地铁施工遇高架桥桩基托换技术

　　地铁建设线路下穿城市中既有建筑物的情况时有发生，对既有建筑物的桩基础进行安全有效地托换，是保证既有建筑物的安全及地铁线路的顺利实施与地铁安全运营的有效工程技术手段。广州地铁某暗挖车站临时存车线隧道上方为工业大道北和南田路交汇处高架桥。该处高架桥的SB4墩下的两根钻孔灌注桩处于暗挖区间隧道开挖范围内。暗挖隧道施工前，须对该桥墩下两根桩基进行托换处理。

　　1、桩基托换设计概况

　　托换梁：原桥墩承台尺寸为长6.3m×宽2.5m×高1.5m。托换梁采用长12.65m×宽8.15m×高2.5m的长方体预应力钢筋砼结构，托换梁砼为C40S8防水砼，长、短边方向均配置抗拉强度标准值为fptk=1860MPa的高强度低松弛钢铰线做为预应力钢束。

　　托换桩：原桥桩采用2根φ1500钻孔灌注桩。托换桩采用4根1200mm的人工挖孔桩，砼为C30砼。挖孔桩按端承桩设计，桩长约22m，施工时，以桩端进入微风化岩层不小于2.0m，单桩设计承载力不小于9500KN为准。

　　托换梁和被托换桩、承台及桥墩的连接：托换梁和被托换桩、承台及桥墩之间抗剪设计主要通过它们相互之间的咬合、界面处理和植筋实现、即把被托换桩、承台及桥墩在与托换梁相接触部位表面凿毛，深度宜为10～20mm左右，并进行界面处理;沿被托换桩周围植埋钢筋，钢筋和桩之间的缝隙用强植筋胶充填。

　　预顶：在托换梁底和横梁顶分别预埋钢板，待托换梁及横梁达到设计强度后，把千斤顶安放在横梁顶的预埋钢板上，分级加载，同时要求加强对被托换桩、托换梁和桥墩、高架桥面板的监测。待托换梁、桥梁结构及托换桩基变形稳定后，在横梁和托换梁之间浇注C30微膨胀砼，将横梁和托换梁连接成为一个整体，同时将千斤顶浇注其中。

　　切桩：待横梁和托换梁之间浇注的砼达到强度后，在隧道内用线锯切除原桥桩，要全程监测。

　　2、工程地质

　　根据钻探揭露，分层情况及其工程特征从上而下为：人工填土层(Q4ml)<1>层 15～30cm;冲洪积土层(Q3al+pl)<4>层厚0.6～3.80m;残积土层(Qel <5>平均层厚2.47m;岩石全风化带(K2s2a) <6>层厚0.70～4.60m;岩石强风化带(K2s2a) <7>层厚0.40～10.80m;岩石中风化带(K2s2a) <8>层厚0.60～25.90m;岩石微风化带(K2s2a) <9>层厚5.20～29.50m。

　　3.工程重难点分析

　　3.1、新老承台之间的界面处理，要保证新旧砼的界面能够满足抗压、抗剪、抗裂等要求。

　　3.2、新承台大体积砼的施工及预应力的施工。

　　3.3、桥墩的顶升及力的转换。

　　3.4、切桩。

　　4 桩基托换施工技术

　　桩基托换现场环境复杂，周边均为高架桥桥桩，托换下方紧邻车站与存车线交叉口。主动托换是把上部结构荷载通过千斤顶装置传到新桩上，并可以通过调整千斤顶消除上部结构的变形。由于场地限制采用隧道内切桩，本工程采用被动托换的方法。

　　4.1、施工总体流程施工暗挖隧道

　　基坑开挖及支护→施做四根φ1200mm人工挖孔桩→施做基坑底部垫层→施做横梁→施做托换梁→在托换梁达到强度的90%以后，对托换梁施工预应力及管道真空压浆→按照被动托换的方式在横梁顶架设托换用千斤顶及钢契块→对千斤顶加荷至上部荷载设计值的100%→浇筑横梁和托换梁之间的砼，并将钢垫块浇筑其中、卸载千斤顶→在隧道内采用线锯截桩→覆土完成桩基托换。

　　本工程的关键在于托换梁的施工和托换力的转换。因此本次仅对托换梁和托换进行描述，其余的施工工艺与传统的一样。

　　4.2、托换梁施工

　　托换梁为预应力混凝土梁，混凝土标号为C40S8，在托换基坑内采取现浇后张法施工。托换梁在预应力钢绞线张拉过程中将会不同程度地产生上拱位移，为了防止托换梁的上拱对既有桥墩位移造成影响，在托换大梁钢绞线张拉过程中必须对托换的桥墩顶位移进行监测。

　　施工工艺流程：基底预埋灌浆孔→原桩植筋、刻槽→钢筋制安→安设波纹管→模板安装→托换梁施工→养生→穿束→张拉→压浆→封锚。

　　托换梁与原桩接触面的处理：

　　为保证新旧砼的界面能够满足抗压、抗剪、抗裂等要求，在浇捣托换梁砼之前，应对托换梁所包的老桩及原承台底，对其结构凿毛，清洗干净，对旧砼面刷环氧乳液水泥浆界面处理剂原桩植筋、刻槽。采用电动钻机钻孔后植筋，同时对桩基砼表面凿毛。

　　①植筋

　　植筋顺序为钻孔→清孔→干孔→注胶→植入钢筋。

　　按设计要求，对托换柱进行放样，划出植筋孔位置。采用冲击锤钻钻Ф38的孔。植筋成孔向一个方向向上倾斜3度。钻孔必须跳钻，并且钻好一面锚一面的钢筋，然后再钻第二面的钢筋，如此循环，直至锚完所有植筋。每一批植筋在桩的任一水平截面内不应超过两孔，且要等前一批植筋的植筋胶凝固这后方可施工下一批。钻孔深度必须不小于200mm。植筋应注意一下几点技术要求

　　a用于抗拔的植筋孔深不小于15d，用于抗剪的植筋孔深不小于10d。

　　b孔径要求：φ12以内植筋孔径至少比植筋直径大4mm，φ12以外直筋孔径至少比直筋大6mm，最大孔径不大于42mm。

　　c钻孔时若碰到钢筋则立即停止钻进，移动孔位后再钻，钻孔要冲干净。

　　d植筋胶应进行试配，观察凝固时间和效果，植筋时先在孔内塞满植筋胶，然后插入钢筋。在植筋胶凝固之前，不得扰动植筋。施工后应检查每一孔的植筋是否有松动情况。若有则应补做。

　　②界面处理

　　为提高新、老砼的粘结力，在托换梁砼浇注前四个小时内，在新旧砼界面处涂环氧乳液水泥浆界面处理剂。

　　4.3、托换梁钢筋及砼工程

　　所有钢筋的加工,安装和质量验收均应按照有关技术规范、有关规定进行。由于新承台要将旧承台包裹，因此采用了预应力钢筋砼结构，预应力钢筋采用15.2的高强度底松弛的钢绞线，在纵向和横向、面层和底层均有布置。横线布置有46束，面层有12束，底层有34束，每束均用一根钢绞线。

　　4.4、托换梁预应力施工

　　为减少托换梁的挠度，进一步提高托换梁的抗裂性、刚度和耐久性能，以及提高新旧砼的抗剪力，在横向、纵向托换梁采用后张法施工。

　　纵向预应力筋的梁底钢束采用内径100mm，外径107mm的金属波纹管成孔，两端采用的锚具为VOM15-19锚具。梁顶钢束采用内径80mm，外径87mm的金属波纹管成孔，两端采用的锚具为VOM15-9锚具，千斤顶皆采用与之相匹配的穿心张拉千斤，由于张拉的长度较短，采用一端固定，一端张拉。

　　横向预应力筋的钢束采用扁形金属波纹管成孔，两端采用的锚具为VOBM15-4扁形锚具(张拉端)和VOBM15P-4扁形锚具(固定端)。采用YDC240Q穿心千斤顶，由于张拉的长度较短，采用一端固定，一端张拉。

　　钢丝头下料长度应考虑千斤顶及其他的需要，并有一定的富余长度。

　　张拉时从中间向两边对称张拉，张拉力应分段增加，每增加一次应停顿20分钟左右，最终锚固应力为1302Mpa。最终张拉应力应比设计应力增加10%。梁端设封锚段，锚固面与预应力束垂直，封锚段张拉完预应力后现浇。

　　灌浆：灌浆孔与波纹管的连接，是在波纹管上开洞，其上覆盖海绵垫片与带嘴的塑料弧形压板并用铁丝扎牢，再用塑料管插在嘴上，并将其引出梁顶面400～600mm。孔道灌注的水泥浆强度不低于30Mpa，并在水泥浆中掺入适量的减水剂，使泌水率减少。

　　托换梁预应力施工有以下几点技术要求：

　　⑴托换梁采用全预应力体系，由于钢筋、管道密集，应注意加强振捣，不得出现空洞和漏捣，并注意养护，确保砼质量，如管道与普通钢筋发生冲突，原则上保持纵向预应力管道不动。预应力管道位置用定位钢筋固定，定位网基本间距50cm，定位钢筋应牢固的焊接在钢筋骨架上，并采取有效措施防止灌注砼时波纹管上浮、偏侧。

　　⑵梁体在浇筑中，应采取措施保证预应力管道不被堵塞，注意管道接头处理，施工中不碰坏或压扁管道，以及焊接时烧坏波纹管，灌注后应检查管道是否畅通。

　　⑶锚下垫板安装时，须使垫板平面与管道垂直并准确对中，千斤顶与垫板准确对中，以免张拉时发生滑丝、断丝现象。

　　⑷预应力钢绞线及其锚具在使用前必须进行张拉锚固试验。

　　⑸纵向预应力钢束须在该梁体灌注砼达到设计强度的90%且不少于5天的龄期后方可进行张拉。预应力钢束张拉时应先单根纲绞线预张拉。

　　⑹横向预应力钢束张拉在纵向预应力钢束张拉完毕后进行，张拉顺序为由梁体中央向两侧相对对称张拉，并且梁顶、梁底预应力束交替张拉。

　　⑺预应力钢束张拉采用双控，以张拉力控制为主，钢束伸长值作校核，实际伸长量与计算伸长量容许相差不大于6%。初始张拉力为控制张拉应力的10%。

　　⑻托换梁砼浇注时，老承台下方的砼不易密实，施工时需要设置注浆管。

　　4.5、千斤顶顶升及砼的回填

　　托换千斤顶的安装、顶升与拆卸采用500吨自锁式千斤顶8个外加26个三管钢垫块进行顶升，在桩基托换开始至暗挖隧道变形稳定的整个过程中，被托换桥墩的最大允许竖向位移控制在2mm，且沉降速率≤0.2mm/d。观测的精度要求非常准确，位移测量精度为0.1mm。

　　桩顶横梁作为顶升施工平台，顶升平台与托换梁底面之间预留70cm的顶升空间，桩顶部钢筋与托换梁之间的连接，留挤压螺旋套筒(既能满足托换顶升要求，又能保证钢筋连接需要)。待整个主动托换顶升完成以及托换桩的沉降稳定后，需及时将托换梁与托换桩之间进行刚性连接，以确保桥梁托换后的使用安全。

　　千斤顶安装：托换新桩施工时做桩帽，桩帽边突出桩边600mm。在桩帽上预留坑槽螺栓。千斤顶及钢垫块安装后，通过顶升及塞钢楔块的方法使其与转换梁底处于紧压状态。千斤顶安装后保证有18cm的行程，以便千斤顶整个调整时期内不需回油。

　　⑴预顶的目的：消除托换新桩变形对托换体系的不利影响，防止托换新桩桩顶沉降带动桥墩的沉降：检验托换梁托换体系的承载力。

　　⑵预顶方法：施工时在托换新桩顶架设一道横梁，并使横梁和托换梁之间预留一空隙，高约700mm，沿横梁方向在每根托换桩两侧各放一台千斤顶，实现桩、梁间可控的作用力。

　　⑶托换桩的千斤顶的顶升力取包括托换梁自重和上部桥梁传至桥墩的荷载组合设计值的100%。

　　⑷千斤顶的荷载根据在预顶过程中，每根托换桩基承受的荷载设计值确定，各千斤顶加载须按比例同步增加。

　　⑸应采用带自锁装置的千斤顶，千斤顶的组合形心必须与托换桩的形心重合。

　　⑹托换预顶加载采用分级加载原则，共分十级加载，每级荷载增量为千斤顶加载上限值的10%，不可一次加载到最大值。在加载过程中同时应严格检测托换梁裂缝的产生及发展，最大裂缝宽度大于0.15mm时，停止加载。

　　⑺预顶时，必须严格控制千斤顶的顶升力和托换梁两端的位移，各千斤顶顶升力达到控制值而桥墩顶部位移未达到位移范围值1～2mm，或桥墩顶部位移值已达到控制值(-2mm)而顶升力未达到控制值时，应立即通知设计单位，以便对设计参数进行调整。

　　⑻每级预顶过程中要注意调整钢墩和托换梁之间的螺栓连接，并将钢楔块打紧，保证托换结构的整体稳定性。

　　千斤顶的顶升与柱的沉降量及转换梁两端顶升量的监测紧密相关。依据柱沉降及转换梁两端顶升量观测，调整千斤顶的顶升量以满足柱的沉降量及转换梁两端顶升量差值小于设计要求。卸荷作业时，各千斤顶卸荷量应保持按比例同步降低。直到托换梁自重和上部桥梁传至桥墩的恒载标准值的100%。

　　4.6、封桩及截桩

　　托换梁顶升及力转换完成后，将桩、梁预留钢筋采用挤压套筒进行连接，浇注微膨胀砼封桩，注意采取措施保证浇注质量，保证其浇注密实。在托换梁和托换桩之间浇注砼时可在桩顶预留注浆管，若浇注不密实可再注浆。待桩头达到一定强度后，拆除千斤顶，在横梁和托换梁之间浇筑微膨胀砼，将钢墩浇筑其中。

　　待上部桥梁结构及下部托换结构全部稳定后，方可截桩。截桩前应做好各项应急措施，截桩应采用微振动的切割机进行切割，以减小震动对托换结构造成不利影响。为了保证整体结构的平衡，要求两根桩的截除同时进行，且尽可能作到截桩时对称。

　　转换梁的砼强度达到设计要求，隧道采用人工开挖将整个桩暴露后进行切桩，切桩采用线锯切割。完成后还对桥墩进行了一个月的检测，桥墩的最终沉降小于1mm，成功完成了该桥墩的托换。

　　5、结语

　　本托换于2008年5月顺利成功的施工完成，整个被托换的桥墩沉降小于1mm，完全满足相关的规范及桥墩的各项指标，工程体会有以下几点：

　　5.1、施工前一定要对周边的各种情况调查清楚，主要是桥墩原有的设计及施工情况、对托换可能产生影响的周边建筑物，托换场地内的重大管线，特别是高压电缆和煤气管。

　　5.2、根据工程的实际及施工场地的情况，慎重选取相应的托换方式(主动托换或被动托换)。

　　5.3、托换技术是一项具有较大风险的特殊技术，必须精心设计，精心组织，并对全过程实施监测，尤其顶升即力的转换前一定要做好充分的准备，要做好各种相应的应急预案。

　　主要参考文献：

　　1. 中铁隧道局地铁施工项目部，隧道施工组织设计，2006

　　2. 叶树麟，韩杰，叶观宝，地基处理与托换技术，北京：中国建筑工业出版社，2005。

　　3. 吕剑英，我国地铁工程建筑物基础托换技术综述，北京：施工技术，2010.05

　　4. 丁赛华，叶建忠，基础托换技术在地铁建设中的应用，北京：城市轨道交通，2010.07

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文章名称： 地铁施工遇高架桥桩基托换技术

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