運(yùn)營狀態(tài)下高架橋的立柱托換施工

孫沈鵬 陶海靈 龍毅華 谷志旺

1. 上海建工四建集團(tuán)有限公司 上海 201103；2. 上海建筑改建與持續(xù)利用工程技術(shù)研究中心 上海 201103

1 工程概況

在上海虹橋國際機(jī)場T1航站樓換乘大廳和軌道交通10號線T1航站樓站間建1條地下連通道作為旅客換乘通道。連通道正交穿越T1航站樓樓前高架下引橋段，18#～21#高架立柱及承臺落在新建連通道內(nèi)（圖1、圖2）。樓前高架作為航站樓出發(fā)層的社會車輛到達(dá)和離場的唯一通道，考慮到連通道施工期間T1航站樓不停航運(yùn)營要求，需對受影響高架立柱進(jìn)行托換施工，保證高架橋正常運(yùn)營[1]。

圖1 通道穿越樓前高架立面示意

圖2 通道穿越樓前高架俯視

2 工程特點(diǎn)、難點(diǎn)

新建軌交10號線連通道為單層框架結(jié)構(gòu)，通道凈高4.965 m，凈寬13.8 m，通道結(jié)構(gòu)底面標(biāo)高－5.250 m，頂板面標(biāo)高－0.385 m。樓前高架為典型的連續(xù)梁板、框架柱結(jié)構(gòu)體系，高架下引橋橋面寬11.65 m，厚0.4 m，縱梁尺寸1.2 m×1.2 m，高架柱尺寸1.0 m×0.8 m，順橋向間距8 m，橫橋向間距6.1 m。立柱下方設(shè)置獨(dú)立承臺，承臺標(biāo)高為－1.60 m。

根據(jù)不停航運(yùn)營要求，18#～21#高架立柱需進(jìn)行臨時托換后施工連通道，連通道完成后在連通道頂板梁上復(fù)建樓前高架立柱，拆除臨時托換結(jié)構(gòu)體系。整個托換建造過程具有3大特點(diǎn)：

1）在樓前高架正常運(yùn)營下進(jìn)行高架橋立柱托換施工。高架橋面行車荷載具有隨機(jī)性，很難準(zhǔn)確計(jì)算托換高架橋面各部位的受力與變形，施工變形控制方案及后期優(yōu)化需依賴實(shí)際監(jiān)測結(jié)果。

2）此次高架橋需進(jìn)行二次托換，累計(jì)變形多，施工控制難度大。

3）高架橋結(jié)構(gòu)形式為連續(xù)梁板式框架結(jié)構(gòu)，不同于一般的簡支梁結(jié)構(gòu)，對沉降變形比較敏感，局部微小變形易引起內(nèi)力重分布，使得結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力過大，發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。

3 托換原理

利用2根鋼立柱托換替代1根高架立柱這一思路，在被托換的高架立柱兩側(cè)各布置1根臨時鋼立柱，臨時鋼立柱上端整澆托換墊梁，與橋面縱梁緊貼，形成托換結(jié)構(gòu)體系后，切割高架立柱，原高架橋荷載轉(zhuǎn)換到臨時托換結(jié)構(gòu)體系上（圖3）；隨后，進(jìn)行連通道基坑圍護(hù)施工、土方開挖、連通道結(jié)構(gòu)施工等。連通道施工完成后在其頂板梁上復(fù)建高架柱，待混凝土達(dá)到強(qiáng)度后切割臨時鋼立柱，將橋面荷載從托換結(jié)構(gòu)體系上轉(zhuǎn)移到永久結(jié)構(gòu)柱上（圖4）。

圖3 臨時鋼立柱托換示意

圖4 建成后鋼立柱拆除示意

4 托換方案設(shè)計(jì)

4.1 托換流程

基于高架橋立柱托換原理，為確保高架托換過程的穩(wěn)定和運(yùn)營安全，依據(jù)現(xiàn)有施工方法，考慮施工可行性，形成一套托換流程，具體為：測量放線→首層卸土→連通道圍護(hù)樁施工→托換鋼立柱樁施工→托換鋼立柱接長→托換梁施工→托換鋼立柱加固→樓前高架柱切割托換（第1次樓前高架橋托換施工）→連通道支撐圍檁施工→連通道土方開挖→連通道結(jié)構(gòu)施工→復(fù)建樓前高架柱（第2次樓前高架橋托換施工）→托換結(jié)構(gòu)體系拆除。

4.2 托換結(jié)構(gòu)體系

托換結(jié)構(gòu)體系由托換鋼立柱和托換梁以及托換鋼立柱加固撐組成。

1）托換鋼立柱。托換鋼立柱樁采用φ800 mm鉆孔灌注樁，共8根，獨(dú)立于原高架立柱及承臺樁等，樁內(nèi)插480 mm×480 mm格構(gòu)柱作為托換鋼立柱。

2）托換梁。為防止托換梁與原高架橋縱梁間存在空隙，導(dǎo)致托換附加變形增加，因此，托換梁采用1 000 mm×800 mm混凝土梁，垂直緊貼高架結(jié)構(gòu)縱梁，并用微膨脹水泥將兩者間的空隙灌實(shí)。橋面荷載通過托換梁轉(zhuǎn)移到托換鋼立柱上。此外，原高架橋面伸縮縫處于托換區(qū)域內(nèi)，伸縮縫形式為橋面1#跨結(jié)構(gòu)擱置支承于另一端2#跨懸挑端上，高架柱切割托換后2#跨端部將懸挑出3 750 mm，對橋面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響?；诮Y(jié)構(gòu)安全考慮，對托換梁體系進(jìn)一步的優(yōu)化，每2根混凝土托換梁間沿橋面縱梁各架設(shè)1根600 mm×800 mm框架梁（A），變形縫處兩側(cè)各增加1根400 mm×400 mm框架梁（B），架設(shè)在600 mm×800 mm框架梁上，提高托換后高架橋面的整體穩(wěn)定性（圖5、圖6）。

圖5 樓前高架橋面伸縮縫托換示意

圖6 托換混凝土梁立體示意

3）托換鋼立柱加固撐。為確保施工過程中托換結(jié)構(gòu)體系的整體穩(wěn)定性，根據(jù)不同工況下鋼立柱的有效凈高，對高立柱進(jìn)行斜撐加固，加固撐有2種形式：一種是HM350 mm×350 mm鋼梁拼裝成的鋼桁架撐；另一種為雙拼槽鋼28a#剪刀撐。

對托換鋼立柱進(jìn)行加固，共有2個工況：第一，高架立柱托換施工前，因鋼立柱間跨度大、凈高低，為防止單個立柱失穩(wěn)，在立柱間進(jìn)行鋼桁架撐加固；第二，連通道結(jié)構(gòu)梁板施工前，原基坑支撐圍檁水平約束住鋼立柱，施工時，由于連通道頂板梁位置與支撐圍檁標(biāo)高重疊，需拆除支撐圍檁，導(dǎo)致鋼立柱受壓有效長度增大，造成鋼立柱屈曲破壞。采用雙拼槽鋼28a#剪刀撐進(jìn)行鋼立柱下部加固，確保在不利工況下鋼立柱受壓的穩(wěn)定性（圖7、圖8）。

圖7 鋼立柱上部桁架撐加固

圖8 鋼立柱下部加固

4.3 高架橋立柱拖換方式

4.3.1 樓前高架橋第1次托換

樓前高架橋第1次托換，即托換結(jié)構(gòu)體系完成后，切割高架柱。此階段橋面托換變形包括橋面使用下變形、鋼立柱托換受壓變形以及鋼立柱樁沉降變形[2]。

1）托換形式選取。基于高架橋托換施工流程，采用MIDAS進(jìn)行施工階段全過程模擬分析，提取第1次托換后高架橋變形值并對高架橋結(jié)構(gòu)承載能力進(jìn)行驗(yàn)算。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，第1次托換后橋面變形只有1.2 mm，引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)承載能力。因此建議方案采用被動托換方式。

2）施工變形控制。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，第1次托換后高架橋面結(jié)構(gòu)變形很小，但考慮到在高架橋運(yùn)營下進(jìn)行高架柱托換，施工時需考慮車輛動荷載對托換結(jié)構(gòu)體系的不利影響，同時也需確保托換施工過程中高架運(yùn)營的安全，因此，需采取必要措施確保高架托換安全。

① 鋼立柱間鋼桁架撐加固。在臨時鋼立柱間增設(shè)型鋼桁架，邊柱設(shè)置斜撐來加強(qiáng)整體剛度。通過加固防止托換鋼立柱失穩(wěn)及樁體沉降引起高架橋不均勻沉降變形。

② 無振動、有序的高架立柱切割托換。為確保高架橋面車輛通行平穩(wěn)、托換施工時無振動，在高架梁底以下1 600 mm部位采用無振動繩鋸切割，以減小對高架原結(jié)構(gòu)影響；同時防止托換過程中橋面發(fā)生不均勻沉降，先同時對1#、2#立柱進(jìn)行切割托換，待24 h后高架橋沉降變形穩(wěn)定后，再對3#、4#立柱進(jìn)行切割托換施工，確保切割托換過程中高架橋的穩(wěn)定性（圖9、圖10）。

圖9 樓前高架橋面伸縮縫托換示意

圖10 托換混凝土梁立體示意

4.3.2 樓前高架橋第2次托換

第2次托換是在連通道施工完成后，在連通道頂板梁上原位復(fù)建高架柱，拆除托換結(jié)構(gòu)體系。此階段橋面托換變形包括之前施工所有工況下的累積變形、連通道整體沉降（上?。┳冃魏瓦B通道頂板梁受荷下?lián)弦鸬臉蛎孀冃巍?/p>

1）托換形式選取。在不考慮連通道上浮變形的前提下，基于MIDAS施工階段全過程模擬分析，得出第2次托換變形橋面累積沉降值為6.2 mm，沉降引起的橋面內(nèi)力超過結(jié)構(gòu)承載力要求。根據(jù)分析建議采取主動托換。

2）施工變形控制。采用4根φ609 mm預(yù)應(yīng)力鋼管支撐配合液壓頂升高架橋面結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償通道梁下?lián)霞笆┕だ鄯e變形。在連通口頂板梁上、托換鋼立柱兩側(cè)架設(shè)鋼管頂升系統(tǒng)，一旦鋼管預(yù)頂、高架橋同步受力，即可氣割軟化連通道下方鋼立柱，鋼管預(yù)頂和鋼立柱切割卸載兩者同步，確保連通道頂板梁受荷自由變形；鋼管預(yù)頂值可根據(jù)現(xiàn)場施工至此工況下的監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合施工模擬計(jì)算分析得出；鋼管預(yù)頂使橋面頂升和連通道下?lián)献冃芜_(dá)到設(shè)計(jì)值后，澆筑樓前高架柱，新澆筑混凝土柱達(dá)到強(qiáng)度后撤除鋼管頂升體系（圖11）。新建高架立柱鋼筋一端錨入連通道結(jié)構(gòu)頂板梁內(nèi)，另一端與原有柱保留段鋼筋連接。橋面頂升時新建高架柱豎向鋼筋需要斷開，待頂升完成后再進(jìn)行連接?？紤]到施工方便，柱頂端鋼筋連接采用灌漿套筒。套筒一端采用機(jī)械連接，另一端與鋼筋插接好之后用密封圈密封，這樣可確保橋面頂升過程中鋼筋豎向端可自由伸縮，頂升就位后可進(jìn)行灌漿連接，保證新老鋼筋的連接強(qiáng)度。

圖11 樓前高架柱第2次托換施工預(yù)頂示意

4.4 高架柱托換動態(tài)監(jiān)測

為確保高架橋的正常運(yùn)營和托換結(jié)構(gòu)體系的安全，對每一工況下高架橋的沉降變形進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，分析每一環(huán)節(jié)的監(jiān)測數(shù)值，結(jié)合有限元模擬，外推預(yù)測下一工況橋面沉降變形值并及時優(yōu)化調(diào)整施工方案，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

在托換區(qū)共布設(shè)8個監(jiān)測點(diǎn)（G7～G14），4個測點(diǎn)（G9～G12）布置于被托換高架立柱上，其余布置在兩側(cè)相鄰高架立柱上（圖12）。從遠(yuǎn)離托換區(qū)處引入沉降監(jiān)測參考點(diǎn)，監(jiān)測高架立柱在托換過程中的豎向位移、水平位移以及相對傾角。為避免托換施工對高架橋原結(jié)構(gòu)的二次破壞，通過計(jì)算復(fù)核，設(shè)置累積變形報(bào)警值4 mm，一旦接近或超過報(bào)警值，需采取應(yīng)急措施保護(hù)高架橋。

圖12 監(jiān)測點(diǎn)位布置

5 托換實(shí)施效果

5.1 樓前高架橋第1次托換

根據(jù)上述施工方案，采用無振動、有序的線切割高架柱托換施工方法對樓前高架進(jìn)行第1次托換，托換后樓前高架柱沉降值處于沉降變形允許范圍內(nèi)。通過計(jì)算分析以及現(xiàn)場查看，切斷高架柱，完成高架橋托換后對橋梁上部結(jié)構(gòu)影響較小，高架橋處于安全狀態(tài)。

5.2 樓前高架橋第2次托換

連通道結(jié)構(gòu)施工完成混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%，在結(jié)構(gòu)頂板梁上原位復(fù)建高架柱，對高架橋進(jìn)行第2次托換。

從連通道結(jié)構(gòu)完成5 d內(nèi)高架橋沉降變形數(shù)據(jù)可知，高架橋面變形已達(dá)到現(xiàn)階段最大值；從監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，樓前高架橋面處于上浮反拱，反拱度在2～4 mm間，橋面反拱處于穩(wěn)定階段；結(jié)合高架橋原結(jié)構(gòu)允許沉降變形值4 mm，可以發(fā)現(xiàn)，在下一工況高架橋二次托換中，橋面允許下沉最大變形達(dá)到6 mm；通過有限元模擬分析，在不進(jìn)行任何橋面預(yù)頂措施，在連通道頂板梁上復(fù)建高架立柱后切割托換鋼立柱，橋面在滿載作用下下沉4.6 mm，未超過原結(jié)構(gòu)允許變形值。

調(diào)整后期施工方案，不進(jìn)行φ609 mm鋼管橋面預(yù)頂，直接切割連通道頂板底面以下部位鋼立柱（圖13），原有高架橋面荷載通過上部托換體系傳遞到通道頂板梁，頂板梁發(fā)生沉降并穩(wěn)定以后再進(jìn)行新建高架立柱的原位復(fù)建。采用氣割軟化的方式切割托換鋼立柱，對6根鋼立柱先水平切割一刀，將縫距控制在6 mm內(nèi)，觀察頂板梁沉降變形及縫距大小，待變形穩(wěn)定后再進(jìn)行后續(xù)施工[3]。

圖13 連通道梁底鋼立柱切割示意

按照修正后的施工方案進(jìn)行高架橋的第2次托換施工，托換過程中橋面未發(fā)生過大變形或開裂；監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，施工完成后高架橋面最終沉降變形為2.2 mm，未超過監(jiān)測報(bào)警值，變形值處于高架橋結(jié)構(gòu)可承受范圍內(nèi)。

6 結(jié)語

1）運(yùn)營條件下高架橋托換施工關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)是如何在保證高架橋面結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的情況下，進(jìn)行高架橋荷載多次轉(zhuǎn)換至不同的結(jié)構(gòu)體系。運(yùn)用上述施工方法成功地進(jìn)行了樓前高架柱2次托換，有效地控制了高架橋的沉降變形，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，在保證高架橋結(jié)構(gòu)安全的前提下，完成了新建軌交線地下連通道正交穿越樓前高架下引橋段。

2）基于運(yùn)營條件下的高架托換，托換過程中對每個施工工況高架柱沉降變形進(jìn)行監(jiān)測分析，運(yùn)用現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，掌握和控制高架橋面變形，并對相應(yīng)的施工方案進(jìn)行修正和調(diào)整，方便施工，節(jié)約成本。

3）2次樓前高架柱托換后的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，高架橋沉降變形處于結(jié)構(gòu)自身允許范圍內(nèi)。由此可見，上述托換結(jié)構(gòu)體系、托換方法及相應(yīng)施工控制技術(shù)是安全可靠的，值得在類似工程中推廣應(yīng)用。