成都地鐵3號線衣冠廟立交橋樁基托換設計

許 東

(廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東廣州 510010)

0 引言

建筑結構基礎托換技術在民用建筑中使用較多且較為成熟［1］，但城市地鐵所處的地層條件及周邊環境較復雜，使其基礎托換技術有別于其他建筑。

在地鐵區間隧道工程中，采用托換技術將既有樁基荷載轉移至新設基礎與地基上，可清除障礙樁基并實現新建隧道的順利推進［2］。徐前衛等［3］通過理論分析和數值計算等手段，對樁基托換施工過程中必要的地基加固范圍、樁基合理開挖暴露長度、樁－筏體系受力轉換機制、橋梁結構的穩定性、殘樁對隧道結構的影響等問題進行了研究;黃新民［4］提出了采取“滿堂腳手架頂托+袖閥管注漿加固”的方法對人行天橋進行保護，以分散盾構隧道施工時承受的頂部荷載，降低由于盾構隧道開挖引起的地層損失，保證施工期間人行天橋的運營安全。目前樁基托換技術［5－7］在地鐵建設中的應用情況表明，樁基托換應用于地鐵車站的實例相對較少。

本文以成都地鐵3號線高新大道站下穿衣冠廟立交橋樁工程為背景，采用樁基托換技術解決橋梁樁基大跨度托換梁受力2次轉換、橋梁托換結構與車站圍護及主體結構一體化設計的難點和重點問題，采用主動與被動托換相結合”的方案，在不中斷橋梁上部通行情況下，車站在橋下采用明挖法施工。

1 工程概況

衣冠廟立交橋建成于2006年，上跨一環路，橋型為預制單箱單室簡支梁橋。地鐵3號線高新大道站沿一環路布設，為滿足車站對客流吸引的功能需求，車站需跨十字路口設置。根據站位方案橋梁中線與車站中心軸線交角為89°，橋梁6#橋墩樁基位于車站結構正中，為滿足本工程的可實施性及不影響立交橋的正常使用，需要對該橋樁基進行托換設計。車站與立交橋的相對位置關系如圖1所示。

圖1 車站與衣冠廟立交橋相對位置關系Fig.1 Relationship between Metro station and Yiguanmiao overpass

衣冠廟立交橋橋面為雙向4車道，寬15.1 m，橋下凈空約5 m。橋梁結構簡支梁橋跨度20.7 m，瀝青混凝土路面，6#橋墩基礎為2根直徑1.5 m、長15.5 m的摩擦樁，樁端位于密實卵石層，樁中心距離6.5 m，樁頂承臺9 m×2.5 m×1.5 m(長 × 寬 × 高)，樁頂標高497.45 m，原橋單樁基承載力特征值為5 300 kN，采用C30混凝土澆筑。橋墩立面及側面如圖2所示，樁側地層如表1所示。

圖2 橋墩立面圖及側面圖(單位:cm)Fig.2 Profile of pier(cm)

表1 地層特征表Table 1 Properties of different strata

高新大道站車站全長454.378 m。本站右線設有站后停車線，車站中心里程處頂板埋深約3 m，車站主體結構總高13.33 m，結構底板埋深約16.5 m，車站標準段外包寬度為 19.7 m，主體結構外包總長為216.8 m，車站主體結構為島式地下二層雙跨箱型框架結構，11.0 m寬島式站臺，車站主體采用半蓋挖法施工，車站兩端接盾構區間。

2 樁基托換方案設計

托換設計的關鍵是變形控制和托換結構荷載轉移，常規托換方案分為主動托換和被動托換。受橋梁下方車站寬度的影響，托換梁跨度最小約為19.7 m，若一次性托換至車站以外，車站頂板以上托換梁截面尺寸無法滿足變形控制要求。因此，本工程采用被動與主動相結合的2次托換設計方案。本工程采用TL3 3 500 mm×2 200 mm對原承臺2 500 mm×1 500 mm進行包裹，然后與2根TL1 1 400 mm×2 200 mm、1根TL2 1 400 mm×2 200 mm形成門式托架將橋梁先期荷載傳遞至車站圍護樁上方，原橋樁正下方為車站中柱900 mm×1 300 mm作為永久承載結構，主體結構完工后采用二次托換轉換至主體結構上方。托換結構平面布置如圖3所示。

為保證施工期間托換結構的整體穩定性，經過初步計算分析，在托換梁下方設置6根φ1 200鋼筋混凝土臨時立柱樁，車站主體結構施工完成后進行二次托換，將橋梁上部結構荷載轉換至主體結構上方，4根托換梁與車站圍護樁作為橋墩水平荷載的約束體系。車站在原橋樁基位置布2根中柱，在頂板和托梁間設置900 mm×1 300 mm的混凝土支座。

圖3 托換結構平面布置圖(單位:mm)Fig.3 Plan layout of underpinning structures(mm)

2.1 托換初步方案

綜合考慮車站建筑方案、基坑圍護結構方案、工程經濟及現場施工條件等，本站利用車站基坑圍護樁及車站箱型主體結構作為托換后橋梁的豎向承載結構。

第1步采用被動托換，先期托換至車站圍護樁上方，因托換梁跨度過大，在基坑內側施作臨時立柱用以減少托換梁跨度控制變形，隨著車站基坑開挖，原橋樁側摩阻力逐步釋放，橋梁上部荷載逐漸轉移至圍護樁及臨時立柱上方。第2步采用主動托換技術將橋梁豎向荷載轉移至主體結構中立柱上方，并截除托換梁下方臨時立柱，組合托換梁與車站箱形主體、圍護樁共同組成最終的托換體系。

具體施工步驟如下:施工車站圍護樁、臨時立柱及其樁基礎—對原承臺進行鑿毛，施工托換梁與樁頂冠梁—托換梁上方架設臨時路面，恢復交通—車站基坑開挖至設計標高—施工車站主體結構—二次托換至車站主體上方—截去原橋樁基—澆注鋼混凝土支座—拆除臨時立柱—施工臨時立柱開孔的后澆板帶、施工防水—回填、恢復交通。

托換最終結構關系如圖4所示。

2.2 托換結構計算分析

本工程橋梁樁基托換設計方案需要保證橋梁上部結構的安全可靠性和車站基坑開挖施工過程中不至于產生過大的變形和較大的應力，針對上述施工過程進行三維數值模擬計算分析。計算共分為2種工況:工況1為第1步被動托換施工，計算模型如圖5所示;工況2為第2步主動托換施工，計算模型如圖6所示。

圖4 托換最終結構關系圖Fig.4 Final underpinning structure

圖5 工況1計算模型Fig.5 Calculation model of case 1

圖6 工況2計算模型Fig.6 Calculation model of case 2

計算結果如表2和表3所示。

表2 工況1托換體系計算表Table 2 Calculation results of underpinning system in case 1

表3 工況2車站主體結構計算表Table 3 Calculation results of main structure of Metro station in case 2

2.3 TL3與原樁承臺結合設計

托換結構與原橋承臺的結點設計是此托換設計方案關鍵點，為了使新舊結構共同協調作用，TL3對原承臺包裹時新舊混凝土界面均要求處理。主要施工措施有:采用舊混凝土表面鑿毛成6 mm齒狀接觸面，托換梁混凝土澆注前4 h全面積采用Ⅰ型界面劑處理;新舊混凝土間植抗剪鋼筋，鋼筋為Φ25@400×400，植筋施工應滿足JGJ 145—2004《混凝土結構后錨固技術規程》的有關規定。承臺托換節點處理如圖7所示。

1)植筋錨固長度［8］

式中:ld為植筋錨固深度設計值;φn為考慮各種因素對植筋受拉承載力影響而需加大錨固深度的修正系數，取1.1;φae為考慮植筋位移延性要求修正系數(當混凝土強度等級低于C30時，對6度區及7度區一、二類場地，取1.1;對7度區三、四類場地及8度區，取1.25;當混凝土強度高于C30時，取1.0);ls為植筋基本錨固深度;αspt為防止混凝土劈裂引用的計算系數，取1.0;d為植筋公稱直徑，取25 mm;fy為植筋用鋼筋的抗拉強度設計值，fy=300 N/mm2;fbd為植筋用膠粘劑的黏結強度設計值，fbd=4.5 N/mm2。

圖7 新舊混凝土節點處理大樣圖Fig.7 Details of treatment of joints between existing concrete and fresh concrete

可計算出 ld≥ 346.6 mm，本植筋深度為350 mm ＞346.6 mm，其植筋深度可滿足要求。

2)托換梁與原橋承臺新舊混凝土抗剪［9］

式中:γ為綜合系數，取值1.3;P為新舊混凝土結合面豎向承載力，kN;fc為梁、柱混凝土抗壓強度設計值，kPa，取較低值，取14.3 N/mm2;Ac為新舊混凝土交接面的有效面積m2，取33 m2;fs為結合面配置的植筋抗拉強度設計值;As為結合面上同一截面植筋總截面面積。植筋Φ25間距按400 mm間距考慮，原承臺兩側可布240根，As=240×490=117 600 mm2。經計算，托換梁與原樁承臺抗剪滿足要求。

2.4 托換梁與承臺節點承載能力驗算

1)正截面承載能力驗算。根據計算分析選取托換1、2最不利彎矩:托換節點下緣11 763 kN·m、臨時立柱上緣6 562 kN·m進行驗算，節點下側受拉側鋼筋取15φ32+15φ32、梁上側鋼筋取15φ32，按托換結構內力計算結果數據，托換梁正截面承載力滿足設計要求。

2)斜截面承載力驗算。根據混凝土設計規范，節點處0.25βcfcbho=0.25 × 1 × 19.11 × 1 400 × 2 160=14 446 080 N ≥ γoV=4 556 200 N，滿足要求［10］。

2.5 臨時立柱樁基計算

1)根據土的物理指標與承載力參數之間的經驗關系確定單樁豎向極限承載力的標準值，臨時立樁樁基豎向承載力設計值［11］

式中:qsia為樁側第i層土的極限側阻力標準值;qpa為極限端阻力標準值。

單樁豎向承載力計算僅考慮當基抗開挖至基底，車站主體結構未施作，托換樁側摩阻力僅考慮基坑以下長度，根據詳勘資料，樁基持力段位于密實卵石(層厚 6.8 m)、強風化泥巖(層厚 11.14 m)、中風化泥巖(層厚1.56 m)，樁端位于中風化泥巖內。其極限側阻力標準值分別為120、70、110 kPa，中風化泥巖極限端阻力為3 000 kPa。樁徑1.2 m、樁長19.5 m，得出Ra=10 050 kN＞2×4 999 kN。樁基豎向承載力滿足要求。

2)臨時立柱樁身強度驗算。驗算公式為

式中:托換樁混凝土強度等級為C30;換樁樁身直徑為1 200 mm;單樁軸心豎向力根據計算結果F=4 999 kN(樁基軸力設計最大值，計算結果:Q=π×0.6×0.6 ×14.3 ×0.7 ×10 ×10=11 315.3 kN ＞ 4 999 kN。

3)臨時立柱樁穩定性計算。托換樁按兩端鉸支的壓桿進行穩定性計算［11］，計算式為

式中:F=4 999 kN(樁基軸力設計最大值)，σ =F/(A × ψ)=4 999/(π × 0.6 × 0.6 × 0.87)=5.08 MPa ＜ fc=14.3 MPa，滿足要求。

2.6 二次托換預頂設計方案

1)預頂方法。施工時在車站頂板至托換梁下高約630 mm，放入千斤頂，實現頂板、托梁間可控的作用力。

2)預頂的目的。消除一次托換橋梁上部結構變形以及二次轉換托換荷載到車站頂板上。

3)車站中柱上分別布設2×500 t千斤頂，單個千斤頂預頂力設計為4 000 kN。

4)應采用帶自鎖裝置的千斤頂。千斤頂的組合形心必須與柱的形心重合。

5)車站主體結構達到設計強度后，在車站中縱梁上布設千斤頂先期預加10%預加力后鎖緊，采用靜力切割對原橋樁進行切除，兩者分離后再進行后續加載工作。

6)托換預頂加載采用分級加載原則，共分10級加載，每級荷載增量為千斤頂加載上限值的10%，不可一次加載到最大值。每級加載需保持10 min，等結構穩定后方可加次級荷載。被托換樁的上抬量不能大于1 mm，大于此值應停止加載。在加載過程中同時應嚴格監測托換梁裂縫的產生及發展，最大裂縫寬度大于0.1 mm時，停止加載。預頂施工時應對臨時立柱軸力進行實時觀測，加載過程中單根軸力大于4 000 kN時應停止加載，并通知設計單位。加載時所有千斤頂應聯動并保待同一頂升力。

7)預頂時，必須嚴格控制千斤頂的頂升力和TL3的兩端的位移，各千斤頂頂升力達到控制值而梁端位移未達到位移值2～3 mm，或梁端位移值已達到控制值(3 mm)而頂升力未達到控制值時，或頂升力與位移值未達到要求而臨時立柱軸力超過4 000 kN時，應立即通知設計單位，以便對設計參數進行調整。

2.7 施工監控量測

施工前應對衣冠廟立交橋梁的缺陷及損傷進行全面、細致和深入的現場調查，了解該橋各個構件的技術狀況。主要包括墩身和梁體的裂縫調查、支座狀態調查和橋上設備調查。調查結果需取得權屬單位的認可。托換體系監測項目及監測儀器如表4所示。施工時托換梁及樁墩共布設16個觀測點，其施工過程中的沉降監測如圖8所示。

表4 樁基托換監測項目表Table 4 Monitoring items during pile foundation underpinning

圖8 沉降監測累計數據圖Fig.8 Settlement monitoring data

本托換施工已順利完工，第1次托換結束時橋面下沉2 mm，第2次托換結束時橋面下沉5 mm，最終累計下沉7 mm，整個施工過程沒有影響橋面行車安全。

3 施工風險及防控

3.1 影響施工安全的因素

本工程較一般橋梁托換設計不同之處在于，托換施工同地鐵車站基坑開挖同步進行，基坑開挖的過程也就是橋梁托換荷載的轉化過程，地鐵基坑的穩定性直接影響橋梁的結構安全，并且本橋在托換施工過程中上部車輛不中斷，因此橋梁上部汽車動荷載也是影響托換結構穩定性的一個重要因素。施工過程中原橋樁截樁施工、橋樁承臺施工處理、二次頂升施工等均對托換施工的安全構成影響。

3.2 控制措施

1)衣冠廟立交橋進行托換施工前需要做專業評估，以確定橋梁的健康狀況并作為后續施工監測的依據。

2)施工過程中應限制衣冠廟立交橋上與橋下托換梁蓋挖頂板上方行車速度不大于40 km/h，并限制通行車輛最大軸力為100 kN。

3)針對位于基坑中間臨時立柱樁，基抗開挖時需采用對稱挖土，以減少不平衡土壓力對樁的作用。

4)施工過程中需在變形縫處鋪設鋼板并采取固定措施，鋼板四周采用高強砂漿填充避免出現跳車。

5)托換施工前施工單位應制定托換專項施工方案并報設計單位審查。

4 結論與建議

1)本文通過本橋托換的研究得出車站位于城市既有立交橋下采用托換結構與車站圍護結構、主體結構結合，并使用主動與被動托換的方法是可行的，有效控制了橋梁沉降，保證了在橋上交通不中斷的情況下完成橋下地鐵車站施工。

2)托換施工基本流程及原則是:橋梁樁基托換原則是結合新建結構保證既有橋梁結構的安全，本站結合車站圍護結構和車站主體結構作為托換轉換施工的關鍵是新舊混凝土節點處理措施。

3)本工程采用梁包承臺的方法進行托換節點處理，新舊混凝土采用界面劑+植筋的方法進行處理，其施工后的連接效果暫時無法找到有效的方法進行監測。

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