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地铁盾构隧道区间桥梁桩基托换设计

当地下轨道区间结构与既有桥梁形成交叉穿越时，地铁结构的开挖会扰动既有桥梁基础，影响桥梁稳定及使用安全，需进行技术处理。桩基托换是目前通常采用的工程方法，具有基础受力明确、稳定的特点，实施后可有效降低地铁施工对桥梁基础的影响。托换设计不仅要实现基础荷载转移、新建基础发挥工作性能，还需考虑托换施工本身对桥梁原基础的影响，保证施工过程安全。因此，除对托换体系进行计算分析外，施工步序的合理制定也是不可或缺的工作。笔者结合实际工程，对桥梁桩基托换工程的设计过程进行阐述，并针对技术难点提出相应处理措施。
    1 ·工程概况
    北京地铁10 号线二期工程公主坟—西钓鱼台区间隧道与西三环路走向一致，于新兴立交桥下通过，平面位置与立交北异形板桥17-3 号墩、17-10 号墩位置矛盾，两墩位各有1 根桩基处于地铁区间构筑物投影范围内，竖向净距2.71 m。
    新兴桥立交北异形桥上部结构为多孔点支承异形板，沿桥梁结构中线分为东、西两侧板，南北向最大跨径布置为（19+19.5+13.5）= 52 m，板厚0.76 m，桥面铺装为8 cm 厚沥青混凝土；下部结构均采用矩形墩柱接承台，基础形式为人工挖孔扩底桩，桩基直径1.2～1.5 m，桩长7.5～8.5 m。
    场地地质属第四纪地层，土层以杂填土、粉土、粉细砂、卵石、中粗砂、粉质黏土、砾岩、泥岩为主。潜水位水面距地面13.2 m，含水层处于卵石⑤层，厚度约2.5 m，地面下深度15.7 m 处水量明显减小。北异形桥原桩端持力层为卵石⑤层。
    2· 桩基托换设计
    2. 1 方案比选
    新兴桥立交北异形桥上部结构属预应力超静定结构，预应力荷载效应、活载效应、不均匀沉降产生的附加应力及主应力方向均较为复杂，且对竖向沉降敏感，超限不均匀沉降会造成异形板开裂。为保证桥梁结构安全，设计咨询单位针对地铁施工引起的桥梁基础沉降提出控制要求：地铁盾构施工全过程异形板基础允许差异沉降值不超过2 mm，决不允许异形板基础产生向上的位移。为满足上述控制要求，盾构施工前，需对下穿基础进行加固处理。结合该工程场地条件、施工工期、施作难易度、实施效果等因素，先后提出地基加固及桥梁桩基托换2 种基础加固方案。
    地基加固方案拟对异形板采用临时支护顶升配合基底注浆方式。该方案可缩短加固工期，但压浆过程中可能会出现冒浆、跑浆等问题，从而影响桩基承载力的提高效果。现况桩基投影位置与地铁隧道位置重合，竖直距离很小，桩底持力层厚度明显不足，加固结果无法保证地铁盾构施工过程及后期运营过程中桥梁基础沉降值满足控制要求，会威胁桥梁结构及地铁结构安全，风险较大。加固后若地铁施工过程中桥基沉降超限，将无法进行调整及消除。
    桩基托换方案拟在异形板原墩位南北两侧新建桩基，利用千斤顶使钢托换梁转承桥梁上部反力至新建桩基，稳定后截断原桥桩基，实施钢托换梁，并与新建桩基固接，然后外包混凝土形成新的桥梁基础。新建桩基于地铁隧道旁通过，穿越盾构施工影响范围到达新持力层。该方法基础受力明确、稳定，可减小地铁施工和运营过程中土体扰动对桥梁桩基的影响，降低基础发生超限沉降的风险。但工程位置位于盾构始发点，托换方案实施后盾构方可实施，对地铁施工整体进度有影响。
    经综合考虑论证可知，桥梁及地铁结构安全为最大控制因素。桩基托换方案可以保证地铁施工全过程桥梁基础位移满足控制要求，风险相对较小，因此确定地铁区间投影范围内的异形板基础加固采用该方案。
    2. 2 托换思路
    此次桩基托换设计采用主动托换法，具体为托换梁结合托换桩的方式———在原桩卸载前，于托换梁与托换桩之间设置千斤顶加载，利用千斤顶使托换钢梁顶升位置相对跨中有微量位移，使得截断原桩基后，基础荷载全部移至新托换桩，并由托换桩传递至地铁隧道以外及其下的深部地层中。托换实施前，新建桩基自身的大部分沉降通过预压荷载完成，以消除结构自身变形[1]；托换过程中同时调整托换梁相对位移及顶升力，结合全程位移监测，使基础沉降直观可控，最大程度地保证基础累计沉降值满足控制要求。
    桩基托换的设计重点是在满足基础沉降要求的前提下，实现桥梁上部荷载的“转承”，而托换梁、托换桩分别发挥“转”和“承”的作用。
    2. 3 托换梁设计
    托换梁在整个托换过程中，承担荷载“传递”的作用，是新桩发挥工作性能、托换顺利实施的关键。相比于钢筋混凝土及预应力混凝土梁，钢梁具有自重轻、强度高、跨越能力大等特点[2]，可于其他工序施工时同步预制，缺点是易锈蚀。垂直钢梁轴向加载，钢梁承受弯矩不大时，材料处于弹性工作阶段，应力与应变成正比例关系，卸载后应变回归，没有残余塑性变形。
    此次托换梁选用单箱双室外包混凝土钢梁（防止钢梁锈蚀），全宽1.9 m，梁高1.05 m，梁长10.1 m，采用Q345D 钢板。上部荷载转移过程由钢梁承载，托换完成且盾构施工通过后，包封钢梁混凝土形成永久性结构，混凝土外轮廓尺寸为2.3 m×2.38 m×10.6 m，见图1。

设计要求托换钢梁顶板跨中贴紧原承台底面，梁端使用千斤顶对称架设于托换桩顶面，逐级加载。原桥基础以上各位置高程不变，而托换钢梁千斤顶位置相对梁跨中有微量位移时，认为托换梁和桩基逐渐承载桥梁上部反力。当千斤顶与托换梁跨中相对位移达到理论值（计算托换荷载加载至托换梁，导致托换梁产生的最大位移值）时，看作基础反力全部由新建托换桩承载。变形稳定后截断原桩基，旧桩基失效，新桩基独立工作。顶力与钢托换梁位移、应力曲线见图2、3。

    通过对钢梁逐级加载试算得出，当上部结构反力完全加载至托换梁时，托换梁相对位移理论值为7.1 mm，此时钢梁最大工作应力小于材料基本容许应力，满足设计要求。
    2. 4 托换桩设计思路
    地铁盾构施工扰动地层土体，造成土体破裂，降低了地基承载能力。新建托换桩设计首先应选定桩长，以保证桩基穿过施工影响区，到达新持力层。依据地质资料选择砾岩輥輯訛层为桩端持力层，拟定桩长23 m，桩径1.6m。经计算托换桩单桩设计承载力满足要求。考虑地铁盾构掘进施工会带动局部土体转动或拱起，可能对托换桩形成负摩阻力，所以采用地铁结构以上14 m范围外包防水层降低负摩阻措施，以使承载力进一步提高。
    采用MIDAS 软件建立计算模型分析盾构施工对托换桩影响，使用土弹簧模拟土对桩基的约束。根据《北京地铁10 号线盾构施工过新兴桥托换后桩基受力分析》报告，当盾构刀距托换桩3 m 时，盾构推进对托换桩的影响最大，因此设计按照盾构最大推力进行桩基受力计算。
    由于托换桩贴近地铁隧道结构，为争取最大净距，桩基向远离隧道一侧偏移，与柱中心形成0.4 m 偏心。盾构推力对桩基的作用方向随掘进进程变化[3]，当作用力垂直于托换桩连线时，叠合上部荷载偏心作用，形成最不利组合，依此进行内力计算配筋。
    2. 5 施工工序
    1）托换墩位墩柱四周架设钢支撑，顶部设千斤顶备用，以应对超限沉降，并采用复合锚杆桩注浆对老桩隔离保护。
    2）逐根施工托换桩并桩底注浆，隧道底高至桩顶采取负摩阻隔离措施。达到设计强度后，对托换桩进行逐级预压，以减少桩基自身变形。
    3）开挖新承台基坑，预制钢托换梁就位，连接原承台，新桩基顶架设千斤顶。
    4）逐级增加千斤顶顶力，每级预顶力持续至钢托换梁变形稳定。千斤顶与托换梁跨中相对位移达到预定值且相对位移及桩顶高程稳定时，停止增加顶力。
    5）逐根分级截去原桩基。截桩过程严格监控，根据量测结果及时调整千斤顶顶力，以保证钢托换梁预定相对位移值、原桥承台以上结构高程保持不变。
    6）桩顶工字钢、千斤顶与钢托换梁焊接，绑扎新承台钢筋，浇注桩顶混凝土，实现托换梁与托换桩的固接。
    7）地铁区间盾构施工，稳定后钢托换梁包封混凝土，回填基坑。
    2. 6 施工监控
    托换设计的前提和目的是满足异形板基础位移控制要求，从而保证桥梁结构安全；托换实施过程中，以托换梁相对位移及顶升力来精确控制操作进程。因此，应在桩基托换施工全过程、地铁施工中及地铁通过、托换桩沉降稳定后，对桥梁结构进行位移、裂缝、应力监测，据以判定桥梁结构的安全度、所采用工程措施的可靠度以及荷载转移的实施进度[4]。
    设计要求施工单位全程进行位移监测，并由第三方单位于托换全程对北异形板及墩柱进行结构监测。量测数据应及时准确反馈给设计人，以便于在顶升及截桩过程中时刻掌握体系受力状态，并对工程各环节下一步处理意见作出快速反应。
    3· 托换设计的几点注意事项
    1）桩基托换设计的根本目的是在桥梁基础沉降满足控制要求的前提下，恢复桥梁基础的使用安全。因此，针对桥梁上部结构受力的敏感性，确定基础位移是控制托换工程设计、施工的根本控制因素，并以此确定托换思路，用托换梁相对位移确定体系受力状态、配合调整顶力的双控方法，使上部荷载由原桩基础转移至新桩基础上。
    2）分析托换施工可能遇到的不利因素，采取适当的技术措施以消除或降低因其引起的基础位移。例如：新桩基施工前，采用复合锚杆桩注浆隔离原桩，减少托换施工本身对原桥基础的扰动；新桩浇注达到设计强度后，使用预压荷载完成新建桩基自身变形；地铁结构底高以上托换桩外壁包设防水层，以阻隔盾构施工形成的负摩阻引起的和可能出现的不利正摩阻，防止土体带动桩基沉降或瞬时隆起。
    3）考虑托换体系所承受最不利荷载，构件设计应留有足够安全储备。地下结构工程具有大量的不确定性，施工过程遇到的不利因素不可全预测，即使采用一定技术措施，仍具有一定风险。托换完成后，地铁近距离掘进施工过程中，可能会出现各种未能预期的突发情况，甚至影响托换体系的整体受力，威胁桥梁安全。因此，托换桩、梁设计及千斤顶顶力设置，都要留有足够的安全储备，以应对可能出现的最不利情况的发生。
    4）除却托换体系的构件设计，合理施工工序的制定也不可或缺。施工各环节均以控制基础沉降、保证桥梁安全为出发点而严格把握。配合完善的监控布设，实际检验施工过程与设计预想的吻合度，建立快速结果反馈系统，依据监测数据结果，及时确定或修改托换进程，才能确保施工全程的基础位移实值满足控制要求。流程的设计需满足施工过程的可操作性、可控制性及安全性要求，使其成为托换设计切实可行的操作指导文件。
    5）需建立完善的安全应急措施以便全程备用。托换墩位墩柱四周架设钢支撑、顶部备设千斤顶，是地面支撑的应急措施。当基础沉降监测值达到警戒值，且不能通过托换桩顶千斤顶调整时，可启用该系统，而后对沉降原因进行分析，再根据结果制定相应的处理方案。
    4 ·结语
    北京地铁10 号线二期新兴桥桥桩托换工程已于2011 年顺利实施，托换基础如期发挥工作性能，盾构区间实现贯通，整个施工过程未中断桥面交通，桥梁位移、裂缝、应力监控结果均满足设计要求，托换达到预期效果。现地铁10 号线二期已投入运营，该托换工程为类似工程设计积累了一定经验。

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点击次数：更新时间：2016-8-1 14:47:16 【打印此页】【关闭】

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