地铁区间隧道下穿既有桥梁的桩基托换

2012-07-05黄银钉

城市轨道交通研究 2012年2期

关键词：主梁桩基荷载

黄银钉

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，710043，西安∥工程师）

1 工程背景

西安地铁1号线三桥站——皂河站区间长度1810.313双线米，主要采用盾构法施工，位于区间中部的三桥立交东西方向皂河桥五根桩基础侵入盾构隧道空间，为保证盾构机顺利施工通过，须将侵入隧道桩基提前托换并截除。平面相互位置关系见图1。

1.1 皂河桥道路现状

（1）上部结构。采用预制30m预应力混凝土箱梁，为机动车道双向八车道，单幅桥为单向四车道16m宽。

图1 平面位置关系

（2）下部结构。采用桩柱式桥台，钻孔灌注桩基础，φ1.5m，长35m，为摩擦桩。

（3）荷载情况。城－A级，验算荷载：挂－120；

（4）交通情况。需要托换位置位于西安市东西向的城市交通主干道上，来往车辆多，交通繁忙。

1.2 皂河现状

皂河是西安城市污水的排放渠道，雨季作为泄洪通道。河床采用浆砌片石铺砌，成为开放式排污河道。皂河河床上口宽约25m，底口宽约15m，边坡比1∶1.5，为梯形断面型式，浆砌片石防护，设计水深2.72m，设计流量134.8m3／s。皂河实景照片见图2。

图2 皂河实景照片

1.3 工程地质及水文地质

桩基托换施工场地主要为第四系松散堆积物，自上而下地层为填土、黄土、中砂、粗砂夹薄层粉质黏土，皂河桥路基部分主要为块石废料、建筑垃圾和大型混凝土块等充填，厚度约3.0～6.0m，最深达8.5m。。隧道拱顶距河床底10m，隧道洞身位于中砂层中。地下水为第四系松散层孔隙潜水，地下水潜水位埋深29.2m，位于区间结构底板下方。

2 桩基托换施工特点

（1）施工场地狭窄。位于三桥立交的桥区，场地范围内为桥梁、河道、既有道路、管线众多（3.85m×2.25m排水箱涵）。

（2）地质条件差，施工场地内填土层较厚，最高达到8.5m，多为块石废料、建筑垃圾和大型混凝土块；填土层下方为黄土及砂层，且受皂河水流长期渗透浸泡，地层软弱，自稳性差。

（3）皂河宽度较小，河床较浅，平常为城市排污渠道，汛期时作为泄洪通道，排水量大。

（4）托换施工将对三桥立交东西向的交通造成一定的影响。

3 桩基托换施工设计方案比选

3.1 明挖基坑托换方案

临时中断道路，皂河内修筑临时围堰，由地面往下明挖托换基坑，暴露侵入隧道桩基，在基坑内施作托换结构体系，采取主动托换的方式进行荷载转换，并将侵入隧道的桩基截断凿除。方案示意见图3。

图3 桩基托换纵剖图（标高单位：m）

3.2 矿山法隧道洞内托换方案

过皂河段100m区间隧道改为矿山法开挖，暴露侵入隧道桩基，洞内施作托换结构体系，采用被动托换的方式将桩基荷载转换至隧道环形衬砌托粱上，并将侵入隧道桩基凿除。方案示意见图4。

图4 桩基托换横剖图

3.3 竖井横通道内托换方案

在三桥立交桥区内增设竖井，竖井往桥桩方向开设横通道，开挖暴露侵入区间隧道桩基，横通道内施作托换结构体系，采取主动托换方式进行荷载转换，后将侵入隧道桩基凿除，横通道回填密实。方案示意见图5。

三种托换施工设计方案的比较见表1。经技术、经济、工期、安全等方面的综合比较，结合专家审查意见采用明挖基坑托换方案。

4 桩基托换施工设计的主要技术细节

在区间隧道两侧施作两根托换桩基，通过托换梁将侵入隧道桩基上承担的荷载转换至新桩基上，然后将侵入隧道桩基凿除。托换结构的顶标高位于皂河河床的标高以下，不占用河道空间。换结构平面见图1，托换结构剖面见图6。

14＃、17＃、20＃均为单根桩侵入隧道结构，采用一根托换主梁的简支托换结构，23＃两根桩侵入隧道结构，采用主次梁组合的简支托换结构。

4.1 新托换桩基桩位的确定

1）与既有桩基的净距大于2.5D（桩基直径）为3.75m；

2）与地铁区间隧道的净距大于1m；

3）尽量减少托换梁的长度，尽可能少的占用皂河河道，降低托换梁的高度，控制托换基坑的深度。

图5 桩基托换横剖面图

表1 桩基托换施工设计方案比较表

图6 托换结构剖面

4.2 托换结构的检算

对托换桩基、托换主梁、托换次梁等主要结构进行承载能力检算。以23＃被托换桩基为例进行检算。采用有限元模型如图7所示，采用三维荷载－结构模式，将上部荷载施加于桥台盖梁上。

有限元分析通过两阶段完成：1）原桥桩受力状态分析时，钝化托换主梁、次梁和托换桩单元，根据计算结果提取原桥桩桩顶受力状态；2）托换结构受力状态分析时，钝化原桥桩被截断部位单元，钝化整个未被托换桥桩，并在桩梁交界处反向施加上一步提取的桩顶受力状态，激活托换主梁、次梁和托换桩单元。计算结果见图8～图13。

图7 三维计算机模型

1）荷载基本组合。

图8 主梁弯矩图

图9 次梁弯矩图

图10 主梁剪力图

图11 次梁剪力图

2）荷载标准组合。

图12 主梁弯矩图

图13 次梁弯矩图

4.3 托换梁和被托换桩的连接

托换梁和被托换桩之间抗剪设计主要通过它们相互之间的咬合、界面处理和植筋来实现。首先把被托换桩在与托换梁相接触部位表面凿毛，然后进行界面处理，再沿被托换桩周围钻孔植埋钢筋，钢筋和桩之间的缝隙用植筋胶充填。

4.4 托换梁与托换桩基连接

截桩前托换梁底和托换桩顶均预留接驳钢筋，待截桩完成后，用挤压套筒将预留钢筋连接起来，浇注C30微膨胀混凝土，将承台和托换梁连成一体。

4.5 桩基托换预顶设计

在托换梁底和承台顶分别预埋钢板，当托换梁及承台达到设计强度后，把千斤顶安放在承台顶的预埋钢板上，分级同步加载，同时要求加强对被托换桩、托换梁和桥台盖梁、桥面板的监测，直到托换梁、桥梁结构及托换桩基变形稳定后，将千斤顶卸荷至稳压荷载，不出现异常情况，方可实施截桩。

4.6 被托换桩的破除

截桩后，从地面往下分段（分段长度1m）破桩并施作钢筋混凝土护壁（厚15cm），破桩深度至盾构隧道底板以下1m，之后挖孔内采用黏土夯实回填。

5 工程施工

施工前应对皂河桥面、箱梁、桥台盖梁的既有变形、结构裂缝、破损等情况进行周密调查，以便确定桥梁的沉降控制标准，确保上部结构的正常使用。桩基托换及盾构隧道施工过程中应随时监测托换上部结构的变形和结构开裂情况，如遇变形和结构开裂趋势增大，应立即停止施工，采取措施予以控制。

设置监控预警值、警戒值，预警值为极限变形值的70%，警戒值为极限变形值的80%。当变形达到预警值时，应优化施工工艺及调整施工参数；当变形达到警戒值时，应立即停工，研究确定施工方案。

目前，17＃及23＃桩基的托换施工已全部完成，实践证明是成功的。需提醒三点：一是托换梁与被托换桩基的结合处是托换体系的关键节点，此处钢筋较多，且存在新旧混凝土的结合面，必须保证混凝土浇筑密实，并养护达到设计强度，才能进行预顶工作；二是必须保证被托换桩的荷载可靠转换到托换结构上后，才能进行截桩工作，避免截桩过程中托换梁突然受力，影响托换体系的稳定；三是预顶过程中，须密切监控桥梁上部结构及托换结构的变形情况，以监控量测数据指导托换施工。