城市立交異形板梁樁基托換預支頂施工技術(shù)

杜亮DU Liang

（中鐵一局集團第四工程有限公司，咸陽712000）

1 工程概況

石家莊地鐵2#線長安公園站～藍天圣木站區(qū)間下穿城市立交建和橋，區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧道與建和橋北塊45#、46#的4根樁基發(fā)生沖突，與南塊40#、42#橋墩的6根樁基發(fā)生沖突，因此需對45#～46#、40#～42#橋墩基礎(chǔ)進行樁基托換。

建和橋于1996年建成通車，二層環(huán)橋上部結(jié)構(gòu)為預應力混凝土多點支承異形板。建和橋主橋范圍為一座環(huán)形橋，分為東、南、西、北四個異形塊橋，四個塊并不對稱。異形塊梁高1.3，懸臂3m，為多箱室異形預應力結(jié)構(gòu)。40#～42#橋墩為南異形塊中部一排支點橋墩，為單圓柱墩，直徑1.2m，墩高3.6m；每根柱下為6.3×6.3×2.0m四樁承臺，樁基直徑1.5m，樁長20.6m；45#、46#橋墩為北異形塊中部一排支點橋墩，為單圓柱墩，直徑1.2m，墩高3.6m；每根柱下為6.3×6.3×2.0m四樁承臺，樁基直徑1.5m，樁長20.6m。

2 現(xiàn)有技術(shù)概述

根據(jù)托換技術(shù)的運用狀況及其核心技術(shù)機理不同，主要分為主動托換和被動托換兩種，前者指原樁卸載前對新樁和托換結(jié)構(gòu)施加荷載，以部分消除托換體系長期變形的時隨效應，并在上部的荷載轉(zhuǎn)換過程中，對托換結(jié)構(gòu)及上部結(jié)構(gòu)的變形運用頂升裝置進行動態(tài)調(diào)控，一般用于托換荷載大或結(jié)構(gòu)變形要求高的托換工程，相對可靠性較高；后者指原樁在卸載過程中，上部結(jié)構(gòu)荷載隨托換結(jié)構(gòu)的變形，被動地轉(zhuǎn)換到新樁，一般用于托換荷載較小的托換工程，相對可靠性較低。

圖2 盾構(gòu)隧道與40#、42#墩關(guān)系立面圖

圖3 盾構(gòu)隧道與45#、46#墩關(guān)系平面圖

現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足：①難以確定多支點預應力混凝土異形板梁復雜受力體系中各支點的預加支撐力；②樁基托換下部結(jié)構(gòu)施工時，不能實現(xiàn)梁體結(jié)構(gòu)受力體系轉(zhuǎn)換過程中多支點異形板梁支撐及沉降的同步控制。

3 面臨的問題

①樁基托換施工前，多支點異形板梁各支點支撐力不同，需確定不均勻沉降的臨界值及各支點的預加支撐力。

②多支點異形板梁受力結(jié)構(gòu)復雜，梁體上下部結(jié)構(gòu)變形已穩(wěn)定，梁體較敏感，需解決托換過程及工后梁體受力體系轉(zhuǎn)換過程中上部結(jié)構(gòu)沉降同步的問題。

③建和橋建于1994年，已使用多年，其變形已經(jīng)完成，其上部結(jié)構(gòu)為多支點預應力混凝土異形板梁。需解決在樁基托換施工過程和施工后梁體受力結(jié)構(gòu)二次變形穩(wěn)定過程中確保建和橋運營安全。

4 智能化預支頂施工技術(shù)

在樁基托換基坑開挖的過程中，40#～42#、45#、46#橋墩由于下挖至老承臺底以下4m深，至使原有樁基承載力削弱，可能會帶來承臺墩身的下沉，同時相臨的22#、28#、34#號墩也可能受到不同程度的影響產(chǎn)生下沉；在盾構(gòu)穿越橋區(qū)時，盾構(gòu)隧道洞身一定范圍內(nèi)的土體會出現(xiàn)一定程度的隆降變化，至使橋墩出現(xiàn)不同程度的變化，因此需對上述各墩進行預支頂，當個別或部分橋墩出現(xiàn)沉降時，能夠通過預支頂系統(tǒng)將梁體頂起至初始位置。避免梁體開裂，保障梁體的運行安全。

樁基托換前，新承臺未加載的情況下，沉降未穩(wěn)定。故新老承臺間設(shè)置頂升系統(tǒng)用于完成體系轉(zhuǎn)換。在舊樁截樁前，對新承臺施加設(shè)計荷載的1.2倍，使新承臺沉降迅速趨于穩(wěn)定。在沉降基本穩(wěn)定后，截斷新老承臺間的舊樁基，使得新老承臺間處于自由的狀態(tài)，再頂升不大于1mm的，確定支反力，最后在新老承臺間澆筑混凝土。具體施工步驟如下。

第一步：施工準備及施工圍護樁、基坑開挖、架設(shè)預支頂設(shè)備；第二步：施工托換樁基、托換承臺；第三步：安裝千斤頂及頂升；第四步：截樁；第五步：托換結(jié)構(gòu)封固；第六步：施工豎井及人工鑿除隧道范圍內(nèi)的殘樁；第七步：盾構(gòu)通過；第八步：拆除預支頂設(shè)施。

4.1 頂升控制裝置

4.1.1 預支頂沉降控制和托換頂升控制模式

自動控制程序設(shè)計總體分手動和自動2種模式。手動模式為正常作業(yè)模式，作業(yè)開始前轉(zhuǎn)入手動模式；自動模型為安全保障模式，作業(yè)完成后轉(zhuǎn)入自動模式。自動模式下，當系統(tǒng)檢測到力和變形超限后，短信通知授權(quán)電話，同時系統(tǒng)會按照設(shè)定的動作自動運行。

手動模式運行時以第三方監(jiān)控提供的調(diào)整值為依據(jù)調(diào)整，用自身及相臨墩受力情況校核；自動運行時以設(shè)計計算最小支反力的90%為上限，70%為下限，并且每次行程限值為1mm，此時千斤頂務主要由液壓力承受，小部分由螺紋自鎖承受。在有限元分析模型中分析70%支反力時，梁體應力增加不超過抗裂設(shè)計值為準。

4.1.2 預支頂沉降控制和托換頂升液壓控制系統(tǒng)原理

在泵站系統(tǒng)中合理設(shè)計了保壓閥、蓄能器、安全閥，選擇了額定流量1.2L/min液壓泵等。通過兩種安全閥能控制千斤的的油壓，防止千斤頂超載使用；額定流量控制千斤頂?shù)捻斏俣?，截流閥為故障檢修提供便利，所有泵站內(nèi)的液壓元件為同一規(guī)格型號、同一噸位的千斤頂，通過變頻器調(diào)速時獲得一致性，負反饋控制保證同步性。泵站設(shè)計原理圖如圖5。

圖5 頂升控制設(shè)備液壓原理圖

4.1.3 預支頂沉降控制和托換頂升電氣控制系統(tǒng)原理

圖4 盾構(gòu)隧道與45#、46#墩關(guān)系立面圖

首先進行了總電路設(shè)計，根據(jù)總接線圖進行了中央配電箱和中央控制箱設(shè)計實現(xiàn)了頂升系統(tǒng)的遠程中控和同步控制；通過終端配電箱和終端控制箱的設(shè)計實現(xiàn)了單個泵站系統(tǒng)的分控制，同時任何分控系統(tǒng)都可以急停所有控制系統(tǒng)，共設(shè)計了11個分控系統(tǒng)；對中央控制系統(tǒng)和終端控制系統(tǒng)的操作臺也進行了設(shè)計，頂升過程主要靠按鈕實現(xiàn)。

4.1.4 預支頂沉降控制和托換頂升裝置構(gòu)成

頂升裝置主要由千斤頂、泵站及控制系統(tǒng)組成，液壓系統(tǒng)額定工作壓力為63MPa，電氣系統(tǒng)動力電為三相380V，控制系統(tǒng)為直流24V。各裝置在系統(tǒng)管理下以設(shè)定的邏輯按操作人員的指令進行工作。

①千斤頂：千斤頂主要有三種規(guī)格，一種是頂力400t，行程100mm，數(shù)量為20個，備用2個用于樁基托換頂升。第二種是頂力300t，行程100mm，數(shù)量為44個，備用4個用于異形塊下方的預支頂。第三種是頂力100t，行程100mm，數(shù)量為18個，備用2個用于T形梁下方的預支頂?？傆嬓枰?0個各規(guī)格的液壓千斤頂。三種規(guī)格的千斤頂均為帶機械自鎖的單作用千斤頂。在使用過程中，千斤頂頂升到設(shè)計位置后，需及時將螺母旋緊，每次起升距離一次不要太大，以防密封不嚴帶來不良后果。此種型號的千斤頂不能處于全伸狀態(tài)旋緊螺母，否則會出現(xiàn)拆不下來的情況，到時不能上也不能下，給自己增加麻煩。千斤頂基本結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6 頂升千斤頂基本結(jié)構(gòu)和實物圖

②泵站：每個泵站主電機功能為2kW，21個泵站總功率約為40kW，考慮不太可能同時啟動，因此備用50kW的三相電源就可以滿足要求。28#、34#、40#-42#、45#-46#號墩每個墩預支頂設(shè)有4臺300t千斤頂，這4臺為一組共用一臺泵站。其中40#-42#、45#-46#號墩每個墩還存在托換頂升，每個墩托換頂升設(shè)有4臺400t千斤頂，這4臺為一組共用一臺泵站，考慮到預支頂與托換頂升不同時工作，故此處預支頂與托換頂升共用一臺泵站。22#墩異形板側(cè)每端設(shè)置4臺300t千斤頂，分為3組，2側(cè)每個為1組，中間2個為1組，每組1個泵站；22#墩T梁側(cè)每端設(shè)置9臺100t千斤頂，分為3組，每側(cè)3個為1組，中間3個為1組，每組1個泵站；共計需要21個泵站。

4.2 預支頂沉降控制裝置

4.2.1 預支頂沉降控制裝置總體布置

在需預支頂?shù)母鞫张栽O(shè)置臨時墩，墩頂安裝液壓千斤頂，千斤頂帶有壓力傳感器及位移傳感器，千斤頂由液壓泵站驅(qū)動，22#墩T梁側(cè)按左中右分3組，每組3個頂，每組由1臺泵站進行驅(qū)動。22#墩異形板側(cè)按左中右分3組，左右各1個頂，中間2個頂，每組由1臺泵站進行驅(qū)動。其余各墩每個墩柱周圍安裝4個頂，為1組，每組由1臺泵站進行驅(qū)動，見圖7。

圖7 異型板梁支頂布置圖

4.2.2 預支頂沉降控制裝置臨時支撐

異形梁板下臨時支撐采用直徑600mm，壁厚14mmQ235鋼管做立柱，厚20mm鋼板焊接成箱形梁做主橫梁，立柱間采用直徑219mm，壁厚10mm鋼管連接，焊縫高8mm～10mm，鋼管與老承臺采用M30化學螺栓法蘭連接，化學螺栓長38cm，錨固深度30cm，法蘭與老承臺之間采用灌槳料找平及調(diào)節(jié)高度，安裝后臨時支撐橫梁頂面與異形板底面之間保持54cm～56cm的間距，便于300t帶自鎖千斤頂安裝。

圖8 40#-42#墩預支頂布置圖

T梁底下的臨時支撐采用直徑400mm，壁厚10mmQ235鋼管做立柱，立柱間采用直徑219mm，壁厚10mm鋼管進行連接，焊縫高8mm～10mm，鋼管頂?shù)酌婧附佑蟹ㄌm，與老承臺采用M30化學螺栓連接，化學螺栓長380mm，錨固深300mm，法蘭與老承臺間采用灌槳料進行找平及調(diào)節(jié)高度，安裝后臨時支撐橫梁頂面與異形板底面之間保持間距320mm～340mm，以保證100噸帶自鎖千斤頂安裝，見圖12。

圖1 盾構(gòu)隧道與40#、42#墩關(guān)系平面圖

圖9 45#-46#墩預支頂布置圖

圖10 28#、34#墩預支頂布置圖

圖11 22#墩預支頂布置圖

圖12 22#墩預支頂布置圖

4.3 托換頂升

4.3.1 托換千斤頂布置

40#～42#、45#46#墩每個新老承臺間安裝4個頂，為1組，每組由與其對應的預支頂泵站驅(qū)動，預支頂與托換頂升不同時工作，需轉(zhuǎn)換時只需要操作相應控制閥即可。

4.3.2 預支頂和托換頂升千斤頂泵站控制及布置

考慮到各墩支反力差異大，為保證各自處于理想的工作狀態(tài)，故每個泵站均由1臺變頻器驅(qū)動，以調(diào)整各自的頂升速度，從而使同步工作時速度一致并能夠負反饋閉環(huán)控制。每個變頻器由1臺PLC進行控制，以實現(xiàn)不同墩之間的邏輯控制，每個泵站構(gòu)成一個分站。

圖13 托換千斤頂平面布置圖

圖14 40#-42#墩托換千斤頂立面布置圖

圖15 45#-46#墩托換托換千斤頂立面布置圖

南塊11個分站，由一個主站控制；北塊10個分站，由一個主站控制。主分站之間采用無線網(wǎng)絡連接。操作手餅為一臺安裝有控制程序的平板電腦。主站安裝有4G通訊模塊，可以與項目部和監(jiān)控室進行通訊。在監(jiān)控室可以查看、記錄、控制頂升系統(tǒng)。

在原橋樁基的截斷過程中，監(jiān)測托換承臺的內(nèi)力和位移，若產(chǎn)生較大位移或監(jiān)控值發(fā)生突變，立刻停止截樁，及時通知業(yè)主、設(shè)計和監(jiān)理協(xié)商處理。當原橋基截斷完成后，舊承臺底荷載完全轉(zhuǎn)移至托換承臺上，托換承臺上的千斤頂承受全部舊承臺底荷載。

4.3.3 頂升控制區(qū)域劃分及液壓系統(tǒng)布置

控制區(qū)域劃分為4個組。控制點劃分原則為頂升過程安全可靠、同步性和橋體姿態(tài)控制。

控制區(qū)域設(shè)置光柵尺控制位移的同步性，位移同步精度控制在0.1mm。位移傳感器與中央控制器相連形成位移閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)頂升過程中位移的精確控制。

5 頂升控制效果

①通過對不同墩柱安裝自動控制的預支頂系統(tǒng)進行分時段、分批量的稱重，準確確定樁基的實際承載力。

②結(jié)合當前智能化控制技術(shù)，實現(xiàn)了復雜工況下多支點預應力混凝土異形板梁的同步頂升和沉降控制，確保了梁體結(jié)構(gòu)安全。

③預支頂系統(tǒng)的應用，在樁基托換或者盾構(gòu)穿越施工過程中個別或部分橋墩出現(xiàn)沉降時，能夠通過預支頂系統(tǒng)將梁體頂起至初始位置，避免梁體開裂，保障橋梁運營安全。

④在新老承臺間設(shè)置頂升系統(tǒng)完成體系轉(zhuǎn)換。新承臺未加載，沉降未穩(wěn)定，在舊樁截樁前，通過頂升系統(tǒng)對新承臺施加設(shè)計荷載的1.2倍，使新承臺迅速趨于穩(wěn)定，確保截樁過程中橋梁運營安全。

⑤針對建和橋建設(shè)年代久遠且為大型異型板結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造性的設(shè)計一套自動監(jiān)測、自動控制的自動沉降彌補設(shè)備，保證梁體不受樁基輕微沉降影響；采用自動控制頂升系統(tǒng)通過預壓和超壓后分十二級頂升，既要保證同步頂升又要保證分批量頂升才能保證頂升效果，確保了復雜工況下多支點預應力混凝土異形板梁結(jié)構(gòu)安全，為建和橋運營安全提供了保障。

⑥通過深入研究樁基沉降機理和大型異型板梁橋?qū)Τ两档拿舾行圆捎米詣踊O(jiān)測與人工監(jiān)測相互配合的監(jiān)測手段，保證建和橋異形板梁梁體穩(wěn)定和安全。

6 結(jié)語

樁基托換施工關(guān)鍵點：一是梁板的沉降監(jiān)控和沉降的及時彌補；二是托換頂升的時機和頂力的控制；三是準確確定大型異型板梁的各個支座的支反力，指導托換頂升作業(yè)；四是盾構(gòu)在預支頂沉降控制裝置等一系列保證措施輔助下，順利通過建和橋樁基托換區(qū)域。