超靜定平臺結構二次主動托換設計與施工

王 博，吳世明，劉冠水

(浙江浙大網新集團有限公司，浙江杭州 310007)

近年來，地下工程在我國城市得到了日新月異的發展，地下工程下穿既有密集的建筑物時有發生。為保證既有建筑物和新建地下工程的安全，須對既有建筑物基礎進行托換。樁基托換，即在托換新樁上設置頂升千斤頂，并可通過頂升千斤頂對結構梁板進行預頂升及卸載，從而將需要托換的結構(立柱)所承受的既有荷載，傳遞到新施筑的托換樁基上，實現托換結構與樁基之間力的轉換［1-2］。

樁基托換分為主動托換與被動托換兩種形式。主動托換是當托換建筑物托換荷載大、變形控制要求嚴格，需要通過主動的變形調節來保證變形要求。主動托換方式對變形的控制具有主動性，適用于對變形要求嚴格的建筑物。被動托換是托換建筑物托換荷載小、變形控制要求不甚嚴格，依靠托換結構自身的截面剛度，可以在結構完成后即將托換樁切除，直接將上部荷載通過托換梁(板)傳遞到新樁，而不采取其它調節變形的措施。該托換方式變形控制為被動適應［2-7］。盡管主動托換在地下工程中應用得越來越廣泛，但是，托換施工過程中，風險依然巨大。本文介紹了親水平臺概況，二次主動托換設計方案及信息化施工過程，討論了二次主動托換成功的關鍵點。

1 工程概況

中國棋院親水平臺為地上一層建筑，結構為大型超靜定鋼筋混凝土梁板結構，荷載傳遞方向為:平臺板→次梁→主梁→結構柱→樁基。結構設計荷載標準值為:平臺頂覆土(含面層)重10.8 kPa，使用活荷載3.5 kPa。平臺主梁為預應力鋼筋混凝土梁，框架柱高6.13 m，截面尺寸為800 mm×1 000 mm。立柱距離路面下1.5 m處為鋼筋混凝土承臺，親水平臺采用柱下獨立承臺樁基礎，樁基分別為φ800 mm和φ1 000 mm的鉆孔灌注樁，有效樁長約38 m。

親水平臺屬于觀景平臺，上有處于運營狀態的餐廳，安全要求高，對變形有嚴格限制。杭州運河隧道下穿親水平臺，由于立柱承臺侵入隧道凈空限界，必須對該平臺中D軸線的11根墩柱進行托換。待隧道主體結構完成后，11根立柱重新接長至隧道中隔墻，并與之固結，完成結構荷載兩次力的轉換。親水平臺二次主動托換立柱較多，位移限制嚴格，且平臺下凈空有限，托換梁、柱及樁基施工空間小，難度大，屬于運河隧道建設過程中的重大風險源之一。

根據地質勘察報告，平臺托換主要土層如下:①雜填土，厚度2.7～6.4 m;②砂質粉土，厚度1.71～16.6 m;③粉砂，厚度7.5 m;④淤泥質粉質黏土，厚度2.3 m;⑤粉質黏土，厚度7.4 m;⑥礫石，厚度＞10 m。托換前后對比照片見圖1和圖2。

圖1 托換前親水平臺

圖2 托換后親水平臺

2 設計方案

2.1 設計原則及要求

由于親水平臺在托換過程中需保持正常運營，且托換立柱需進行兩次力的轉換，同時考慮本工程的具體情況，本托換工程需遵循以下幾個基本原則及要求:①立柱托換后，立柱、隧道中隔墻等永久結構體系使用年限不少于隧道設計年限，新托換結構體系的承載力必須具備足夠的保證并有一定的儲備;②二次托換完成后，必須保證平臺原有功能，不得改變原平臺立柱平面布置，維持原凈空;③根據設計規范以及使用安全性要求，對立柱絕對沉降需嚴格控制，二次托換引起的相鄰立柱沉降差必須嚴格控制在允許附加變形范圍以內;④二次托換施工中，必須采取有效措施完成“柱—梁”、“柱—墻”兩次荷載的有效轉換;⑤二次主動托換完成后，應保證運河隧道的施工安全。

2.2 二次主動托換的主要步驟

二次主動托換主要包含托換結構施工，及結構荷載二次轉換兩部分。主要步驟如下:第一步，前期準備及輔助工作。參建各方會同棋院業主一起，詳細實地調查并記錄平臺構筑物現狀，包括沉降、裂縫、損壞情況;各方確認并簽字。第二步，在征得平臺業主同意的前提下，在需托換的立柱上布設監測點，布置測量基準點等。第三步，進行地基加固，施工托換樁基(20根φ1 000 mm及2根φ1500 mm鉆孔灌注樁)及樁頂系梁，見圖3。第四步，托換立柱鉆孔植筋，在植入鋼筋達到設計抗拔強度后，架設抱柱梁鋼筋骨架，立模并澆筑抱柱梁，見圖4。第五步，待系梁及抱柱梁達到設計強度后，在系梁上安裝千斤頂，分級、同步頂升完成第一次力的轉換(立柱—抱柱梁)。第六步，在達到設計頂升力時，采用合金鋸鏈逐步切割被托換墩柱，在切割完成部分，放入鋼墊板，防止立柱突然下沉。同時調整頂力，控制立柱變形。第七步，托換墩柱切割完成后，鑿除上部立柱1 m左右混凝土，保留原立柱鋼筋。鑿除下部立柱及承臺，為后續施工做準備。第八步，開挖基坑架設鋼支撐，并施加預應力，施工隧道底板、側墻，澆筑中隔墻，見圖5。第九步，待中隔墻達到設計強度后，中隔墻伸出鋼筋與原立柱保留鋼筋相焊接，布設分布鋼筋(箍筋)，立模并澆筑微膨脹混凝土，見圖6。第十步，待微膨脹混凝土達到強度，系梁上千斤頂出現輕微卸載現象時，千斤頂開始分級、同步逐級卸載，完成第二次力的轉換(抱柱梁—中隔墻)。第十一步，所有托換柱都完成二次轉換后，鑿除系梁、托換樁。澆筑剩余部分隧道底板。至此，平臺立柱托換工作全部完成，見圖7。

圖3 二次托換第三步

圖4 二次托換第四步

圖5 二次托換第八步

圖6 二次托換第九步

圖7 二次托換第十一步

2.3 抱柱梁的設計

抱柱梁與柱節點的處理是保證荷載有效傳遞的關鍵，也是二次托換成功的關鍵。該節點處理如圖8所示。托換柱的尺寸是800 mm×1 000 mm，在800 mm面植入15φ25鋼筋，在1 000 mm面植入25φ25鋼筋，以保證抱柱梁與立柱的良好固結。同時在抱柱梁和立柱連接處根部上下各加設4φ25的加強筋，以保證在連接處復雜應力條件下的可靠傳力。

圖8 抱柱梁節點(單位:mm)

2.4 平臺變形的有效控制

在二次主動托換結構體系中，立柱軸力為作用荷載，托換樁為支承;抱柱梁承受上部結構傳來的荷載并將這些荷載傳遞給下部托換樁，在結構傳力上起到承上啟下的作用。由于親水平臺經歷了數年的使用過程，變形已基本穩定，處于收斂狀態。且抱柱梁本身剛度遠遠大于立柱，二者通過植入鋼筋和混凝土緊緊固結，可以假定兩者協同工作，這樣，就可以通過測量抱柱梁的變形來間接反映立柱的變形。

控制平臺立柱變形是二次托換工程中最為關鍵的問題之一。首先，平臺對托換引起的變形非常敏感，且托換結構體系大部分變形是在上部結構與下部樁基逐步分離過程中完成的，故二次托換工程對控制差異沉降的要求比新建工程更高。其次，由于存在平臺部分立柱被托換，而其余部分未被托換的情況，應避免托換區與非托換區的結構產生過大的相對沉降變形。這對托換區結構體系的后續沉降提出了較高要求。第三，由于平臺在托換過程中處于運營狀態，過大的差異沉降會導致平臺上結構物(餐廳)產生裂縫。

基于以上原因，并根據現行有關規范，參考國內外托換工程有關資料和實例，結合本工程實際情況，親水平臺二次托換的結構沉降變形要求:托換完成后差異沉降≤5 mm，最終差異沉降≤10 mm。

3 信息化施工體系

親水平臺二次托換風險大、技術要求高，信息化施工是決定托換成敗的非常重要一環。在施工過程中，應通過全程實時監測，并及時反饋，多種監測手段并用，相互應證來反饋信息指導托換施工。

二次托換施工監測內容主要包括平臺建筑物的沉降、傾斜及裂縫觀測，地面沉降觀測，地下水位觀測，抱柱梁變形觀測，立柱高程監測，液壓參數監測等。二次托換施工監測過程中，對于結構物沉降、抱柱梁變形等關鍵數據，采用多套體系獨立觀測，相互應證。電子百分表自動實時測量抱柱梁變形;精密水準儀、全站儀測量結構物沉降、傾斜和抱柱梁變形。

監測工作應注意以下幾點:①需對平臺初始狀態進行觀測，記錄被托換平臺的先期變形和結構裂縫情況。以確定被托換建筑物的變形控制標準，確保上部結構的正常使用。②立柱托換、地層加固施工和隧道主體結構施工期間，必須對周邊房屋沉降、結構變形和裂縫開展等進行監測，并制定專門的監測措施。③立柱托換施工期間，監測抱柱梁變形和柱豎向位移的測點布置在梁兩端及梁柱節點處。④液壓千斤頂加載采用分級加載，共分3級加載;第一級荷載為設計荷載的50%，第二級荷載為設計荷載的30%，第三級荷載為設計荷載的20%。每級加載需保持30 min，等結構穩定后方可加次級荷載。⑤在托換施工過程中，被托換柱的變形上抬量不能大于1 mm，被托換柱的下沉量不能大于3 mm。上述變形控制值可通過電子百分表實時量測，反映到中控計算機。然后通過PLC系統，實時調節千斤頂油壓，來控制托換立柱的變形。⑥在托換施工中，除了托換系統自帶的實時位移監測系統之外，由精密水準儀、全站儀組成的非實時位移監測也必不可少，雖然精度不及實時系統，但是，非實時監測系統是完全獨立的系統，可以有效地校核、校正實時監測數據，實現不同系統間數據相互印證。⑦在進行第二次荷載轉換，即“梁—墻”轉換時，當同時滿足以下條件:立柱新澆筑微膨脹混凝土達到齡期，千斤頂發生輕微卸載，平臺產生微量上抬時，可以判斷立柱新舊混凝土的結合良好，可以開始分級、同步卸載。同時密切監測立柱、平臺的變形，確保平臺安全。

4 結語

托換是城市地下空間開發中保護既有建筑物的主要手段，其應用范圍日益廣泛。然而，托換技術是一項風險性較大的特殊技術。特別是二次托換，需經歷“柱—梁”，“梁—墻”兩次力的轉換，其復雜程度和對施工精度要求均大大高于單獨的樁基托換。因此，二次主動托換必須精心設計，精心施工，并對全過程實時監測，才能保證托換工程的成功。

二次主動托換的關鍵在于荷載的轉換與變形的控制，必須做到以下幾點:

1)荷載的二次轉換均通過抱柱梁與立柱節點完成，立柱植筋和新舊混凝土結合是保證荷載有效傳遞的關鍵。施工中，應特別注意植筋抗拉拔試驗和舊混凝土面的鑿毛。

2)除根據有關規范規定，還應結合建筑物的自身特點，確定合理的建筑物變形允許值，保證托換過程中、托換后建筑物的正常使用功能。

3)在二次托換施工過程中，宜采用不同監測系統對立柱和平臺變形進行監測，通過實時和非實時系統數據相互對比和印證，有效控制建筑物變形。

4)二次托換過程中，液壓千斤頂加載、卸載應分級、同步實施，并通過PLC系統實時微調油壓，以確保托換變形控制在柱端下沉3 mm、上頂1 mm范圍內。經驗證，此要求是合理的。

5)在“梁—墻”轉換中，新澆筑立柱宜采用微膨脹混凝土，并根據混凝土齡期和立柱、平臺變形受力狀態，判斷新舊混凝土的結合情況，保證荷載第二次轉換成功。

［1］劉冠水，李德超，錢建固，等.杭州親水平臺樁基托換施工影響數值分析［J］.地下空間與工程學報，2012(增2):1747-1753.

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