋梁下架設臨時鋼支架，鋼支架是整個托換工程的重中之重，全部采用Q345qD鋼，鋼支架必須有足夠的強度和剛度，千斤頂置于1～4線鋼支架橫梁上，當梁部變形時，作為及時頂梁或者支承之用，臨時鋼支架構造詳見圖4。

其基礎采用φ450 mm的旋噴加筋樹根樁。樹根樁頂部用混凝土梁連成樁頂連梁。對未托換的連續梁18號、20號橋墩也采用此種方式做臨時加固處理，基礎采用φ450 mm鋼管樁，以防止在施工期間因地下水流失引起不均勻沉降。

圖4 臨時鋼支架構造(單位:mm)

(2)由于托換新樁靠近既有承臺及管樁基礎，而該段砂層較厚，地下水較豐富，為了盡量減少對原有管樁基礎的影響，保證后續托換新樁的安全施工、托換梁基坑的開挖和托換后舊樁的破除，在托換新樁及基坑施工前，先在周邊施做旋噴樁加固及止水帷幕，帷幕采用3排φ600 mm的旋噴樁(圖5)。旋噴樁及鋼管樁的鉆孔、灌漿施工應在夜間進行。在高壓旋噴樁及人工挖孔樁施工時應加強對既有橋梁狀態的觀測，并且應辦理列車慢行手續，減少列車振動對既有樁基礎的影響。

圖5 鉆孔樁、旋噴樁布置(單位:mm)

(3)對軌道采用D型施工便梁扣軌加固。線路加固后方可進行托換梁和頂升施工。

3.5 樁基托換的主要步驟

連續剛構對沉降非常敏感，梁體不能用千斤頂在墩頂調整沉降，必須對施工基坑水位采取有效的降水措施，防止地下水位變化引起連續剛構沉降增大，從而將梁部拉裂，樁基托換主要采用以下步驟。

(1)托換基坑開挖:在托換基坑周邊及人工挖孔樁周設φ600 mm旋噴樁做為止水帷幕，用于施工時防止涌水涌砂，同時還將用于基坑圍護，托換基坑在開挖時應采取降水措施。

(2)托換梁和被托換結構之間結合處理(圖6):為了讓托換梁和需托換墩承臺更好連接，采用植筋的方式進行處理。由于既有承臺側面出現裂縫，除了采用植筋使托換梁和被托換結構之間結合牢固，還采用如下具體措施保證托換梁和被托換結構之間結合更加牢固:①將舊混凝土表面鑿毛，深度宜為10～20 mm;②鑿毛后用水清洗干凈，在新加結構混凝土澆搗前4 h內刷界面處理劑，托換梁與承臺底接觸面應保證混凝土澆搗密實;③鑿毛時若發現裂縫等異常情況，應及時反饋信息給相關部門研究采取安全加固措施;④被托換梁底與托換梁頂接觸面采用壓漿注入環氧樹脂灌注填充密實，確保其間充填密實并粘結牢固。

圖6 托換梁與承臺連接大樣(單位:mm)

(3)在施工旋噴止水帷幕的同時，施工臨時支架的鋼管樁，并搭設臨時支架，在支架上利用千斤頂把80%的梁部恒載引起的支座反力托換過來，鎖定千斤頂，做好支墊。

(4)預頂:預頂的目的是消除托換新樁變形對托換體系的不利影響，防止托換新樁樁頂沉降帶動柱子的沉降，檢驗托換梁體系的承載能力。施工時在托換梁兩端托換新樁頂各放2臺千斤頂，實現樁、梁間可控的作用力。實施預頂時注意事項:①托換樁千斤頂的頂升力取包括托換梁自重和上部結構傳至橋墩底的全部荷載，實際取總荷載值不超過7 643 kN(廣深4線19號墩)、6 973 kN(廣深3線18號橋墩);②托換梁與托換新樁之間的臨時鋼支墊應保證其穩定性和可調節性;③千斤頂的荷載根據在預頂過程中，每根托換樁基承受的荷載設計值確定，各千斤頂加載須按比例同步增加。

(5)被托換樁截樁作業:預頂完成且全面觀測沉降變形穩定后，開始截樁;截樁應遵循由外向內、層層剝離的原則，將樁身混凝土全部鑿除后再斷樁身鋼筋。

(6)封樁:截樁完成后，在保持千斤頂荷載穩定不變的情況下將樁、梁預留鋼筋采用擠壓套筒進行連接，澆筑微膨脹混凝土封樁。

為保證區間地鐵施工中鐵路運營的安全，橋梁的臨時鋼支架樁基應盡可能避開地鐵隧道，在區間隧道施工無影響地段的臨時鋼支架應等到地鐵施工完成后再拆除。

4 托換新樁與重疊隧道的相互影響和處理

4.1 托換新樁設計的影響因素

根據上部橋墩及樁基托換結構各階段的受力分析，由于隧道的位置影響，托換樁距離兩端新樁的距離可能存在差異，因此托換新樁的設計必須滿足大軸力承載力的要求。另一方面，大軸力的存在也將影響托換新樁的變形控制。

4.2 重疊隧道施工對托換新樁的影響因素

為減少托換樁的數量，該段區間隧道采用了上下重疊的隧道結構形式，重疊隧道的凈距較小，凈距最小為1.6 m。

由于上下隧道的施工特點，需多次擾動土體，引起樁周摩阻力削弱;隧道距托換新樁的距離為0.53～2.0 m，隧道距既有樁心的距離為0.16～2.78 m(圖7)，施工時將釋放出部分托換樁側向抗力，樁側向變形增大;隧道開挖后，由于地下水的變化，也會造成樁基不同沉降[1]。

圖7 樁基托換剖面(單位:mm)

4.3 重疊隧道影響處理

在以上影響因素中，最難以確定的是重疊隧道的影響。同時由于本段地層條件較差，隧道采用盾構法施工，托換新樁的設計必須同隧道的施工工法聯系起來。

對于采用盾構施工的重疊隧道，應嚴格控制盾構的掘進速度和防止發生偏移。在盾構通過時及時同步注漿及二次注漿，同時應加強對該段橋梁的監測，以及根據監測結果及時調整盾構的掘進施工參數。

5 托換舊樁破除方案

由于樁基托換段的區間隧道采用盾構法施工，為消除托換后舊樁對盾構機掘進的影響，在托換梁施工完成并達到受力要求后，利用人工挖孔樁的形式破除托換舊樁。

在托換基坑破樁位置處的托換梁下往下繼續開挖1.9～2 m，作為挖孔樁的施工空間，基坑采用錨噴支護措施。在托換梁下方，先采用機械拔除既有樁基，如機械拔除不能實現則分別沿所需破除的樁基往下施工內徑為1.5 m的人工挖孔樁，邊開挖、支護邊破除樁體。挖孔護壁采用30 cm厚鋼纖維護壁，并在護壁內設置竹筋，以保證人工挖孔的安全。破除樁體后，樁孔內回填C10混凝土。

6 施工監測

樁基托換工程應在樁基托換及隧道施工過程中根據相關規范規程中有關結構差異變形的總要求，建立以結構設計為指導，現場調控為主體的信息化監測、控制體系。需要制定質量、監測計劃，確定質量、監測內容，注意及時整理監測數據，指導施工工藝和施工措施。施工監測的頻度根據施工階段和量值變化的幅度依據有關規范、規程確定。

7 結語

深圳地鐵3號線廣深鐵路橋樁基托換工程已經成功實施完成，作為國內首個連續剛構樁基托換工程實例，為今后類似的樁基托換工程積累了成功的經驗，希望能為工程同行提供一定的借鑒。

[1]北京城建設計研究總院.GB50157—2003 地鐵設計規范[S].北京:中國計劃出版社，2003.

[2]中華人民共和國鐵道部.TB10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結構設計規范[S].北京:中國鐵道出版社，2005.

[3]中華人民共和國鐵道部.TB10203—2002 鐵路橋涵施工規范[S].北京:中國鐵道出版社，2002.

[4]中華人民共和國鐵道部.TB10002.5—2005 鐵路橋涵地基與基礎設計規范[S].北京:中國鐵道出版社，2005.

[5]中國建筑科學研究院.JGJ120—99 建筑基坑支護技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社，1999.

[6]中華人民共和國建設部.GB50007—2002 建筑地基基礎設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社，2002.

[7]中華人民共和國鐵道部.TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S].北京:中國鐵道出版社，2005.

[8]中鐵二院工程集團有限責任公司.深圳市地鐵3號線工程廣深鐵路橋樁基托換工程設計施工圖[Z].成都:中鐵二院工程集團有限責任公司，2007.