基于上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換法的橋梁樁基托換技術(shù)分析

季 國(guó) 富

(福州軌道交通設(shè)計(jì)院有限公司， 福建 福州 350000)

目前我國(guó)地鐵建設(shè)正處于快速發(fā)展階段，地鐵盾構(gòu)區(qū)間有時(shí)難以避免會(huì)與既有橋梁樁基發(fā)生空間位置沖突，此時(shí)所采用的處理方式一般分為兩種：一種為拆橋重建，將新橋的樁基避開(kāi)盾構(gòu)區(qū)間布置；另一種為保留橋梁，僅對(duì)發(fā)生空間沖突的橋梁樁基進(jìn)行托換[1-3]。通常拆橋重建方案投資大、周期長(zhǎng)，特別是對(duì)周邊交通影響大。因此樁基托換往往成為首選方案[4-5]。

現(xiàn)有關(guān)于樁基拖換的研究中，王方宇等[6]介紹了多跨連續(xù)梁橋樁基托換的方案和難點(diǎn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)樁基托換能夠使力的傳遞路徑變得簡(jiǎn)單、施工變得簡(jiǎn)便，同時(shí)對(duì)地鐵盾構(gòu)開(kāi)挖影響小。李文等[7]通過(guò)對(duì)地鐵車(chē)站高架橋墩下的樁基托換過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，樁基托換過(guò)程埋置監(jiān)測(cè)點(diǎn)能夠有效提高工程的安全度，同時(shí)能夠通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的回歸分析結(jié)果，了解整個(gè)施工過(guò)程的危險(xiǎn)位置。李琳等[8]以西安地鐵二號(hào)線樁基為研究對(duì)象，通過(guò)開(kāi)展縮尺漸進(jìn)式重復(fù)靜力加載模型試驗(yàn)得到，托換大梁具有很高的承載能力且延性較好。李洪慶[9]分析了某盾構(gòu)隧道穿越橋梁的樁基托換過(guò)程，系統(tǒng)地介紹了樁基托換的施工工藝、頂升技術(shù)和監(jiān)測(cè)等方法。

從現(xiàn)有國(guó)內(nèi)資料來(lái)看，傳統(tǒng)的樁基托換都是僅針對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，主要施工均在地面以下進(jìn)行[10-16]，存在基坑開(kāi)挖大、施工風(fēng)險(xiǎn)高、施工難度大、工程費(fèi)用高、舊樁基無(wú)法拔除等一系列問(wèn)題，使得樁基托換成為一種高風(fēng)險(xiǎn)的施工作業(yè)。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者對(duì)樁基托換進(jìn)行了研究，提出了一種新的樁基托換方法，能夠全面解決傳統(tǒng)托換方法中存在的問(wèn)題。經(jīng)工程實(shí)踐檢驗(yàn)，效果良好。

1 樁基托換方法介紹

1.1 傳統(tǒng)橋梁樁基托換方法

傳統(tǒng)樁基托換是從下部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換進(jìn)行樁基托換，即采用新建樁基(布置在盾構(gòu)區(qū)間外)和新建承臺(tái)頂托原橋承臺(tái)，然后割斷舊樁基，將舊樁基的荷載轉(zhuǎn)移到新樁基上，實(shí)現(xiàn)樁基托換。以福州地鐵2號(hào)線五里亭立交為例，如圖1所示，具體步驟為：(1) 施做新樁基①；(2) 施做圍護(hù)樁及圍護(hù)內(nèi)地基加固②，開(kāi)挖基坑；(3) 在新樁頂施做頂升平臺(tái)③；(4) 施做新承臺(tái)④；(5) 在頂升平臺(tái)上頂升原橋⑤，將原樁基荷載轉(zhuǎn)換到新樁基上；(6) 切斷原橋樁基⑥；(7) 澆筑固接頂升平臺(tái)與新承臺(tái)間的區(qū)域⑦；(8) 回填基坑⑧，托換施工結(jié)束；(9) 盾構(gòu)通過(guò)。

從圖1還可以看出，傳統(tǒng)樁基托換施工全部都在地面以下進(jìn)行，使得傳統(tǒng)樁基托換方法存在以下主要問(wèn)題：

(1) 基坑圍護(hù)及開(kāi)挖工作量大。新建承臺(tái)要布置在原承臺(tái)之下，頂升平臺(tái)要布置在新承臺(tái)之下，使得基坑開(kāi)挖深度較大。對(duì)于地下水較淺且表層多為軟土的地區(qū)，需要設(shè)置較強(qiáng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、圍護(hù)防滲漏水措施和圍護(hù)內(nèi)地基加固措施。

圖1傳統(tǒng)樁基托換方法步序圖(單位：cm)

(2) 基坑開(kāi)挖對(duì)原橋基礎(chǔ)受力影響大。由于基坑開(kāi)挖較深，原橋樁基暴露較多，樁基摩擦力和側(cè)向約束都有一定損失。

(3) 新承臺(tái)施做困難。新承臺(tái)局部在原承臺(tái)下面，且要穿過(guò)原橋樁基，實(shí)施難度非常大。在承臺(tái)穿越舊樁基的地方，承臺(tái)鋼筋無(wú)法貫通，承臺(tái)的有效截面受到很大削弱。

(4) 頂升施工難度大。頂升操作位于新承臺(tái)下面，空間局促，且為克服上部恒載、橋墩和新承臺(tái)恒載、原橋樁基摩擦力等因素需要較大的頂升噸位較大，從而使得頂升施工難度較大。

(5) 頂升穩(wěn)定性差。頂升力要通過(guò)新舊承臺(tái)和橋墩才能傳到梁底，傳力長(zhǎng)度大使得頂升穩(wěn)定性差。

(6) 頂升對(duì)原橋的保護(hù)不易控制。由于頂升力受原橋樁基負(fù)摩阻影響，原橋梁底位移和頂升力之間無(wú)法預(yù)先建立明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，較難對(duì)原橋進(jìn)行保護(hù)。

(7) 切斷和破除原橋樁基施工難度大。在新承臺(tái)下施工，操作空間局促。如果不能徹底破除原橋樁基，盾構(gòu)通過(guò)時(shí)需用刀盤(pán)切斷這些被托換的舊樁基，造成盾構(gòu)施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。

1.2 上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換進(jìn)行橋梁樁基托換新方法

1.2.1 新方法施工步驟

在對(duì)傳統(tǒng)樁基托換方法進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，筆者及設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提出了從上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換入手進(jìn)行橋梁樁基托換的方法。

喜姑答應(yīng)著，趕緊換了一件衣服，出門(mén)一瞧，寶剛爹早已不見(jiàn)了蹤影。她徑直往香娭毑家里走去。老遠(yuǎn)就看見(jiàn)香娭毑坐在屋前小坪里，與她坐在一塊的，還有桂娭毑，桃?jiàn)謿玻@讓喜姑頗感意外。

如圖2所示，利用臨時(shí)支架替換需要處理的橋墩托住梁體，將舊橋墩、承臺(tái)、樁基清除，施做新承臺(tái)和橋墩，實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換。此方法與更換橋梁支座類(lèi)似，具體步驟為：(1) 盾構(gòu)區(qū)外施做新樁基①(與傳統(tǒng)方法一致)；(2) 施做圍護(hù)結(jié)構(gòu)，開(kāi)挖基坑，施做承臺(tái)②；(3) 利用承臺(tái)②搭設(shè)臨時(shí)支架③；(4) 利用臨時(shí)支架頂升梁體，采用臨時(shí)支座(放在臨時(shí)支架上)替換永久支座，將上部結(jié)構(gòu)箱梁永久支座反力④通過(guò)臨時(shí)支座和支架傳遞給新樁基；(5) 拆除原橋墩及承臺(tái)⑤；(6) 拔除原樁基⑥；(7) 開(kāi)挖基坑，連接承臺(tái)1為一個(gè)整體承臺(tái)⑦，此承臺(tái)像一根根扁擔(dān)梁；(8) 澆筑新橋墩⑧；(9) 再次頂升⑨，采用位于新橋墩上的永久支座代替臨時(shí)支座，實(shí)現(xiàn)橋梁上部反力由臨時(shí)支架轉(zhuǎn)至新橋墩；(10) 拆除臨時(shí)支架，恢復(fù)場(chǎng)地，托換施工結(jié)束；(11) 盾構(gòu)通過(guò)。

圖2上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換法橋梁樁基托換步序圖

從圖2還可以看出，新方法與傳統(tǒng)方法解決問(wèn)題的思路不同。傳統(tǒng)方法思路簡(jiǎn)潔，采用“地下的問(wèn)題地下處理”的思路。新方法采用迂回策略，采用“把地下的問(wèn)題轉(zhuǎn)移到地上處理”的思路，將主要施工集中在地面以上。新方法的巧妙之處在于，充分利用新建樁基搭設(shè)臨時(shí)支架，既保證支架基礎(chǔ)的穩(wěn)定，又在第一次頂升時(shí)對(duì)新樁基進(jìn)行了實(shí)際荷載的檢驗(yàn)。

兩種方法主要工序優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。可以看出，盡管傳統(tǒng)方法存在施工工序略少等優(yōu)點(diǎn)，但在施工難度、施工風(fēng)險(xiǎn)、施工可控程度等方面不如新方法。新方法雖然施工步驟略多，但施工難度和費(fèi)用大幅度降低。

表1 新方法與傳統(tǒng)方法主要工序?qū)Ρ缺?/p>

1.2.2 體系轉(zhuǎn)換時(shí)頂升量計(jì)算

采用上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換法進(jìn)行橋梁樁基托換的設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)鍵控制參數(shù)為體系轉(zhuǎn)換時(shí)的頂升量。

上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換法有兩次頂升施工：第一次要將舊橋墩上的永久支座用臨時(shí)支架上的臨時(shí)支座替換下來(lái)；待下部樁基拔除且新橋墩做好后，進(jìn)行第二次頂升，放回永久支座并把臨時(shí)支座撤出。這兩次頂升，既要把支座順利替換，又要避免因頂升過(guò)高對(duì)主梁產(chǎn)生損傷，因此對(duì)頂升量的計(jì)算和控制至關(guān)重要。需要說(shuō)明的是下面的頂升量是指以頂升前的位置為基準(zhǔn)墩頂位置梁體絕對(duì)位移量。

第一次頂升時(shí)的頂升量為：

δ1=δ舊支座+δ施工

(1)

式中：δ舊支座為舊支座恒載壓縮量；δ施工為施工不平整導(dǎo)致的豎向偏差。

第二次頂升時(shí)的頂升量為：

δ2=δ新支座+δ施工+δ承臺(tái)+δ墩頂修正

(2)

2 上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換進(jìn)行橋梁樁基托換的實(shí)橋設(shè)計(jì)計(jì)算

本節(jié)通過(guò)五里亭立交橋這一具體工程實(shí)例進(jìn)一步闡述說(shuō)明上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換進(jìn)行橋梁樁基托換新方法。

2.1 工程概況

福州軌道交通2號(hào)線紫陽(yáng)站—五里亭站區(qū)間，地鐵線路經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整，區(qū)間盾構(gòu)仍會(huì)碰到五里亭立交2個(gè)匝道的3個(gè)橋墩樁基，平面布置見(jiàn)圖3。且場(chǎng)區(qū)周邊為市場(chǎng)、辦公樓、住宅區(qū)等繁華地段，各類(lèi)管線特別密集，施工條件局促。

圖3五里亭立交平面布置圖

五里亭立交橋建成于1993年。以盾構(gòu)干擾的D匝道為例，該匝道上部結(jié)構(gòu)為3 m×15.75 m鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)為薄壁墩配預(yù)制方樁群樁基礎(chǔ)。受干擾的141號(hào)橋墩墩高11.5 m，墩頂承受約240 t的主梁恒載，承臺(tái)3.5 m×3.5 m×1.5 m，橋梁樁基為預(yù)制方樁，共9根，樁基截面40 cm×40 cm，樁長(zhǎng)32 m。具體斷面及地質(zhì)情況如圖4所示。

圖4 141號(hào)橋墩位置立面圖(單位：cm)

經(jīng)初步測(cè)算，若拆除兩個(gè)匝道橋并重新建設(shè)，工程費(fèi)用約1 200萬(wàn)元，施工工期約7個(gè)月。特別是拆除重建橋梁需搭設(shè)大面積現(xiàn)澆支架，要借用周邊非機(jī)動(dòng)車(chē)道，交通組織壓力大。

2.2 傳統(tǒng)橋梁樁基托換方法與新方法的比較分析

以五里亭立交橋141號(hào)橋墩樁基托換為例，將上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換新方法與傳統(tǒng)橋梁樁基托換方法進(jìn)行對(duì)比分析。

該工程的最大難點(diǎn)是，如圖4所示，地下約5 m處有一根DN1800的污水干管并連接污水井，遷改難度非常大。如果按照傳統(tǒng)方法必須對(duì)在基坑深度范圍內(nèi)污水干管及污水井進(jìn)行遷改，直接費(fèi)用約80萬(wàn)元，遷改工期約2個(gè)月。采用上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換新方法，由于基坑開(kāi)挖淺，不會(huì)觸及污水干管及污水井，使得不需要對(duì)其遷改。

此外，傳統(tǒng)方法的另一大問(wèn)題是舊樁基的清除問(wèn)題。按工序要在新承臺(tái)做好并頂升結(jié)束后才能割斷舊樁，使得幾乎沒(méi)有操作空間清除舊樁基。后續(xù)的盾構(gòu)通過(guò)需采用刀盤(pán)磨樁、開(kāi)倉(cāng)清障等手段，施工費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)將顯著增加。上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換新方法在工序安排上可以在地面以上拔除舊樁基，從而避免后期盾構(gòu)通過(guò)產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，141號(hào)橋墩樁基托換設(shè)計(jì)方案對(duì)比表示見(jiàn)表2。由表2可以看出，新方法在施工難度、施工風(fēng)險(xiǎn)、工程造價(jià)等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

表2 141號(hào)橋墩樁基托換設(shè)計(jì)方案對(duì)比表

2.3 體系轉(zhuǎn)換時(shí)頂升量計(jì)算

根據(jù)五里亭立交橋上部結(jié)構(gòu)支座反力和支座型號(hào)，按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[17](JTG D62—2004)的相關(guān)規(guī)定計(jì)算得到橡膠支座豎向變形為：δ舊支座=1.6 mm；δ新支座=1.8 mm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取δ施工=2 mm。

因此，第一次頂升時(shí)的頂升量為：

δ1=3.6 mm

(3)

由于新建承臺(tái)在受力上更像一根倒置的扁擔(dān)梁，必須考慮混凝土收縮徐變產(chǎn)生的變形。徐變系數(shù)按規(guī)范[17]相關(guān)計(jì)算得到：δ承臺(tái)=0.61 mm，其中恒載作用下的變形量為0.38 mm。結(jié)合實(shí)橋測(cè)量，確定δ墩頂修正=1.5 mm。

因此，第二次頂升時(shí)的頂升量為：

δ2=5.91 mm

(4)

2.4 關(guān)鍵控制參數(shù)的監(jiān)控

在五里亭立交橋匝道樁基托換時(shí)，進(jìn)行了橋梁監(jiān)控，得到了采用上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換法托換橋梁樁基的關(guān)鍵控制參數(shù)實(shí)測(cè)值。表3和圖5表示了141號(hào)橋墩墩頂處梁底位移實(shí)測(cè)值。可以看出，實(shí)際頂升量與理論頂升量的差值均在7%以?xún)?nèi)。

表3 141號(hào)橋墩樁基托換時(shí)墩頂處梁底位移實(shí)測(cè)值

圖5 141號(hào)橋墩樁基托換時(shí)墩頂處梁底位移圖

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了從上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換入手進(jìn)行橋梁樁基托換的新方法。該方法利用新建樁基搭設(shè)臨時(shí)支架，通過(guò)兩次上部結(jié)構(gòu)的體系轉(zhuǎn)換，把橋梁樁基托換轉(zhuǎn)變?yōu)轭?lèi)似于橋梁支座更換，把樁基托換的主要工作從地下轉(zhuǎn)移到地上，可克服傳統(tǒng)樁基托換中存在的諸多缺點(diǎn)。