橋梁下部結構托換技術綜述

齊 新，秘志輝

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

1 概述

當新建道路、地道、地鐵等從既有橋梁下方通過時，時常會遇到與既有橋梁下部結構位置發生沖突的情況。當新建交通的線位調整仍然不能避開既有橋墩時，就需要對既有橋墩進行改造。改造的原則一般是不改變既有橋梁上部結構的跨徑布置，改造后橋梁上部結構的受力狀態基本不變。因此改造的方案一般是新建樁基和地下托換大橫梁將原樁基礎托換或者將普通墩托換改造為門架墩，為新建交通提供通過的空間。

文獻[1]介紹了上海軌道交通下穿某跨河橋梁的托換工程。該橋為三跨簡支梁跨河橋，方案是對老橋首先進行地基加固，然后采取連續大底板基礎托換橋墩、臺的樁基。

文獻[2-3]介紹了廣州機場西路所涉及的橋梁樁基托換工程設計。當下穿隧道與橋梁樁基位置沖突時，采用地下大橫梁托換方案，即在擬建隧道兩側施工新的樁基，新建的地下大橫梁（托換梁）與既有橋梁承臺結合在一起，當其支承于新建樁基實現轉換后，即可拆除老樁基。方案構造如圖1（a）所示。類似的利用地下大橫梁對橋梁樁基進行托換的工程案例很多[5，8-9，12，15]。文獻[14]介紹的福州地鐵所引起的橋梁樁基托換案例中，雖然采用的是類似的方案，可是因為施工條件的限制，因地制宜地應用了二次托換技術。

圖1 廣州機場西路所涉橋墩改造方案構造圖[2-3]

文獻[3]還介紹了當地面道路與橋墩位置沖突時，利用臨時支墩托換的方法，將普通橋墩改造為門架墩。方案構造如圖1（b）、(c）所示。文獻[10]則介紹了新建蓋梁托換技術在高速公路橋梁改造中的應用，將立柱加蓋梁的普通公路橋墩托換改造為門架墩。方案構造如圖2 所示。

圖2 廣東高速公路橋墩改造為門架墩方案構造圖[10]

關于橋臺樁基的托換，除了文獻[1]，國內還有多個工程案例。文獻[4]介紹了成都某地鐵下穿單跨橋梁的橋臺時，在原橋臺底部增加擴大結構并新建樁基，以彌補因地鐵而準備截除的樁基。方案構造如圖3 所示。文獻[7]介紹了暗挖地鐵隧道下穿既有單跨橋梁時，采用新建樁基和大承臺來托換橋臺部分樁基的方案。文獻[16]介紹了橋臺改橋墩的頂升托換方案，新建樁基并部分利用老樁基，在老橋臺下方新建承臺，拆除一部分老橋臺后新建墩身，然后將上部結構重量轉換到新橋墩，最后拆除老橋臺剩余部分。

圖3 成都地鐵下穿橋臺樁基托換方案構造圖[4]

還有一些其他類型的橋梁下部結構托換的工程案例。例如地鐵下穿鐵路橋梁時的樁基托換[6]、地鐵車站基坑內既有高架橋梁的樁基托換[11]等。

2 托換方案研究

2.1 既有橋梁調查和檢測

橋梁下部結構托換工程比新建橋梁難得多，必須確保既有橋梁的安全。在托換方案制訂前，要對既有橋梁進行調研和全面檢測，查清既有橋梁的狀況，作為制訂托換方案的基礎資料。與竣工資料和年檢資料進行對比，檢查發生不均勻沉降、平面橫向偏位和縱向爬移的情況、混凝土梁體裂縫的情況、支座和伸縮縫是否出現病害。如果發現有明顯病害的情況，橋梁托換前應先進行病害治理。例如有支座損壞甚至引起梁體偏轉的狀況，應先更換支座和糾偏。

2.2 基本方案

托換改造基本方案一般有兩類。一類是新建地下橫梁及其樁基，原樁基廢棄。這類改造方案往往適用于地鐵、地道在地下下穿的情況。另外一類是將普通橋墩改造為地面門架墩。這類改造方案適用于有地上交通通過的情況，如地面道路、匝道橋、地道敞開段等。

托換方案要進行多方案的綜合比選，結合建設條件，從結構受力安全、可實施性、施工風險、施工控制的難易程度、經濟性、橋梁景觀等多方面進行分析比較。

以地下橫梁方案為例，地面橋墩身是保留利用的，對橋梁景觀無影響，對地面交通的影響也很小。這是該方案的優勢，可是該方案要考慮的制約因素也很多。比如地下大橫梁與地下其他建筑及管線位置是否沖突，是管線搬遷還是調整橫梁標高對管線避讓，大橫梁及新建樁基與遠期規劃地鐵、地道、大直徑管線是否相適應，橫梁是否需要施加預應力及預應力鋼束體系的防腐保護措施，大橫梁上部的覆土等恒載后期是否會變化，橫梁上部地面汽車活載的影響等。相比較而言，地面門架墩方案結構受力清晰、橫梁工程量相對較少，預應力體系的耐久性好、對地下管線的影響小。可是地面門架墩方案對橋梁景觀影響較大，同時要考慮門架墩的布置與地面交通的關系。

2.3 結構方案

在確定基本方案后，還要對托換工程的結構方案進行研究和比較，地下橫梁有普通鋼筋混凝土結構和預應力混凝土結構的比選，地上門架墩橫梁還可以考慮鋼結構。如圖4 所示，地下橫梁方案有橫梁全部位于承臺下方、橫梁與承臺結合、橫梁與墩柱結合三種形式。地上門架墩橫梁可以設計為明橫梁或者隱式橫梁，如圖5 所示。明橫梁構造相對簡單，施工方便。隱式橫梁比較美觀，然而隱式橫梁與上部結構結合需要采用鑿毛和植筋等措施，施工操作費工費時，連接構造的耐久性也有待時間檢驗。

圖4 托換大橫梁與基礎的結合方式示意圖

圖5 門架墩方案示意圖

樁基位置確定要符合地下結構物安全距離的要求，樁基構造和配筋要考慮隨后的地下結構物施工引起土體擾動所帶來的樁身附加彎矩和樁基豎向承載能力降低等不利影響。橫梁的截面尺寸和標高、樁基的直徑與根數、橫梁與既有承臺的結合方式等，也是需要深入研究比較的。

方案制定過程中要驗算改造前后橋梁運營狀態的受力情況比較。下部結構由普通橋墩變換為門架墩或者地下門架基礎后，不僅下部結構的剛度會發生變化，而且長期的收縮徐變會產生位移。這些都會引起橋梁上部結構在使用階段的內力的變化。以汽車活載為例，同樣的汽車荷載作用下，由于下部結構變形增大了，引起上部結構的內力增大，因此應同時對橋梁上部結構進行驗算，必要時對下部結構構造尺寸進行調整，使其滿足要求。

2.4 主動托換與被動托換

一般采用主動托換的方案。主動托換是要采取主動控制的措施，達到托換后上部結構標高不變的目的。主要手段是通過千斤頂施加主動力，將橋梁的重量轉換到新的基礎上，使新的基礎產生沉降和樁身壓縮變形后，再連接形成最終的下部結構支承體系。以地下橫梁方案為例，施工地下橫梁時先不與樁基相連，利用樁基作為支承施加主動力頂升橫梁，卸載老樁基，將重量轉換到新樁基，使橫梁和樁基充分發生變形，并保持上部結構的標高不變。

當橫梁的跨度較小，樁基也是短的嵌巖樁，上部恒載轉換后的下沉變形很小，不利影響仍在上部結構可承受的范圍之內；或者當上部結構為簡支梁的情況，則可以在澆筑橫梁時將樁基連在一起。該方法也被稱作被動托換[13]。

3 主要托換方案的實施步驟及要點

3.1 地下橫梁托換方案

該方案有地下轉換橫梁在既有承臺下方和新建橫梁與既有承臺或墩身結合在一起等結構形式。這里以與承臺相結合的方案為例，說明主要施工步驟及要點。

（1）施工新的樁基礎，在樁頂設置臨時構造，安放千斤頂。

（2）為了使新建橫梁與既有承臺牢固結合，需清除承臺底部墊層混凝土，對承臺及樁基與橫梁的結合面進行鑿毛處理并植筋。新建橫梁混凝土澆筑前，要對承臺及樁基表面采取長時間充分濕潤等措施，以增加結合力。為了使承臺底面部位的混凝土澆筑密實，要開設適當數量的通到承臺頂面的澆筑孔和排氣孔。

（3）綁扎托換橫梁的鋼筋和安裝預應力鋼束（如果有），澆筑橫梁混凝土。新樁基與橫梁暫時不連接。

（4）橫梁混凝土達到要求的強度后，如果是預應力結構，則張拉第一批預應力鋼束（是否分批張拉以及每批張拉的數量通過計算分析確定），頂升千斤頂，橋梁重量轉換到新建樁基，老樁基卸載。

（5）實施樁基與橫梁的結構連接，澆筑的混凝土達到強度后拆卸千斤頂。

（6）切割掉適當高度的樁基段，使老樁基與新建橫梁結構完全分離。張拉剩余橫梁預應力鋼束（如果有）。

3.2 地面門架墩托換方案

該方案的新橫梁根據工程需要設計為普通鋼筋混凝土構件、預應力混凝土構件或者鋼結構。這里以預應力混凝土明橫梁和鋼結構隱式橫梁為例，分別說明其主要施工步驟及要點。

3.2.1 預應力混凝土明橫梁

（1）施工新門架墩樁基、承臺和立柱。

（2）在既有橋墩前后安裝臨時墩，并安放千斤頂。

（3）啟動千斤頂，將上部結構重量轉換到臨時墩。拆除該老橋墩支座和墩身。

（4）建造新橫梁并張拉第一批預應力鋼束，橫梁現澆支架拆除。

（5）在橫梁頂永久支座附近布置千斤頂并施加適當頂升力。

（6）張拉橫梁第二批預應力鋼束。這時因為橫梁上拱，千斤頂的頂升力會被動增加。

（7）繼續施加千斤頂頂升力至設計值，將上部結構重量完全由臨時墩轉換至新建橫梁。拆除臨時墩。

（8）安裝永久支座，并使座漿密實。待座漿強度達到要求時，卸載千斤頂，將支承力由千斤頂轉至永久支座，完成托換工程。考慮到支座的壓縮變形，千斤頂第二次頂升到設計值時，橋面標高宜適當高1～2 mm。

3.2.2 鋼結構隱式橫梁

地面門架墩還可以設計為鋼橫梁.以圖6 所示為例，橋梁上部結構為連續鋼箱梁。為了美觀或者橋下凈空受限制時，新增鋼橫梁與鋼箱梁結合在一起形成隱式橫梁，橫梁兩端通過支座支承在新建門架墩立柱上，具體實施步驟為：

圖6 鋼橫梁門架墩方案示意圖

（1）在鋼連續梁部分跨中設臨時支架，頂升使鋼連續梁卸載，使要改造成鋼橫梁的部位的鋼箱梁的應力接近于零。同期施工新門架墩樁基、承臺和立柱。

（2）搭建墩位處臨時墩，臨時墩頂安放千斤頂并頂升，將上部重量轉換至臨時墩，拆除老橋墩。

（3）焊接外接鋼橫梁，橫梁腹板與箱梁內隔板對齊，必要時箱梁內進行加強改造。

（4）在新建墩柱頂支座附近安放千斤頂并施加適當頂升力。卸載并拆除鋼連續梁跨中臨時支架。

（5）墩柱頂的千斤頂加載，將上部結構重量由臨時墩轉換至門架墩。

（6）安裝支座并使座漿密實，達到支座頂面與鋼橫梁、底面與混凝土墊塊均密貼的要求。

（7）座漿達到設計要求的強度后拆除千斤頂，支承力轉換至永久支座，完成托換改造。

4 托換工程關鍵點

（1）要建立有限元模型對既有橋梁進行結構分析。在托換作業過程中，對橋梁上部結構有“頂”和“落”的操作，梁體標高會有微量的上升和下降。縱向為小跨徑或者普通鋼筋混凝土結構的連續梁，對橋墩位移變化比較敏感，要將豎向位移的變量控制在規范允許的范圍內。此外，還要結合檢測資料進行控制。例如資料顯示要托換的橋墩已經發生了不均勻沉降，則托換作業要控制其向上的位移可以多些，不再允許下撓或允許下撓的量值控制得很小。

（2）必須重視托換過程中的監控工作，對千斤頂的頂升力和標高等同時實行監控。由于橋梁實際重量、結構剛度等與理論值存在誤差，所以托換過程中應以對上部縱梁標高的監控為關鍵，控制縱梁標高在限定的上升和下降限值范圍內變化，保證托換過程中縱梁的安全。

（3）應仔細驗算，預留合適的托換完成后的橋面預拱度值。例如新建橫梁在長期收縮徐變后是下撓的，在汽車荷載作用下的下撓值也是增加的，則托換完成后的縱梁標高宜稍微高于現狀。

（4）嚴格執行分級加載和分級卸載的作業制度。由于上部縱梁標高要控制在一個較小的范圍內變動，因此千斤頂加載和卸載都要逐級緩慢進行。荷載每加一級或者減一級，都要對實際的頂升力和位移進行監測、與理論值進行對照，并對最終加載值進行動態調整。

（5）應嚴格控制臨時墩的沉降變形。這是地面門架墩托換改造方案成敗的關鍵之一。臨時支墩承載力大，支承時間長，因此應支承在既有橋墩承臺上。如果需要單獨做基礎，則應做樁基礎。雖然費用高些，但是為拖換的順利實施打下了堅實的基礎。

（6）托換操作所用千斤頂應為自鎖式，加載到位后要機械旋緊鎖定。千斤頂的頂和底一般應安放厚鋼板以擴散局部承壓力，頂升點也不能離結構邊緣太近。同時，還要注意對老結構頂升點的混凝土密實性進行檢查。如果發現有孔洞，應先行修補。

（7）地下大橫梁方案的新樁基與大橫梁連接處的構造要進行仔細設計。考慮的因素有樁帽構造、千斤頂布置、鋼支撐的布置、托換后樁基與大橫梁的連接等。既要受力安全可靠，又要注意預留和避讓，并且施工操作方便。

（8）要注重保障地下大橫梁預應力體系的耐久性的措施。預應力鋼束的封錨構造設計要增加厚度和加強配筋，施工時壓漿要仔細認真，使壓漿密實飽滿。封錨時要仔細鑿毛，兩次澆筑的混凝土結合要緊密，切斷腐蝕通道。

（9）地下大橫梁方案的千斤頂頂升時，要加強頂升位移一致性的控制，防止造成大橫梁產生傾斜和扭轉。

（10）承載力轉換到新樁基后，千斤頂要持荷適當的時間。其間如果樁基沉降增量較大，則需要啟動千斤頂調整標高，穩定后再連接為永久結構。

5 結語

（1）托換要根據既有橋梁上部結構和下部結構的特點、施工條件、景觀、經濟性，改造過程中和改造后的結構安全、施工難度、風險控制、工期要求等因素進行綜合研究來確定托換改造方案。

（2）托換改造要遵循改造后上部結構標高不變、受力特性基本不變、改造過程中梁體標高變動幅度要在結構受力安全允許的范圍內的原則。

（3）托換改造不同于新建工程，設計和施工難度都要大得多，施工風險也較高。因此，要重視施工圖設計、施工組織設計等工作，圍繞托換工程的關鍵點制訂有針對性的施工方案并認真落實，控制工程風險并保障托換質量滿足設計要求。