主動托換技術(shù)在鄭州地鐵盾構(gòu)穿越橋梁樁基中的應(yīng)用

寇衛(wèi)鋒

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100037)

作為城市公共交通骨干組成部分，地鐵建設(shè)的數(shù)量和質(zhì)量將對公共交通的便利性具有決定性作用。現(xiàn)行地鐵建設(shè)中，隧道部分大多采用盾構(gòu)形式。城市中建筑物基礎(chǔ)眾多，為保證盾構(gòu)隧道穿越外部基礎(chǔ)時工程安全可靠，該部分需精心設(shè)計、施工及監(jiān)測。樁基托換技術(shù)為目前工程中常見的處理盾構(gòu)穿越外部基礎(chǔ)的方法[1]。

文獻[2-5]對當前托換技術(shù)的應(yīng)用、發(fā)展趨勢進行了分析，得出當下在荷載轉(zhuǎn)移時樁基托換作為一項成熟可靠的技術(shù)已得到廣泛的應(yīng)用。文獻[6-10]依據(jù)實際工程，對不同地區(qū)盾構(gòu)穿越建筑物基礎(chǔ)采取托換技術(shù)時結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變或位移進行了分析總結(jié)。文獻[11]分析了托換技術(shù)在盾構(gòu)穿越群樁基礎(chǔ)時的應(yīng)用，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)使得工程順利完成。文獻[12-13]對工程中運用托換技術(shù)時結(jié)構(gòu)內(nèi)力及頂升作用力進行了研究，得出托換施工時應(yīng)注意對重要節(jié)點的保護監(jiān)測以及對頂升力的及時修正。

本文結(jié)合施工過程中對現(xiàn)場主要結(jié)構(gòu)位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了托換技術(shù)在盾構(gòu)建設(shè)中應(yīng)用時應(yīng)注意的要點，可為同行業(yè)或相關(guān)工程提供設(shè)計思路。

1 工程概況

1.1 工程簡介

鄭州地鐵5號線未來北路站—眾意路站區(qū)間自眾意路站西端盾構(gòu)井始發(fā)，沿CBD鄭州之林向西敷設(shè)。區(qū)間左線在里程左DK8+560.405處與黃河立交橋匝道橋F26號橋臺樁基位置沖突，隧道區(qū)間穿越樁基平面見圖1。

圖1 隧道區(qū)間穿越樁基平面(單位：mm)

F26號橋臺上部接箱梁，為樁接蓋梁式橋臺，臺高約5 m，蓋梁截面2.7 m(寬)×3.0 m(高)，橋臺下有2根直徑1.5 m，長度35 m，樁中心距4.4 m的鉆孔灌注摩擦樁。其中2根樁中的北側(cè)樁基與區(qū)間左線隧道沖突，沖突處隧道覆土深約11.2 m。經(jīng)與業(yè)主及交通管理部門溝通，明確要求施工中不可中斷匝道交通，但可在頂升過程和后澆帶施工時對匝道進行臨時管制。

1.2 工程地質(zhì)及水文概況

據(jù)勘探資料，場地內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)地層，主要地層為砂質(zhì)粉土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土，夾有粉砂、細砂。根據(jù)以上分層依據(jù)，勘探深度內(nèi)所揭露地層從上到下分述如下：1-1雜填土厚2.0 mm；2-31A黏質(zhì)粉土厚4.8 mm；2-32黏質(zhì)粉土厚5.0 mm；2-33黏質(zhì)粉土厚2.4 mm；2-22 粉質(zhì)黏土厚4.8 mm；2-34黏質(zhì)粉土厚1.9 mm；2-41 粉砂厚2.1 mm；2-51細砂厚3.0 mm；2-52細砂厚2.8 mm；3-24粉質(zhì)黏土厚0.9 mm；3-52細砂厚5.2 mm；3-24粉質(zhì)黏土。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料和現(xiàn)場鉆探，本區(qū)間的地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水和微承壓水。潛水穩(wěn)定水位為10.50～12.00 m。微承壓水靜止水位埋深14.5 m，承壓水頭2.5～3.5 m。

2 主動托換方案設(shè)計及變形控制標準

2.1 主動托換方案設(shè)計

基礎(chǔ)托換即利用新的構(gòu)件結(jié)合原有體系改變原有結(jié)構(gòu)傳力途徑或增加原有體系承載能力的加固改造技術(shù)，分為主動托換與被動托換[14]。主動托換技術(shù)較被動托換更具對原存結(jié)構(gòu)的變形控制能力[7]，本次設(shè)計采用主動托換，見圖2和圖3。

圖2 托換設(shè)計剖面示意(單位：mm)

圖3 托換千斤頂布置(單位：mm)

托換梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具體尺寸見圖1、圖2。托換樁為鉆孔灌注摩擦樁，直徑1.3 m，樁長50 m，共4根。為實現(xiàn)主動托換，在既有橋臺的樁基位置托換梁設(shè)置1.6 m直徑的圓柱孔，既有橋臺底與托換梁頂設(shè)置70 cm空隙作為托換空間。托換頂升系統(tǒng)采用同步式千斤頂4臺，每個千斤頂處設(shè)2個輔助支撐，以保證頂升穩(wěn)定和安全。主動頂升完后，將托換空間預(yù)埋鋼筋焊接并澆筑補償收縮混凝土。

2.2 托換施工順序概述

相應(yīng)作業(yè)空間基坑開挖完畢后，于原有橋基的周邊施工托換樁，在既有橋臺臺身底施工托換梁。其次在托換梁頂、既有橋臺臺身底安裝千斤頂，采取主動托換方案，PLC(Programmable Logic Controller)液壓同步控制系統(tǒng)同步控制臺底千斤頂，按比例逐級施加墩底千斤頂頂升反力至理論最大值，繼而在托換梁底對既有樁基進行逐根截斷。該過程中根據(jù)既有橋臺沉降值逐漸增大墩底千斤頂?shù)捻斏Γ钡郊扔袠痘煌耆財啵_底荷載被完全轉(zhuǎn)移到臺底千斤頂上，待穩(wěn)定后自鎖裝置鎖定。托換過程中需根據(jù)橋臺、托換梁等標高監(jiān)控數(shù)據(jù)對各托換點的千斤頂頂升力進行微調(diào)。最后待既有樁基截斷及托換樁沉降趨于穩(wěn)定后澆筑臺底與托換梁間的混凝土。

2.3 位移控制標準

根據(jù)業(yè)主及相應(yīng)結(jié)構(gòu)變形、受力要求，結(jié)合相應(yīng)設(shè)計文件及CECS 295—2011《建構(gòu)筑物托換技術(shù)規(guī)程》[14]相關(guān)規(guī)定，綜合分析確定本次盾構(gòu)穿越F26號橋臺樁基相應(yīng)結(jié)構(gòu)位移控制標準，見表1。

表1 建筑物變形及地表沉降控制標準

3 托換施工中重要節(jié)點控制措施

3.1 消除樁基先期沉降

為使荷載轉(zhuǎn)換到托換樁時前期沉降量趨于穩(wěn)定，消除樁基先期沉降，對托換樁進行堆載預(yù)壓和預(yù)頂升。堆載預(yù)壓需分級加載，XZ1,XZ2號托換樁堆載各約 1 100 kN，XZ3,XZ4號托換樁堆載各約900 kN。堆載持續(xù)1～2 d后，實施托換預(yù)頂升，采用逐級增大10%油源壓力方式加壓，預(yù)壓到設(shè)計給定的理論值，而后對千斤頂上的螺旋自鎖裝置鎖死，保持2～3 d，使托換樁的沉降量趨于穩(wěn)定，現(xiàn)場施工照片見圖4。

圖4 托換梁端頭壓載試驗現(xiàn)場

3.2 主動托換

采用以力和位移雙控方式來實現(xiàn)主動托換，即逐級增大10%的油源壓力方式加壓，直至達到理論值，即第1次施加10%的理論荷載，第2次施加20%的理論荷載，……，第10次施加100%的理論荷載(每級加載完后需同步調(diào)整千斤頂輔助支撐高度)，且控制臺底頂升位移值不超過1 mm，達到完全托換原樁基。

3.3 原有樁基的截斷

在原橋基截斷前，鎖死千斤頂?shù)挠驮磯毫Α⒙菪枣i裝置，利用油壓傳感器監(jiān)測千斤頂壓力，同時監(jiān)測既有樁基的應(yīng)力、應(yīng)變，調(diào)整千斤頂?shù)挠驮磯毫Γ_定臺底荷載完全轉(zhuǎn)移至托換樁，對輔助支撐進行固定。在托換梁底0.5 m左右處逐根截斷原橋基；截斷過程中，采用金剛石繩鋸對托換梁底的樁身進行切割，切割縫為2 cm寬；在切割過程中采用18 mm厚的鋼板塞入切割縫中，作為千斤頂失效事故時的結(jié)構(gòu)安全措施;待2根樁都截斷且位移監(jiān)控穩(wěn)定后撤離鋼板。

3.4 千斤頂向輔助支撐的荷載轉(zhuǎn)移

原橋基截斷后，逐漸增大千斤頂油壓，對橋臺再一次頂升，頂升位移控制在0.5 mm；然后對輔助支撐進行打鋼楔，逐漸減少千斤頂油壓，使荷載逐漸向輔助支撐轉(zhuǎn)移，該過程中需控制臺底下降位移不超過0.5 mm，若超過限制，需增大油壓將臺底頂回卸載之前，重新對輔助支撐進行打楔固定。

4 工程實施效果評價

托換施工改變了原傳力方式，必將引起相應(yīng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變產(chǎn)生變化。根據(jù)對箱梁、橋臺等結(jié)構(gòu)布置的多個監(jiān)測元件(見表2)，得到施工過程中各結(jié)構(gòu)位移。

表2 樁基托換監(jiān)測項目

圖5給出本次施工過程中相應(yīng)測點豎向、水平位移。

圖5 監(jiān)測點位移時程曲線

本次施工需開挖基坑以提供托換作業(yè)空間，增加了對基坑擋墻的位移監(jiān)測。根據(jù)圖5位移監(jiān)測曲線，各結(jié)構(gòu)位移均處于可控狀態(tài)，橋臺及箱梁的豎向位移最大值不超過±4 mm，水平位移最大值不超過±2.2 mm，托換施工順利完成。

5 結(jié)語

本次盾構(gòu)穿越橋梁樁基利用樁基托換技術(shù)，除在利用千斤頂頂升及后澆帶澆筑時對橋梁交通進行管制，其余時間均可保證交通的正常進行。新建托換樁在承受被托換樁轉(zhuǎn)移的橋梁荷載前利用新建橋臺進行了堆載預(yù)壓。通過托換過程中主要結(jié)構(gòu)實時位移監(jiān)測數(shù)據(jù)對千斤頂油壓及時調(diào)節(jié)，令本工程各主要結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向、水平位移處于可控范圍內(nèi)，托換順利完成。