二次托換技術在福州地鐵紫五區間樁基托換中的應用

吳文亮, 王建軍, 孫凡皓

(中交隧道工程局有限公司南京分公司, 江蘇 南京 210000)

0 引言

近十幾年來，隨著我國城市地鐵的建設，盾構隧道迅速發展，受城市空間和環境的限制，樁基托換應用的頻率增多。目前許多學者對樁基托換技術運用狀況及其核心技術機制進行了研究，如： 文獻[1]對托換基礎受力結構進行研究，綜合多種工藝確保了單次體系轉換的安全性； 文獻[2]對樁基主動托換各階段結構變形進行研究，驗證了小空間內多個托換點同步實施的可行性； 文獻[3]采用數值模擬方法對橋梁主體與被動托換進行研究，實現在不中斷結構使用功能的情況下完成樁基托換； 文獻[4] 采用有限元軟件 MIDAS/GTS建立三維有限元模型，驗證了樁基托換方案的可靠性； 文獻[5-7]通過理論計算及經驗對比確定樁基托換各工序的控制要點，得到了樁基托換在市政工程中的適用性； 文獻[8-9]介紹了盾構下穿既有橋梁樁基的托換施工方法、適用范圍、特點及應用實例。

以往的樁基托換多為單次體系轉換法樁基托換，在復雜環境下，單次體系轉換法應用尚有局限性。本文以福州地鐵2號線紫陽站—五里亭站區間(簡稱紫五區間)工程為背景，針對該工程處于既有立交橋下、周邊管線復雜以及交通壓力大等難點，通過理論分析，在常規的單次體系轉換技術基礎上，研究并應用全新的二次結構體系轉換法橋梁樁基托換施工技術。

1 工程概況

福州地鐵2號線紫五區間沿主干道福馬路布設，穿越五里亭立交橋，因為避讓五里亭立交隧道，左右線分開，如圖1所示。右線以R=350 m曲線下穿五里亭立交一處橋墩，接至五里亭站，全長874.24 m。在里程YCK31+784.5附近，五里亭立交D匝道141#橋墩(見圖2)樁基侵入隧道，隧道頂埋深約 14 m。需托換的橋墩上部結構為3×15.75 m鋼筋混凝土連續箱梁； 下部結構為薄壁墩配承臺預制方樁基礎，預制方樁的截面尺寸為40 cm×40 cm，樁長約32 m； 北側距離老承臺底部約1.5 m為DN1800污水干管，埋深3.1 m； 東側距離老承臺0.5 m為直徑5.7 m的污水沉井，埋深1.2 m。

圖1紫五區間平面布置

Fig. 1 Plan of layout of Ziyang Station-Wuliting Station Section

圖2 D匝道141# 橋墩

根據區域地質資料及前期勘察成果，場地附近存在前第四紀以來的不活動斷裂和晚更新世紀的活動性較微弱斷裂，場地為可液化場地，場地內存在地面沉降和塌陷的可能。地層從上到下主要為〈1-2〉雜填土、〈2-4-1〉淤泥、〈2-4-4〉淤泥夾砂、〈2-4-5〉淤泥質中細砂、〈2-5〉中細砂、〈3-1〉粉質黏土、〈3-3〉中粗砂、〈3-8〉卵石。地下水主要賦存在雜填土及淤泥外的6層土中，該6層土在局部存在直接的水力聯系，且承壓水頭高、埋深淺。

2 托換實施難點

1)新建的托換結構與既有橋梁連結困難，原有橋梁樁基為40 cm×40 cm預制方樁，舊樁偏位嚴重，導致托換大梁梁底縱筋施工困難。原有承臺埋深約1.5 m，位于既有污水干管上方，空間極為狹小，難以施工。托換位置位于人行道及機動車道，與原有橋墩連接施工妨礙交通。

2)常規托換梁及托換承臺實施困難，受污水干管及污水沉井限制，土體加固和圍護結構施工困難，深基坑施工風險大、費用高，且工期無法保障。

3)因區間盾構掘進范圍內基本為全斷面的淤泥質粉細砂，設備選用土壓平衡盾構配軟土刀具，且承臺下共有9根樁基，樁間距小，需提前處理掘進范圍內的遺留障礙樁基。如采用常規的樁基托換方法，處理障礙樁基一般采用施工豎井方法破樁，施工風險與費用均較大。

3 二次結構體系轉換法橋梁樁基托換施工技術

3.1 工藝流程

步驟1： 在區間隧道外新建鉆孔灌注樁及承臺，如圖3所示。

圖3 新建鉆孔灌注樁及承臺

Fig. 3 Sketch of new cast-in-situ bored pile and bearing platform

步驟2： 如圖4所示，安裝臨時鋼管貝雷梁支撐架，在千斤頂與箱梁之間設置橡膠墊，將千斤頂頂升至舊支座不受力。安裝臨時支座。卸下千斤頂頂升力，并將千斤頂保留到位，舊支座將不再受力，完成第1次體系轉換。

圖4 鋼管貝雷梁臨時支撐架

步驟3： 拆除既有墩身、承臺，拔除障礙樁基，如圖5所示。

圖5 拆除既有墩身、承臺，拔除障礙樁基

Fig. 5 Existing pier body and bearing platform and barrier pile foundation removing

步驟4： 澆筑后澆承臺與兩側承臺，連接成新承臺，如圖6所示。

圖6 澆筑后澆承臺

步驟5： 澆筑新橋墩，如圖7所示。千斤頂頂升至臨時支座活動不受力狀態，臨時支座應原位保留，安裝永久支座。千斤頂卸載，并保留原位。密切監測，移除臨時支座，完成第2次體系轉換。

圖7 澆筑新橋墩

步驟6： 拆除臨時支撐體系，恢復路面并開始盾構掘進施工，如圖8所示。

圖8 拆除臨時支撐體系

3.2 二次托換工藝

3.2.1 新建樁基及承臺

在區間隧道外新建鉆孔灌注樁，采用常規回轉鉆機成孔灌注施工。在施工過程中注意控制泥漿護壁性能，并監控周邊老橋及管線沉降。之后在鉆孔樁的頂部澆筑2個單樁承臺，作為臨時支撐體系支架的基礎和永久托換梁的一部分[10]。

3.2.2 臨時支撐體系及同步頂升體系轉換

3.2.2.1 臨時支撐體系

在新建承臺上搭設臨時支撐體系，通過大直徑灌注樁、鋼管柱和貝雷梁組成臨時支撐體系。施工過程中通過預埋件使鋼管柱與灌注樁剛性連接，增加體系水平抗剪能力。在鋼管柱、貝雷梁等構件外側增設限位防撞裝置及警示裝置，履帶吊增設回轉、起吊角度限位裝置。

采用MIDAS軟件建立臨時支撐體系模型(見圖9)，計算臨時支撐體系結構變形量和鋼管豎向受力，結果如圖10和圖11所示。支撐體系貝雷梁受力間距L=8.16 m，貝雷梁最大位移14.1 mm≤L/400=20.4 mm，滿足要求。鋼管(630×10)最大應力為15.88 MPa，最小應力為-91.77 MPa，均小于[σ]=215 MPa，滿足要求。

圖9 臨時支撐體系模型

圖10 模型變形云圖(單位： mm)

圖11 支撐鋼管受力云圖(單位： MPa)

3.2.2.2 托換梁施工控制措施

1)材料機具控制措施。①采用PLC同步頂升控制系統(見圖12)，實現力和位移控制、操作閉鎖和過程顯示。通過對油缸進行特殊處理，使千斤頂獨特的支撐設計可承受油缸承載能力10%的側向負載。②針對本橋梁情況，設計確定的相對位移限值為10 mm。③千斤頂采用YZL150-100型自鎖式千斤頂，行程為10 cm，最大噸位為150 t。該處橋墩托換梁采用4個千斤頂頂升(見圖13)，千斤頂支撐于橋梁斜腹板處(見圖14)，與箱梁間設置橡膠墊。

1—電動液壓泵站； 2—觸摸屏和PLC控制器； 3—雙作用(單作用)液壓千斤頂； 4—位移傳感器； 5—高壓軟管； 6—位移傳感器電纜； 7—電磁控制器； 8—壓力傳感器。

圖12 PLC同步頂升系統

Fig. 12 PLC synchronous lifting system

圖13 托換梁與臨時支座節點布置

Fig. 13 Layout of joints of underpinning beam and temporary support

2)托換梁頂升技術控制措施如下。

頂升裝置檢驗合格后進行試頂加載，千斤頂按設計的行程同步頂升，起梁速度控制約為每毫米3 min，同時觀測梁體起頂高度和千斤頂的起頂力，實施雙控。

稱重預壓： 預頂按壓力和位移雙向控制，并以壓力控制為主，分3個階段。每次預頂后，對支撐系統的沉降、變形進行檢查和記錄，對千斤頂的位置、傳力設施的固定進行檢查，如有問題立刻調整，再重復上一步操作，直到支座不再受力，整個上部結構處于懸浮狀態時，停止抬升。根據壓力值(可通過顯示器讀數或根據油壓值計算確定)，得出梁體實際質量，再根據梁體實際質量確定頂升力。

圖14 托換梁節點布置(單位： mm)

頂升： 根據稱重的結果，確定準確的頂升噸位，重新確定千斤頂的個數和噸位。完成頂升前的作業后，啟動油泵，通過控制器和換向閥，調整雙作用千斤頂，使千斤頂緩慢上升，逐級施加預頂荷載，通過分析同步監測數據，動態化指導預頂力的荷載施加。托換樁支架千斤頂同步分級加載，每級加載持荷10 min，預頂力達到設計值后穩壓30 min，監測托換體系構件的變形及梁體裂縫發展。施工完成且監測數據反映托換體系穩定后，方可抽出原有支座，并落梁至臨時支座。

3)托換梁頂升安全控制措施。整個頂升過程嚴格對老橋及支撐體系變形和受力進行監控，監控結果及時反饋。第1次體系轉換后要持續觀察24 h，查看臨時支撐系統及原橋結構的安全性，確保沒有異常情況再進行墩臺的拆除工作。充分考慮外部干擾，采用附著式撓度計、高靈敏應力應變計及角度計等監控元件進行監測。

3.2.2.3 體系轉換

1)體系轉換流程如圖15所示。

2)安裝臨時支座，搭設臨時支撐體系，如圖16(a)所示。頂升完畢后，關閉千斤頂鎖定閥門，安裝D400×69橡膠臨時支座。

3)拆除舊墩身、承臺及樁基礎結構，如圖16(b)所示。通過臨時支座支撐箱梁，使既有橋墩不再受力后，在舊橋墩周圍設置防護擋板，采用繩鋸切割方式拆除舊橋墩，之后采用破碎機鑿除既有承臺，最后采用全回轉鉆機拔出障礙樁基礎。施工過程中在臨時支撐體系上設置防護軟墊，避免機械與硬物沖撞帶來損害。

4)新建橋梁下部結構，如圖16(c)所示。拆除舊墩身、承臺及樁基礎結構后，對鄰近污水管進行保護，并在此區域進行鋼筋加密。通過后澆的方式，將臨時支架下的2個新建單樁承臺連接成一個整體，然后在原橋墩位置上恢復橋墩。

5)回落，完成體系轉換，如圖16(d)所示。新的永久支座安裝完成后，控制頂升系統逐漸下落，落梁控制與頂升相同。打開千斤頂鎖定閥門，同步緩慢回落梁板至安裝好的支座，詳細檢查墊石及支座，確認壓緊密貼及位置正確后，撤除頂升系統。

圖15 頂升體系轉換流程圖

(a) 臨時支撐體系搭設

(b) 拆除既有橋梁下部結構

(d) 完成體系轉換

(d) 完成體系轉換

圖16二次托換技術現場實施照片

Fig. 16 Site construction photos of secondary underpinning technology

3.2.3 監測監控

同步頂升施工前對相應的上部和下部結構進行全面的檢測，了解橋梁結構的現狀，避免因既有橋梁存在的病害增加頂升施工的風險。在施工后也需進行全面檢測，與頂升施工前進行比較，以判定施工的相關影響。

橋梁的同步頂升需要逐級完成，對橋梁頂升過程中的整體軌跡、整體姿態和結構應力進行實時監測，監測內容包括橋面線形、梁底應變、墩底沉降、托換體系相對位移和鄰近橋墩沉降等，主要監測內容如下： 1)主梁在頂起點的豎向位移和水平位移，主膜端部、橫隔板頂部、橋底及橋面的應力。2)梁肋垂直裂縫及梁端斜裂縫的發展。3)橋梁伸縮縫的伸縮變形。4)頂進過程中既有樁基、托換樁、高架橋的沉降，托換梁形變和裂縫發展。5)臨時支撐體系傾斜和沉降。

正常情況下監測的頻率為2次/d，頂升過程中為4次/d。特殊條件下，在第1周監測頻率為1次/d，第2周為1次/2 d，直到穩定。主要監測點布設如圖17—21所示。

圖17 橋面線形測點布置平面圖

圖18 梁底應變測點布置平面圖(單位： cm)

Fig. 18 Plan of layout of monitoring points on beam bottom (unit: cm)

(a) 平面圖

(b) 立面圖

(a) 立面圖

(b) 平面圖

圖21 鄰近橋墩靜力水準儀觀測點布置

Fig. 21 Layout of monitoring points on static force level close to bridge pier

4 二次結構體系轉換法橋梁樁基托換特點分析

4.1 安全風險可控

二次結構體系轉換法橋梁樁基托換只需開挖施工單層托換承臺，開挖深度由常規托換的6～8 m減小為3～4 m，可降低不良地質條件下深基坑施工風險。而且能徹底清除遺留的障礙樁基，不需要采用復合土壓平衡盾構磨樁或施工豎井破樁，規避了盾構帶壓開艙或豎井地下破樁作業的風險。

4.2 施工方便

該托換技術主要采用地上常規橋梁結構和鋼管貝雷梁臨時支撐體系施工，不需要復雜的基坑支護。主要的臨時支撐體系構件可以制作完成后進場拼裝，施工便捷，占地范圍小。

4.3 節約投資

二次結構體系轉換法橋梁樁基托換不需要深基坑施工，能節省大量深基坑支護或豎井費用，尤其是在類似福州地鐵2號線紫五區間高承壓水軟土地質、存在不可遷改障礙物、不宜實行破樁時，成本節約效果更為顯著。此外，該托換技術主要的臨時體系構件為鋼結構，可重復利用。

5 體系轉換法橋梁樁基托換實施效果分析

對五里亭立交橋橋梁裂縫變化、梁底位移、橋墩沉降、托換體系位移等進行監測，結果如圖22—26所示。可知： 在信息化施工系統的監測數據反饋下，通過同步頂升對既有橋梁樁基進行二次體系轉換，橋梁回落后，橋梁裂縫最大為2 mm、梁底最大位移為3.9 mm、墩底最大沉降為3.8 mm、托換體系最大位移為24 mm、鄰近橋墩最大沉降為1.2 mm，可知該托換技術對既有橋梁的影響很小，保證了既有橋梁的安全質量及使用功能。

圖22 既有橋梁裂縫監測曲線(2016年)

圖23 梁底位移監測曲線(2016年)

圖24 墩底沉降監測曲線(2016年)

圖25 托換體系位移監測曲線(2016年)

圖26 鄰近橋墩位移監測曲線(2016年)

6 二次結構體系轉換法橋梁樁基托換效益分析

對比福州地鐵2號線紫五區間右線樁基托換工程采用二次結構體系轉換法樁基托換與常規樁基托換的經濟和社會效益，結果如表1所示。可知： 在本工程中，采用二次結構體系轉換法進行樁基托換施工，克服了周邊環境復雜的影響，規避了盾構帶壓開艙和破樁的風險，工期縮短2～3個月，費用節省約50%。

表1不同樁基托換方案效益分析

Table 1 Benefit analysis of different pile foundation underpinning schemes

托換方案主要工藝施工風險工期/月費用/萬元備注 二次結構體系轉換法 利用同步頂升系統頂升梁體實現體系轉換,置換整個橋梁下部結構,清除障礙樁較小3～4234 需搭設臨時支撐體系 常規托換梁托換、盾構破樁 利用托換梁間千斤頂實現體系轉換,只置換樁基。需對地層進行滿堂加固應對帶壓開艙風險,盾構破樁較大4～5 157+140(加固)+168(掘進增加) 復合土壓盾構相對土壓盾構每米掘進增加約0.2萬 常規托換梁托換、豎井破樁 利用托換梁間千斤頂實現體系轉換,只置換樁基。開挖23 m深豎井破樁大6～8 157+300(豎井費用)

7 結論與建議

樁基托換工程的施工環境一般相對復雜，地質條件、水文條件、周邊管線、建(構)筑物及場地條件等變化多樣，具有工序多、場地受限、干擾大等特點，施工時往往在安全控制、工期、成本等方面要求較高。以福州地鐵2號線紫五區間右線托換工程為背景，研究全新的二次結構體系轉換法施工技術，應用結果表明，橋梁裂縫最大為2 mm、梁底最大位移為3.9 mm、墩底最大沉降為3.8 mm、托換體系最大位移為24 mm、鄰近橋墩最大沉降為1.2 mm，采用該托換技術對既有橋梁的影響很小，保證了既有橋梁的安全質量及使用功能，降低了施工風險，保證了區間盾構的順利掘進，可為類似工程提供參考和借鑒。

本工程采用的二次托換技術利用移動式同步頂升系統，在結構使用后期不具備補償功能，當因新建的永久樁基與原有橋樁出現沉降差或其他原因造成支座脫空時，只能依賴原始的支座塞入支墊或更換處理。后續類似工程建議考慮在托換梁中設置預應力，采用波紋管預留成孔并留置備用束，當支座脫空時張拉備用束，同時可增加托換梁二次澆筑的結構可靠性。