盾構(gòu)隧道下穿城市橋梁樁基托換技術(shù)施工與監(jiān)測(cè)

吳佩

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，城市地下基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的擁堵現(xiàn)象也越來越常見，既有高架橋、工程結(jié)構(gòu)的樁基礎(chǔ)不斷對(duì)后建地下工程結(jié)構(gòu)（如隧道、管線等）造成阻撓影響，當(dāng)后建工程穿越時(shí)，不得不采用樁基托換技術(shù)進(jìn)行合理高效的轉(zhuǎn)移，以同步確保既有工程運(yùn)營及后建工程施工的安全與穩(wěn)定。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同場(chǎng)景和工程類別的樁基托換技術(shù)開展了廣泛的研究工作，取得了卓有成效的研究成果。針對(duì)南京地鐵5 號(hào)線盾構(gòu)隧道穿越橋梁樁基問題，提出采用錨桿靜壓鋼管樁的門架式樁基托換思路及狹窄空間下拉拔樁基主筋的施工工藝，給出樁基托換的具體施工方案。研究了懸臂式結(jié)構(gòu)托換樁基技術(shù)在地鐵車站施工中的應(yīng)用與施工過程。針對(duì)軟弱地層地鐵隧道洞內(nèi)托換施工問題，進(jìn)行了托換施工對(duì)樁基沉降、受力的影響分析。以武漢地鐵6 號(hào)線武勝路基坑下穿高架橋的樁基托換工程為例，對(duì)高架橋樁基托換過程進(jìn)行了沉降與變形監(jiān)測(cè)研究。本文基于廣州地鐵13 號(hào)線西場(chǎng)站—彩虹橋站區(qū)間盾構(gòu)隧道施工過程中下穿德坭立交橋43#、44#、45#、48#、49#墩樁基工程為依托，展開樁基托換設(shè)計(jì)、施工與監(jiān)測(cè)研究，研究成果一方面可為該工程合理設(shè)計(jì)與施工提供技術(shù)支撐，另一方面可為類似盾構(gòu)隧道下穿城市橋梁樁基礎(chǔ)的樁基托換方案設(shè)計(jì)與施工監(jiān)測(cè)提供參考和指導(dǎo)。

1 工程概況

德坭立交位于廣州市荔灣區(qū)東風(fēng)西路與廣茂鐵路交會(huì)處，橋梁分舊橋和新橋，舊橋在中間新橋在兩邊，設(shè)車行道和人行道。其中，舊橋于1964 年建成通車，長370m，寬11.6m，橋梁為預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁，橋墩為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，截面尺寸為4300mm×500mm；橋墩下設(shè)置承臺(tái)，承臺(tái)尺寸為6400mm×3200mm×1200mm；承臺(tái)下為預(yù)應(yīng)力混凝土方樁（摩擦樁），橋樁尺寸為300mm×300mm×6000mm，間距1800mm×1100mm 布置，每座承臺(tái)下共12 根方樁。新橋建于1995 年，長1455m，寬8.5m，橋梁為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，橋跨為22.8m，橋樁為單樁單柱，樁基礎(chǔ)為φ1200鉆孔灌注樁，采用C25 混凝土水下灌注，43#、44#、45#、48#、49#墩樁長分別為31.61m、29.51m、29.51m、22.05m、19.63m，設(shè)計(jì)承載力600t。

樁基托換設(shè)計(jì)工藝采用豎井+暗挖通道提供作業(yè)空間，人工挖孔樁作為托換梁的受力基礎(chǔ)，在人工挖孔樁上先施作承臺(tái)、托換梁，并加預(yù)頂力后截?cái)嘣瓨兜氖┕し桨福瑯痘袚Q效果圖如圖1 所示。區(qū)間在樁基托換區(qū)段的地層地質(zhì)情況從上到下分別為人工填土、可塑狀碎屑巖殘積土、硬塑狀碎屑巖殘積土、巖石全風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化礫巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，其中暗挖通道穿越的地層主要為可塑狀碎屑巖殘積土、硬塑狀碎屑巖殘積土、巖石全風(fēng)化帶[1]。

圖1 樁基托換效果圖

2 樁基托換設(shè)計(jì)與施工

2.1 樁基托換設(shè)計(jì)

豎井設(shè)置在44#橋樁與45#橋樁中間，深度13.92m（5000mm×3000mm），結(jié)構(gòu)采用倒掛井壁法施工，砂漿錨桿（或中空注漿錨管）+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土+格柵鋼架組成的聯(lián)合支護(hù)。豎井身內(nèi)凈空尺寸為3m×5m，壁厚0.25m。

暗挖通道以豎井為界限，往大里程方向32.2m（支洞20.8m），往小里程方向111.8m（支洞21.8m），暗挖通道共設(shè)置A1、A2、B1、B2、B3、C 型6 種斷面。暗挖通道設(shè)計(jì)采用超前小導(dǎo)管+錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土+格柵鋼架組成的聯(lián)合支護(hù)。該段區(qū)間線路埋深約13.0m，暗挖橫通道底埋深約12m。

托換樁采用直徑1200mm 樁基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)為人工挖孔 樁，樁 長6.72～17.3m，樁 徑1200mm（ 開 挖 直 徑1500mm），根部1.4m 范圍呈喇叭擴(kuò)大狀，擴(kuò)大頭（最大）直徑為2200mm，樁底入中風(fēng)化礫巖。護(hù)壁混凝土及鎖口混凝土為C25P6，樁身混凝土為C35P8；樁主筋HRB400Eφ25，加 勁 箍 筋HRB400Eφ16，螺 旋 箍 筋HPB300φ8。

托換承臺(tái)施作在托換樁頂部，承臺(tái)中心與樁中心同軸線，尺寸為2200mm×2500mm×1200mm，設(shè)計(jì)澆筑C40P8 混凝土。 托換梁與托換承臺(tái)之間留有600mm 間隙用于千斤頂施加預(yù)頂力[2]。托換梁共有5根，每根的幾何尺寸見表1，采用C40P8 混凝土澆筑而成。托換梁與原樁相交處的配筋示意圖如圖2 所示，原樁節(jié)點(diǎn)處的錨筋圖如圖3 所示。

圖2 托換梁與原樁相交處的配筋示意圖

圖3 原樁節(jié)點(diǎn)處的錨筋圖

表1 托換梁設(shè)計(jì)

2.2 樁基托換施工

托換承臺(tái)施工：托換承臺(tái)施工順序?yàn)殍彸斯ね诳讟稑额^、鋼筋安裝、模板安裝、預(yù)埋鋼板安裝、澆筑混凝土。承臺(tái)鋼筋均為綁扎連接，人工挖孔樁伸出鋼筋為直螺紋連接。模板采用1.2cm 厚竹膠板，支撐體系主楞為φ48 鋼管、次楞為5×10cm 方木，支撐在暗挖初支上。混凝土采用地泵泵送，振搗棒振搗密實(shí)。

托換梁施工：施工順序?yàn)樵瓨惰徝⒃瓨吨步睢摻畎惭b、型鋼焊接及安裝、冷凝管安裝、模板安裝加固、混凝土澆筑。原樁鑿毛時(shí)[見圖4（a）]，先清理原樁上裹土，再用風(fēng)鎬進(jìn)行鑿毛，鑿毛的標(biāo)準(zhǔn)為外層夾泥混凝土剔除、露出樁體混凝土，形成5mm 左右的凹痕；植筋打孔設(shè)計(jì)要求為10d，實(shí)際施工過程中，為保證鋼筋的錨固力，植筋深度達(dá)到15d，植筋順序?yàn)榇蚩住⑶蹇住⑺腿胫步钅z、旋轉(zhuǎn)擰入鋼筋、鐵錘敲緊。鋼筋與型鋼安裝先在承臺(tái)上方鋪設(shè)支架+底模[見圖4（b）]，底層鋼筋安裝完成后，在其上方安裝型鋼，由于不具備整體吊裝型鋼的條件，型鋼由鋼板在作業(yè)面現(xiàn)場(chǎng)焊接；由工程屬于大體積混凝土，防止水化熱導(dǎo)致的溫差裂縫產(chǎn)生，在托換梁內(nèi)設(shè)置φ42 鋼管作為冷凝管[見圖4（c）]；最后進(jìn)行模板加固及混凝土澆筑，澆筑完成之后灑水覆蓋土工布保濕養(yǎng)護(hù)，冷凝管通水，有效降低內(nèi)外溫差[3]。

頂升施工：托換梁養(yǎng)護(hù)21 天后，強(qiáng)度達(dá)到50.3MPa，具備頂升條件，開始頂升施工。共分十級(jí)進(jìn)行頂升加載。每個(gè)承臺(tái)與托換梁之間設(shè)置兩個(gè)千斤頂，分別在左右兩側(cè)，頂升加力時(shí)均勻同步分級(jí)加載[見圖4（d）]。

圖4 樁基托換施工過程

固結(jié)施工：按照設(shè)計(jì)圖紙和施工方案要求，頂升完成且沉降穩(wěn)定后對(duì)承臺(tái)與托換梁進(jìn)行填充固結(jié)。固結(jié)分兩次進(jìn)行，第一次將千斤頂位置包裹隔開，澆筑中心混凝土，樁芯混凝土統(tǒng)一從梁頂預(yù)留孔洞澆筑，可澆筑密實(shí)[4]。 設(shè)計(jì)要求待達(dá)到強(qiáng)度后（ 即1.08MPa）方可拆除千斤頂，第二次澆筑千斤頂部位混凝土。混凝土采用C40P8 微膨脹混凝土，有效防止混凝土收縮[5]。

截樁施工：按照設(shè)計(jì)要求，固結(jié)達(dá)到強(qiáng)度后進(jìn)行截樁施工。截樁方式為繩鋸切割，托換梁鋼筋綁扎之前，已提前在原樁兩側(cè)預(yù)埋了φ20 的PVC 管，并在PVC 管預(yù)留φ12 圓鋼，防止托換梁澆筑過程中PVC管擠壓變形。固結(jié)強(qiáng)度達(dá)到后，從PVC 管中穿過金剛石繩鋸條[6]。

3 施工監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

樁基托換施工過程中，檢查橋樁與托換梁連接部位的開裂情況、托換梁整體變形和開裂情況，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括橋墩沉降、橋墩傾斜、托換梁梁端位移、梁中（梁與樁結(jié)合處梁體）位移，橋樁監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)警值、控制值及監(jiān)測(cè)頻率見表2。此外，基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，展開梁端與梁中相對(duì)位移、梁端相對(duì)位移的對(duì)比分析。

表2 監(jiān)測(cè)頻率與控制值

圖5 橋樁測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

頂升時(shí)按照十級(jí)進(jìn)行加載，過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)人員的實(shí)際監(jiān)測(cè)速度，地面監(jiān)測(cè)項(xiàng)目可以每2分鐘一次，井下監(jiān)測(cè)項(xiàng)目可以每5 分鐘一次，基本能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的，監(jiān)測(cè)結(jié)果見表3。

表3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

頂升過程中，設(shè)計(jì)為10 級(jí)，實(shí)際頂升達(dá)到了11級(jí)，比設(shè)計(jì)預(yù)頂力大5%。頂升期間，電子水準(zhǔn)儀的精度能達(dá)到0.05mm，由于原樁上抬量在1mm 以內(nèi)，不排除誤差的可能性，在達(dá)到第10 級(jí)時(shí)，仍不能判斷原樁有明顯上抬趨勢(shì)，決定繼續(xù)加載。當(dāng)達(dá)到11 級(jí)時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，原樁基本上呈上抬趨勢(shì)，因此停止加載[7]。此外，需要說明的是，頂升期間托換梁梁端撓度變形指標(biāo)存在差異，原設(shè)計(jì)方案中給定梁端與梁中相對(duì)位移不得大于1.2mm，也就是梁端撓度變形不得超過1.2mm，但實(shí)施過程中很快便能達(dá)到這個(gè)警戒值，因此經(jīng)與設(shè)計(jì)方研討后改為以梁體不產(chǎn)生裂紋為控制指標(biāo)[8]。

關(guān)于裂縫觀測(cè)，加載過程中不間斷觀察托換梁是否出現(xiàn)裂縫、托換梁是否與原樁發(fā)生滑移。裂縫觀測(cè)的主要手段采用強(qiáng)光手電，人工不間斷觀察，并采用裂縫觀測(cè)儀測(cè)量裂縫寬度，最終未發(fā)現(xiàn)肉眼可觀測(cè)的裂縫發(fā)生，裂縫最大寬度小于0.18mm，頂升過程中結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定[9]。需要注意的是，由于混凝土細(xì)微裂縫的產(chǎn)生并非肉眼可觀測(cè)的，現(xiàn)有的裂縫觀測(cè)儀僅能用來測(cè)量裂縫寬度，并不能用以直接發(fā)現(xiàn)裂縫。因此，建議進(jìn)一步研發(fā)裂縫觀測(cè)的儀器，以更加精確地掌握實(shí)時(shí)裂縫發(fā)展動(dòng)態(tài)[10]。

4 結(jié)論

第一，所提豎井+暗挖通道的樁基托換設(shè)計(jì)、施工方案是可行的，利用人工挖孔樁作為托換梁的受力基礎(chǔ)，能夠?yàn)樯喜拷Y(jié)構(gòu)托換提供有效支撐，且基于施工過程中的沉降與裂縫觀測(cè)證實(shí)了所提施工方案的可靠性強(qiáng)，能夠?yàn)轭愃乒こ痰臉痘袚Q提供參考和指導(dǎo)。

第二，原設(shè)計(jì)中托換梁要求C35P8 混凝土，實(shí)際采用的是C40P8 混凝土，且底層采用的是細(xì)石混凝土。混凝土提高一個(gè)標(biāo)號(hào)的原因并非出于加強(qiáng)目的，而是為了縮短等強(qiáng)時(shí)間。采用細(xì)石混凝土是有必要的，因?yàn)榈撞夸摻钶^為密集，鋼筋直徑也較大，常規(guī)粗骨料無法澆筑密實(shí)，至少粗骨料難以填充鋼筋之間的縫隙。

第三，設(shè)計(jì)托換支洞寬4.0m，托換梁寬2.5m，兩側(cè)的操作空間僅有0.75m。在托換梁施工過程中，操作難度較大，因此后續(xù)類似工程建議兩側(cè)至少要保留1.0m 的距離，以提供有效操作空間。

第四，暗挖托換相比明挖托換的優(yōu)勢(shì)主要在于：當(dāng)?shù)孛孀鳂I(yè)空間不足時(shí)，采取暗挖托換。然而，當(dāng)有條件能夠采用明挖托換時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇明挖托換。其原因在于暗挖托換在頂升過程中，原樁的摩擦力不能有效計(jì)算，而明挖托換上部荷載可近乎準(zhǔn)確計(jì)算，進(jìn)而能較為準(zhǔn)確地計(jì)算預(yù)頂力。

第五，暗挖托換在頂升期間的監(jiān)測(cè)存在誤差。首先，因?yàn)槎磧?nèi)環(huán)境較差，濕度較高；其次，托換梁、承臺(tái)在頂升過程中的受力載體都是暗挖初支，不能免除隧道初支變形的可能，即不能保證洞內(nèi)高程后視點(diǎn)是一個(gè)絕對(duì)穩(wěn)定的點(diǎn)，在實(shí)際操作中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。