成都地鐵3號(hào)線衣冠廟立交橋樁基托換設(shè)計(jì)

許 東

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510010)

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)托換技術(shù)在民用建筑中使用較多且較為成熟［1］，但城市地鐵所處的地層條件及周邊環(huán)境較復(fù)雜，使其基礎(chǔ)托換技術(shù)有別于其他建筑。

在地鐵區(qū)間隧道工程中，采用托換技術(shù)將既有樁基荷載轉(zhuǎn)移至新設(shè)基礎(chǔ)與地基上，可清除障礙樁基并實(shí)現(xiàn)新建隧道的順利推進(jìn)［2］。徐前衛(wèi)等［3］通過理論分析和數(shù)值計(jì)算等手段，對(duì)樁基托換施工過程中必要的地基加固范圍、樁基合理開挖暴露長度、樁－筏體系受力轉(zhuǎn)換機(jī)制、橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、殘樁對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響等問題進(jìn)行了研究;黃新民［4］提出了采取“滿堂腳手架頂托+袖閥管注漿加固”的方法對(duì)人行天橋進(jìn)行保護(hù)，以分散盾構(gòu)隧道施工時(shí)承受的頂部荷載，降低由于盾構(gòu)隧道開挖引起的地層損失，保證施工期間人行天橋的運(yùn)營安全。目前樁基托換技術(shù)［5－7］在地鐵建設(shè)中的應(yīng)用情況表明，樁基托換應(yīng)用于地鐵車站的實(shí)例相對(duì)較少。

本文以成都地鐵3號(hào)線高新大道站下穿衣冠廟立交橋樁工程為背景，采用樁基托換技術(shù)解決橋梁樁基大跨度托換梁受力2次轉(zhuǎn)換、橋梁托換結(jié)構(gòu)與車站圍護(hù)及主體結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)問題，采用主動(dòng)與被動(dòng)托換相結(jié)合”的方案，在不中斷橋梁上部通行情況下，車站在橋下采用明挖法施工。

1 工程概況

衣冠廟立交橋建成于2006年，上跨一環(huán)路，橋型為預(yù)制單箱單室簡(jiǎn)支梁橋。地鐵3號(hào)線高新大道站沿一環(huán)路布設(shè)，為滿足車站對(duì)客流吸引的功能需求，車站需跨十字路口設(shè)置。根據(jù)站位方案橋梁中線與車站中心軸線交角為89°，橋梁6#橋墩樁基位于車站結(jié)構(gòu)正中，為滿足本工程的可實(shí)施性及不影響立交橋的正常使用，需要對(duì)該橋樁基進(jìn)行托換設(shè)計(jì)。車站與立交橋的相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 車站與衣冠廟立交橋相對(duì)位置關(guān)系Fig.1 Relationship between Metro station and Yiguanmiao overpass

衣冠廟立交橋橋面為雙向4車道，寬15.1 m，橋下凈空約5 m。橋梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支梁橋跨度20.7 m，瀝青混凝土路面，6#橋墩基礎(chǔ)為2根直徑1.5 m、長15.5 m的摩擦樁，樁端位于密實(shí)卵石層，樁中心距離6.5 m，樁頂承臺(tái)9 m×2.5 m×1.5 m(長 × 寬 × 高)，樁頂標(biāo)高497.45 m，原橋單樁基承載力特征值為5 300 kN，采用C30混凝土澆筑。橋墩立面及側(cè)面如圖2所示，樁側(cè)地層如表1所示。

圖2 橋墩立面圖及側(cè)面圖(單位:cm)Fig.2 Profile of pier(cm)

表1 地層特征表Table 1 Properties of different strata

高新大道站車站全長454.378 m。本站右線設(shè)有站后停車線，車站中心里程處頂板埋深約3 m，車站主體結(jié)構(gòu)總高13.33 m，結(jié)構(gòu)底板埋深約16.5 m，車站標(biāo)準(zhǔn)段外包寬度為 19.7 m，主體結(jié)構(gòu)外包總長為216.8 m，車站主體結(jié)構(gòu)為島式地下二層雙跨箱型框架結(jié)構(gòu)，11.0 m寬島式站臺(tái)，車站主體采用半蓋挖法施工，車站兩端接盾構(gòu)區(qū)間。

2 樁基托換方案設(shè)計(jì)

托換設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是變形控制和托換結(jié)構(gòu)荷載轉(zhuǎn)移，常規(guī)托換方案分為主動(dòng)托換和被動(dòng)托換。受橋梁下方車站寬度的影響，托換梁跨度最小約為19.7 m，若一次性托換至車站以外，車站頂板以上托換梁截面尺寸無法滿足變形控制要求。因此，本工程采用被動(dòng)與主動(dòng)相結(jié)合的2次托換設(shè)計(jì)方案。本工程采用TL3 3 500 mm×2 200 mm對(duì)原承臺(tái)2 500 mm×1 500 mm進(jìn)行包裹，然后與2根TL1 1 400 mm×2 200 mm、1根TL2 1 400 mm×2 200 mm形成門式托架將橋梁先期荷載傳遞至車站圍護(hù)樁上方，原橋樁正下方為車站中柱900 mm×1 300 mm作為永久承載結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)完工后采用二次托換轉(zhuǎn)換至主體結(jié)構(gòu)上方。托換結(jié)構(gòu)平面布置如圖3所示。

為保證施工期間托換結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，經(jīng)過初步計(jì)算分析，在托換梁下方設(shè)置6根φ1 200鋼筋混凝土臨時(shí)立柱樁，車站主體結(jié)構(gòu)施工完成后進(jìn)行二次托換，將橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載轉(zhuǎn)換至主體結(jié)構(gòu)上方，4根托換梁與車站圍護(hù)樁作為橋墩水平荷載的約束體系。車站在原橋樁基位置布2根中柱，在頂板和托梁間設(shè)置900 mm×1 300 mm的混凝土支座。

圖3 托換結(jié)構(gòu)平面布置圖(單位:mm)Fig.3 Plan layout of underpinning structures(mm)

2.1 托換初步方案

綜合考慮車站建筑方案、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案、工程經(jīng)濟(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工條件等，本站利用車站基坑圍護(hù)樁及車站箱型主體結(jié)構(gòu)作為托換后橋梁的豎向承載結(jié)構(gòu)。

第1步采用被動(dòng)托換，先期托換至車站圍護(hù)樁上方，因托換梁跨度過大，在基坑內(nèi)側(cè)施作臨時(shí)立柱用以減少托換梁跨度控制變形，隨著車站基坑開挖，原橋樁側(cè)摩阻力逐步釋放，橋梁上部荷載逐漸轉(zhuǎn)移至圍護(hù)樁及臨時(shí)立柱上方。第2步采用主動(dòng)托換技術(shù)將橋梁豎向荷載轉(zhuǎn)移至主體結(jié)構(gòu)中立柱上方，并截除托換梁下方臨時(shí)立柱，組合托換梁與車站箱形主體、圍護(hù)樁共同組成最終的托換體系。

具體施工步驟如下:施工車站圍護(hù)樁、臨時(shí)立柱及其樁基礎(chǔ)—對(duì)原承臺(tái)進(jìn)行鑿毛，施工托換梁與樁頂冠梁—托換梁上方架設(shè)臨時(shí)路面，恢復(fù)交通—車站基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高—施工車站主體結(jié)構(gòu)—二次托換至車站主體上方—截去原橋樁基—澆注鋼混凝土支座—拆除臨時(shí)立柱—施工臨時(shí)立柱開孔的后澆板帶、施工防水—回填、恢復(fù)交通。

托換最終結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖4所示。

2.2 托換結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

本工程橋梁樁基托換設(shè)計(jì)方案需要保證橋梁上部結(jié)構(gòu)的安全可靠性和車站基坑開挖施工過程中不至于產(chǎn)生過大的變形和較大的應(yīng)力，針對(duì)上述施工過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算分析。計(jì)算共分為2種工況:工況1為第1步被動(dòng)托換施工，計(jì)算模型如圖5所示;工況2為第2步主動(dòng)托換施工，計(jì)算模型如圖6所示。

圖4 托換最終結(jié)構(gòu)關(guān)系圖Fig.4 Final underpinning structure

圖5 工況1計(jì)算模型Fig.5 Calculation model of case 1

圖6 工況2計(jì)算模型Fig.6 Calculation model of case 2

計(jì)算結(jié)果如表2和表3所示。

表2 工況1托換體系計(jì)算表Table 2 Calculation results of underpinning system in case 1

表3 工況2車站主體結(jié)構(gòu)計(jì)算表Table 3 Calculation results of main structure of Metro station in case 2

2.3 TL3與原樁承臺(tái)結(jié)合設(shè)計(jì)

托換結(jié)構(gòu)與原橋承臺(tái)的結(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是此托換設(shè)計(jì)方案關(guān)鍵點(diǎn)，為了使新舊結(jié)構(gòu)共同協(xié)調(diào)作用，TL3對(duì)原承臺(tái)包裹時(shí)新舊混凝土界面均要求處理。主要施工措施有:采用舊混凝土表面鑿毛成6 mm齒狀接觸面，托換梁混凝土澆注前4 h全面積采用Ⅰ型界面劑處理;新舊混凝土間植抗剪鋼筋，鋼筋為Φ25@400×400，植筋施工應(yīng)滿足JGJ 145—2004《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定。承臺(tái)托換節(jié)點(diǎn)處理如圖7所示。

1)植筋錨固長度［8］

式中:ld為植筋錨固深度設(shè)計(jì)值;φn為考慮各種因素對(duì)植筋受拉承載力影響而需加大錨固深度的修正系數(shù)，取1.1;φae為考慮植筋位移延性要求修正系數(shù)(當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)低于C30時(shí)，對(duì)6度區(qū)及7度區(qū)一、二類場(chǎng)地，取1.1;對(duì)7度區(qū)三、四類場(chǎng)地及8度區(qū)，取1.25;當(dāng)混凝土強(qiáng)度高于C30時(shí)，取1.0);ls為植筋基本錨固深度;αspt為防止混凝土劈裂引用的計(jì)算系數(shù)，取1.0;d為植筋公稱直徑，取25 mm;fy為植筋用鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，fy=300 N/mm2;fbd為植筋用膠粘劑的黏結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，fbd=4.5 N/mm2。

圖7 新舊混凝土節(jié)點(diǎn)處理大樣圖Fig.7 Details of treatment of joints between existing concrete and fresh concrete

可計(jì)算出 ld≥ 346.6 mm，本植筋深度為350 mm ＞346.6 mm，其植筋深度可滿足要求。

2)托換梁與原橋承臺(tái)新舊混凝土抗剪［9］

式中:γ為綜合系數(shù)，取值1.3;P為新舊混凝土結(jié)合面豎向承載力，kN;fc為梁、柱混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，kPa，取較低值，取14.3 N/mm2;Ac為新舊混凝土交接面的有效面積m2，取33 m2;fs為結(jié)合面配置的植筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;As為結(jié)合面上同一截面植筋總截面面積。植筋Φ25間距按400 mm間距考慮，原承臺(tái)兩側(cè)可布240根，As=240×490=117 600 mm2。經(jīng)計(jì)算，托換梁與原樁承臺(tái)抗剪滿足要求。

2.4 托換梁與承臺(tái)節(jié)點(diǎn)承載能力驗(yàn)算

1)正截面承載能力驗(yàn)算。根據(jù)計(jì)算分析選取托換1、2最不利彎矩:托換節(jié)點(diǎn)下緣11 763 kN·m、臨時(shí)立柱上緣6 562 kN·m進(jìn)行驗(yàn)算，節(jié)點(diǎn)下側(cè)受拉側(cè)鋼筋取15φ32+15φ32、梁上側(cè)鋼筋取15φ32，按托換結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，托換梁正截面承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

2)斜截面承載力驗(yàn)算。根據(jù)混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范，節(jié)點(diǎn)處0.25βcfcbho=0.25 × 1 × 19.11 × 1 400 × 2 160=14 446 080 N ≥ γoV=4 556 200 N，滿足要求［10］。

2.5 臨時(shí)立柱樁基計(jì)算

1)根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定單樁豎向極限承載力的標(biāo)準(zhǔn)值，臨時(shí)立樁樁基豎向承載力設(shè)計(jì)值［11］

式中:qsia為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值;qpa為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值。

單樁豎向承載力計(jì)算僅考慮當(dāng)基抗開挖至基底，車站主體結(jié)構(gòu)未施作，托換樁側(cè)摩阻力僅考慮基坑以下長度，根據(jù)詳勘資料，樁基持力段位于密實(shí)卵石(層厚 6.8 m)、強(qiáng)風(fēng)化泥巖(層厚 11.14 m)、中風(fēng)化泥巖(層厚1.56 m)，樁端位于中風(fēng)化泥巖內(nèi)。其極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值分別為120、70、110 kPa，中風(fēng)化泥巖極限端阻力為3 000 kPa。樁徑1.2 m、樁長19.5 m，得出Ra=10 050 kN＞2×4 999 kN。樁基豎向承載力滿足要求。

2)臨時(shí)立柱樁身強(qiáng)度驗(yàn)算。驗(yàn)算公式為

式中:托換樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30;換樁樁身直徑為1 200 mm;單樁軸心豎向力根據(jù)計(jì)算結(jié)果F=4 999 kN(樁基軸力設(shè)計(jì)最大值，計(jì)算結(jié)果:Q=π×0.6×0.6 ×14.3 ×0.7 ×10 ×10=11 315.3 kN ＞ 4 999 kN。

3)臨時(shí)立柱樁穩(wěn)定性計(jì)算。托換樁按兩端鉸支的壓桿進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算［11］，計(jì)算式為

式中:F=4 999 kN(樁基軸力設(shè)計(jì)最大值)，σ =F/(A × ψ)=4 999/(π × 0.6 × 0.6 × 0.87)=5.08 MPa ＜ fc=14.3 MPa，滿足要求。

2.6 二次托換預(yù)頂設(shè)計(jì)方案

1)預(yù)頂方法。施工時(shí)在車站頂板至托換梁下高約630 mm，放入千斤頂，實(shí)現(xiàn)頂板、托梁間可控的作用力。

2)預(yù)頂?shù)哪康?。消除一次托換橋梁上部結(jié)構(gòu)變形以及二次轉(zhuǎn)換托換荷載到車站頂板上。

3)車站中柱上分別布設(shè)2×500 t千斤頂，單個(gè)千斤頂預(yù)頂力設(shè)計(jì)為4 000 kN。

4)應(yīng)采用帶自鎖裝置的千斤頂。千斤頂?shù)慕M合形心必須與柱的形心重合。

5)車站主體結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在車站中縱梁上布設(shè)千斤頂先期預(yù)加10%預(yù)加力后鎖緊，采用靜力切割對(duì)原橋樁進(jìn)行切除，兩者分離后再進(jìn)行后續(xù)加載工作。

6)托換預(yù)頂加載采用分級(jí)加載原則，共分10級(jí)加載，每級(jí)荷載增量為千斤頂加載上限值的10%，不可一次加載到最大值。每級(jí)加載需保持10 min，等結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后方可加次級(jí)荷載。被托換樁的上抬量不能大于1 mm，大于此值應(yīng)停止加載。在加載過程中同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)測(cè)托換梁裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展，最大裂縫寬度大于0.1 mm時(shí)，停止加載。預(yù)頂施工時(shí)應(yīng)對(duì)臨時(shí)立柱軸力進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，加載過程中單根軸力大于4 000 kN時(shí)應(yīng)停止加載，并通知設(shè)計(jì)單位。加載時(shí)所有千斤頂應(yīng)聯(lián)動(dòng)并保待同一頂升力。

7)預(yù)頂時(shí)，必須嚴(yán)格控制千斤頂?shù)捻斏蚑L3的兩端的位移，各千斤頂頂升力達(dá)到控制值而梁端位移未達(dá)到位移值2～3 mm，或梁端位移值已達(dá)到控制值(3 mm)而頂升力未達(dá)到控制值時(shí)，或頂升力與位移值未達(dá)到要求而臨時(shí)立柱軸力超過4 000 kN時(shí)，應(yīng)立即通知設(shè)計(jì)單位，以便對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2.7 施工監(jiān)控量測(cè)

施工前應(yīng)對(duì)衣冠廟立交橋梁的缺陷及損傷進(jìn)行全面、細(xì)致和深入的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，了解該橋各個(gè)構(gòu)件的技術(shù)狀況。主要包括墩身和梁體的裂縫調(diào)查、支座狀態(tài)調(diào)查和橋上設(shè)備調(diào)查。調(diào)查結(jié)果需取得權(quán)屬單位的認(rèn)可。托換體系監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)儀器如表4所示。施工時(shí)托換梁及樁墩共布設(shè)16個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，其施工過程中的沉降監(jiān)測(cè)如圖8所示。

表4 樁基托換監(jiān)測(cè)項(xiàng)目表Table 4 Monitoring items during pile foundation underpinning

圖8 沉降監(jiān)測(cè)累計(jì)數(shù)據(jù)圖Fig.8 Settlement monitoring data

本托換施工已順利完工，第1次托換結(jié)束時(shí)橋面下沉2 mm，第2次托換結(jié)束時(shí)橋面下沉5 mm，最終累計(jì)下沉7 mm，整個(gè)施工過程沒有影響橋面行車安全。

3 施工風(fēng)險(xiǎn)及防控

3.1 影響施工安全的因素

本工程較一般橋梁托換設(shè)計(jì)不同之處在于，托換施工同地鐵車站基坑開挖同步進(jìn)行，基坑開挖的過程也就是橋梁托換荷載的轉(zhuǎn)化過程，地鐵基坑的穩(wěn)定性直接影響橋梁的結(jié)構(gòu)安全，并且本橋在托換施工過程中上部車輛不中斷，因此橋梁上部汽車動(dòng)荷載也是影響托換結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素。施工過程中原橋樁截樁施工、橋樁承臺(tái)施工處理、二次頂升施工等均對(duì)托換施工的安全構(gòu)成影響。

3.2 控制措施

1)衣冠廟立交橋進(jìn)行托換施工前需要做專業(yè)評(píng)估，以確定橋梁的健康狀況并作為后續(xù)施工監(jiān)測(cè)的依據(jù)。

2)施工過程中應(yīng)限制衣冠廟立交橋上與橋下托換梁蓋挖頂板上方行車速度不大于40 km/h，并限制通行車輛最大軸力為100 kN。

3)針對(duì)位于基坑中間臨時(shí)立柱樁，基抗開挖時(shí)需采用對(duì)稱挖土，以減少不平衡土壓力對(duì)樁的作用。

4)施工過程中需在變形縫處鋪設(shè)鋼板并采取固定措施，鋼板四周采用高強(qiáng)砂漿填充避免出現(xiàn)跳車。

5)托換施工前施工單位應(yīng)制定托換專項(xiàng)施工方案并報(bào)設(shè)計(jì)單位審查。

4 結(jié)論與建議

1)本文通過本橋托換的研究得出車站位于城市既有立交橋下采用托換結(jié)構(gòu)與車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)、主體結(jié)構(gòu)結(jié)合，并使用主動(dòng)與被動(dòng)托換的方法是可行的，有效控制了橋梁沉降，保證了在橋上交通不中斷的情況下完成橋下地鐵車站施工。

2)托換施工基本流程及原則是:橋梁樁基托換原則是結(jié)合新建結(jié)構(gòu)保證既有橋梁結(jié)構(gòu)的安全，本站結(jié)合車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)和車站主體結(jié)構(gòu)作為托換轉(zhuǎn)換施工的關(guān)鍵是新舊混凝土節(jié)點(diǎn)處理措施。

3)本工程采用梁包承臺(tái)的方法進(jìn)行托換節(jié)點(diǎn)處理，新舊混凝土采用界面劑+植筋的方法進(jìn)行處理，其施工后的連接效果暫時(shí)無法找到有效的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

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［5］ 毛學(xué)鋒，許智焰，胡京濤.深圳地鐵3號(hào)線廣深鐵路橋梁樁基托換設(shè)計(jì)［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2012，3(2):91－95，111.(MAO Xuefeng，XU Zhiyan，HU Jingtao.Design of bridge pile foundation underpinning of Line 3 of Shenzhen Metro for crossing Guangzhou-Shenzhen Railway［J］.Journal of Railway Engineering Society，2012，3(2):91－95，111.(in Chinese))

［6］ 鄧友生.有限單元法在樁基托換的應(yīng)用研究［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2000，4(2):335－338.(DENG Yousheng.Research on application of finite element method to underpinning［J］.Journal of Guangxi University:Natural Science Edition，2000，4(2):335－338.(in Chinese))

［7］ 祝春生.明挖隧道下穿既有橋梁樁基托換施工技術(shù)［J］.鐵道 建筑 技術(shù)，2013，7(2):78 －81，86.(ZHU Chunsheng.Underpinning technology for open tunneling through existing bridge pile foundation［J］. Railway Construction Technology，2013，7(2):78 － 81，86.(in Chinese))

［8］ GB 50367—2013混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2013:127－130.(GB 50367—2013 Code for reinforcement design for concrete structure［S］.Beijing:China Architecture＆ Building Press，2013:127 －130.(in Chinese))

［9］ CECS295:2011建構(gòu)(筑)物托換技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2011:15－34.(CECS295:2011 Code for underpinning technology for buildings［S］.Bejing:China Planning Press，2011:15 －34.(in Chinese))

［10］ GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010:34－77.(GB 50010—2010 Code for design of concrete structures［S］.Bejing:China Architecture＆ Building Press，2010:34 －77.(in Chinese))

［11］ JGJ 94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008:27－30.(JGJ 94—2008 Technical code for building pile foundations［S］.Bejing:China Architecture ＆ BuildingPress，2008:27 － 30.(in Chinese ))