隧道下穿地鐵既有橋梁的樁基托換技術

張希睿

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300451)

一些城市正在大力建設城市中心區(qū)與邊緣組團的快速道路系統(tǒng)，地下公路系統(tǒng)是保證速度且不占據(jù)城市空間的最好選擇。在地下公路修建的過程中，可能會與既有建筑物、橋梁等樁基礎相矛盾，需要進行樁基托換[1-3]。因此，隧道穿越既有建筑結(jié)構(gòu)物時，如何保證原有建筑的安全穩(wěn)定[4-5]，對城市發(fā)展和地下交通建設具有重要意義。

1 工程概況

北京廣渠路東延道路工程全長約7.6 km，道路按地面、地下兩套系統(tǒng)設置，地下道路采取全線下穿方案，其中廣渠路東延地下隧道與地鐵八通線相交叉。交叉節(jié)點處隧道與跨通朝大街的(40.5+50+40.5)m三跨預應力混凝土連續(xù)梁中間兩個橋墩矛盾，經(jīng)核算中墩托換荷載達21 000 kN，托換荷載巨大，且連續(xù)梁體系自身對沉降變形非常敏感。為了降低風險，廣渠路東延線路在穿越八通線節(jié)點處南北向分開，避開大跨連續(xù)梁中墩基礎，隧道南北向分開后與地鐵八通線既有5個墩基礎矛盾。

八通線2001年開始建設，2003年正式運營通車，與廣渠路東延相交段八通線線位沿京津公路路側(cè)敷設。廣渠路東延與八通線相交處為八通線果園-九棵樹區(qū)間6#～12#墩橋梁。其中6#～7#墩為22 m預應力混凝土簡支預制小T梁，橋墩為雙柱圓墩，基礎為6根1 m樁基，樁長30 m。7#～8#墩為18.284 m預應力混凝土簡支預制小T梁，橋墩為雙柱方墩，基礎為6根1 m樁基，樁長30 m；8#～11#墩為跨現(xiàn)狀通朝大街節(jié)點橋，為(40.5+50+40.5)m三跨預應力混凝土連續(xù)梁橋，中墩為獨柱圓墩、基礎為9根1 m樁基、樁長35 m，邊墩為雙柱圓墩、基礎為6根1 m樁基、樁長為32 m。11#～12#墩為25 m預應力混凝土簡支預制小T梁，橋墩為雙柱圓墩，基礎為6根1m樁基，樁長30 m。其中6#、7#、8#、11#、12#墩基礎與隧道矛盾，需要進行樁基托換。

2 樁基托換設計

2.1 托換結(jié)構(gòu)設計

托換梁長28～32.5 m,寬13.2 m，梁高4 m，為減輕托換梁自重效應，托換梁在條件允許的部位采取挖空處理，5 個托換梁均采用預應力混凝土結(jié)構(gòu)。每個托換梁設置6 根樁基，樁基直徑2 m，樁長約70～88 m，鉆孔灌注樁。樁頂擴大頭尺寸兩側(cè)各3.2 m×13.2 m。托換方案布置及托換結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 托換方案布置示意圖

2.2 托換頂升系統(tǒng)設計

圖2 托換結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

在每個樁帽對應托換樁位置各設置4個500 t液壓雙向同步頂升千斤頂設備，合計12個；每個樁帽上均布螺旋自鎖式千斤頂同步頂升設備，合計16個。設計見圖3、圖4。

圖3 樁基托換千斤頂設置斷面圖

圖4 樁帽上千斤頂、螺旋自鎖裝置布置平面

樁基托換施工前需在現(xiàn)況八通線橋4#～14#軸設置同步頂升設備(見圖5、圖6)。當樁基托換、隧道施工中橋梁出現(xiàn)沉降時，在沉降值不超預警值前，及時通過頂升設備調(diào)整上部結(jié)構(gòu)形態(tài)，以保證橋梁運營安全。

圖5 4#～9#地面支頂系統(tǒng)示意圖

圖6 10#～14#地面支頂系統(tǒng)示意圖

支架采用?406 mm無縫鋼管焊接，為1.5 m、2.0 m模數(shù)式，上下設法蘭盤，并設耳板，以方便栓接，各節(jié)鋼管之間用M24高強螺栓栓接，每組鋼管間以角鋼連接。頂升支架上方設置橫梁，橫梁上對應的每個T梁設置一個200 t千斤頂，對應的連續(xù)梁設置350 t千斤頂，千斤頂油缸鞍座上同心設置兩塊?602 mm圓形鋼板，每塊厚度30 mm，以此增大受力面積，防止箱梁底部局部受壓過大，并且消除梁體坡度及不平度造成的應力集中。根據(jù)支架高度在現(xiàn)況承臺上澆筑C40砼基礎，現(xiàn)場需要開挖至現(xiàn)況基礎頂面作為支頂系統(tǒng)基礎。同步頂升設備同步精度小于0.5 mm且應滿足檢測方案提出的精度要求，千斤頂須具備機械鎖定裝置，具備同步頂升和同步下降要求。

2.3 基坑圍護結(jié)構(gòu)設計

樁基托換基坑開挖深度為7.0～7.5 m，基坑支護采用懸臂樁支護，圍護樁采用?800 mm@1 200 mm的鉆孔灌注樁，樁頂設240 mm厚磚墻，樁底嵌固深度10.5 m。與地下道路基坑支護重合的位置樁徑1.0 m，樁長26.5 m，后期作為地下道路基坑圍護結(jié)構(gòu)。托換承臺下地下道路基坑開挖深度12.1～12.4 m，圍護樁采用?1 000 mm@1 300 mm的鉆孔灌注樁，樁底嵌固深度5 m，豎向采用4道支撐，其中第1道支撐為混凝土支撐，支撐截面為0.6 m×0.6 m，長約15.5 m；其余3道為鋼支撐，采用?609 mm、t=16 mm鋼管撐，支撐水平間距3 m。

鄰近地鐵橋樁段基坑開挖深度為19.5～20.2 m，圍護樁采用?1 000 mm@1 300 mm的鉆孔灌注樁，樁頂標高為地面以下-0.5 m，樁底嵌固深度6.5 m，豎向采用5道支撐，其中第1道支撐為混凝土撐，支撐截面為0.6 m×0.6 m，長約15.5 m；其余4道為鋼支撐，采用?609 mm、t=16 mm鋼管撐，支撐水平間距3 m。

基坑采用圍護樁外側(cè)旋噴樁止水帷幕和底板旋噴樁封底的封水措施。止水帷幕采用雙排?800 mm@550 mm，第1排與地下道路圍護樁咬合，深度15.0 m，地下道路底板以下3.0 m處設置6.0 m厚旋噴樁封底。

3 主要設計重點、難點

3.1 托換期間須保證運營安全

地鐵八通線連接北京中心城區(qū)及東部的通州新城，人員流動大、交通運輸繁忙，工程下穿八通線，在樁基施工、土方開挖、隧道結(jié)構(gòu)施工過程中有可能引起現(xiàn)況八通線橋梁沉降，施工中需要加強對現(xiàn)況橋梁的監(jiān)測并與參建各方、地鐵運營各單位緊密聯(lián)系，及時啟用支頂系統(tǒng)調(diào)整橋梁形態(tài)，托換期間必須保證八通線橋梁滿足地鐵運營安全[6]。

3.2 加強基坑防水措施

該段地下隧道底板位于地下水位以下，由于地下隧道下穿既有地鐵八通線，且該段承壓水水頭較高，無法采用降水措施，因此需采用基坑圍護樁外側(cè)旋噴樁止水帷幕+底板旋噴樁封底的封水措施。止水帷幕采用雙排?800 mm@550 mm，第1排與地下道路圍護樁咬合，深度15.0 m，地下道路底板以下3.0 m范圍內(nèi)設置旋噴樁封底。地下道路底板設置2根?1 000 mm抗拔樁，樁長12 m。

3.3 樁基施工合理安排

樁基施工中共涉及托換樁、托換基坑圍護樁、隧道圍護樁、止水帷幕、封底樁、抗拔樁6類樁，需要合理安排不同樁的施工順序。為了保證安全、高效、順利的完成各種樁，工程采用以下方法施工：①先行施工可在地面進行的樁基，并對樁基施工范圍土體進行處理，防止塌孔；②對現(xiàn)場合理安排并選用高效鉆機，滿足施工條件；③鋼筋籠分節(jié)加工，孔口直螺紋機械連接。

3.4 樁基托換荷載體系轉(zhuǎn)換

為了保證轉(zhuǎn)換過程中地鐵運營安全，樁基體系轉(zhuǎn)換和樁梁固結(jié)全部安排在地鐵夜間空窗期間進行，樁基托換采用PLC自動控制系統(tǒng)(主控臺、泵站控制器、位移傳感器、相應的信號電纜控制電纜組成)，來控制樁帽對應托換樁位置均布的4個500 t千斤頂(共12個)進行頂升。同時每個樁帽上均布16個機械自鎖千斤頂，隨液壓千斤頂同步升降。在托換梁結(jié)構(gòu)整體變形時，通過每個托換梁的24個千斤頂同步頂升(或卸載)來實現(xiàn)整體聯(lián)動。地面支頂系統(tǒng)和地下托換頂升系統(tǒng)為兩套獨立系統(tǒng)，地上、地下系統(tǒng)不可同時進行，以避免相互制約。

4 施工監(jiān)測

4.1 樁基托換施工監(jiān)測

由于既有線樁基托換工程對結(jié)構(gòu)受力和變形有特殊要求，樁基托換工程施工應通過全過程監(jiān)測，及時反饋，并根據(jù)反饋信息進行調(diào)整， 監(jiān)測內(nèi)容包括橋墩位移、托換大梁的線形、位移、應力與應變，托換樁的軸力、應變及沉降，托換大梁與橋墩連接點部位應力、變形，梁體上部軌道設施等。

4.1.1 既有結(jié)構(gòu)

既有橋墩上設置沉降測點、傾斜測點，對其豎向沉降位移和傾斜量進行監(jiān)測。

4.1.2 托換樁

(1)在托換新樁灌注之前，在樁身5 m處至樁底位置每隔5 m預埋應力測量裝置，用以監(jiān)測在托換頂升過程托換新樁的實際受力情況，以此對托換新樁的沉降量進行判斷分析。

(2)在新樁帽頂安裝電子位移計，測量其相對位移，計算新樁沉降。

4.1.3 托換梁

(1)在托換大梁側(cè)面1/2、1/4及1/8截面貼應變片，對托換過程中的大梁內(nèi)力變化進行監(jiān)測。

(2)在托換大梁的4個角安裝傾角儀，對其在頂升過程中所產(chǎn)生的各項彎扭進行監(jiān)測，確保頂升過程中整個大梁穩(wěn)定。

(3)在托換大梁兩端及中間位置設置位移計監(jiān)測托換大梁撓度變形。

(4)在大梁與被托換墩的咬合處安裝位移計，監(jiān)測大梁對被托換基礎的握裹效果。

(5)托換大梁內(nèi)預埋小型管，內(nèi)注清水，把溫度計置入管內(nèi)，監(jiān)測托換大梁混凝土養(yǎng)護期內(nèi)水化熱的情況，指導混凝土的養(yǎng)護。

(6)澆筑托換梁時，在托換大梁頂?shù)酌娼畈贾脜^(qū)域內(nèi)1/2、1/4及1/8截面處預埋應力測試裝置，對托換過程的內(nèi)力變化進行監(jiān)測。

4.2 隧道基坑施工監(jiān)測

為確保施工期間基坑圍護結(jié)構(gòu)、基坑附近溝渠、道路和其它設施的安全及正常使用，施工期間必須加強監(jiān)控測量，做到信息化施工。通過施工監(jiān)控量測掌握地層、支護結(jié)構(gòu)、場區(qū)周圍建筑物的動態(tài)，并及時分析、預測和反饋信息，以指導施工，確保工期和施工安全。具體監(jiān)測項目見表1。

表1 隧道基坑監(jiān)測項目

4.3 各階段監(jiān)控指標及預警值設計

各監(jiān)測項目控制值按設計及評估要求確定。為保證地鐵正常運營，軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差滿足《北京市地鐵運營有限公司企業(yè)標準技術標準工務維修規(guī)則》線路整體道床線路綜合維修管理標準。各階段變形控制指標及預警值見表2、表3。

5 施工注意事項

(1)施工前要對托換樁、被托換樁的高程、坐標等參數(shù)進行測量，確保各參數(shù)與設計圖一致，若測量結(jié)果與設計圖紙有較大出入，應立即與業(yè)主、監(jiān)理、

表2 高架橋區(qū)間結(jié)構(gòu)及軌道變形控制指標 mm

注：變形速率0.5 mm/d。

表3 托換梁變形控制指標 mm

注：變形速率0.5 mm/d。

設計單位聯(lián)系，溝通協(xié)商。

(2)基坑開挖后注意做好支護和擋水墻處理，墻外設置截流溝，嚴防地面流水沿坑壁進入坑內(nèi)。

(3)在施工前需對原有承臺鋼筋進行探測和標記，避免植筋可能對承臺造成的傷害。

(4)圍護樁施工期間加強質(zhì)量控制，預防斷樁，基坑開挖前進行無破損監(jiān)測，在基坑圍護樁的冠梁上設置位移變形觀測點，每天進行2次變形觀測，發(fā)現(xiàn)沉降超過預警值，及時采用地面支頂系統(tǒng)調(diào)整梁體標高，防止托換基坑邊坡失穩(wěn)造成坍塌。

(5)地鐵空窗期進行托換梁體系轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程中需要加強各單位的協(xié)調(diào)配合以及監(jiān)測工作，避免因施工造成軌道下沉或隆起，保證線路安全。

6 結(jié)束語

樁基托換是一個風險較大的系統(tǒng)工程，要結(jié)合場地條件、原有建筑的穩(wěn)定要求等因素，綜合考慮選擇適宜的設計和施工方案。該工程施工期間未中斷地鐵運營，樁基托換設計方案合理，希望能為相關工程提供借鑒。