连续梁顶升托换墩柱基础的施工关键技术

2020-03-01乔长庆

建筑施工 2020年9期

乔长庆

中铁十五局集团第二工程有限公司上海 201713

托换施工技术具有较强的综合性，主要涉及工程地质学、土力学、结构力学等学科，施工重点在于托、换这2个步骤的安全可靠性。桥梁墩柱托换技术的关键是将旧有构筑物传递的荷载转换至施工托架结构上，完成结构力学上荷载的转移，然后施工新的受力基础、墩柱，最后将旧有结构物的荷载再次转移至新建构筑物上[1-2]。整个过程中上部旧有构筑物保持原有的功能，变形和应力在要求的范围内，安全性、耐久性不受影响。墩柱托换技术既不中断旧有构筑物的功能，又保证了新建构筑物建造的顺利实施。

1 工程概况

现状G56余杭互通1#匝道桥上跨东西大道，0#—4#墩结构为4×25 m的预应力混凝土连续梁，桥宽8.5 m，现浇混凝土箱梁，柱式桥墩，钻孔灌注桩基础。而新建余杭东西向快速通道左线隧道与G56余杭互通1#匝道桥3#墩正好平面相扰，根据设计，将对3#墩的桩基进行托换施工。

一般来说，托换施工从受力角度可以分为主动托换技术和被动托换技术。而本工程上部为预应力连续梁桥，选择适用于大吨位、结构物对变形要求严格的主动托换技术更为合适，采用修建辅助墩，在桥梁维持现状的情况下将3#桥桩基、承台重新施做，以避让开新建的快速通道隧道（图1）。

图1 新旧结构物位置关系

2 托换施工总体方案

本工程通过新建独立的托换基础（桩基、承台跨隧道结构和支护），将桥墩承载转移到托换基础上，分离原桥桩基、承台及少许立柱（涉隧破除）。之后在强支护的前提下，进行基坑开挖和隧道施工。

在托换施工之前，被托换墩位处需要设置辅助墩，使原立柱处于零应力状态后，再与承台进行连接，直至原立柱和托换基础具备完全承载能力。其托换结构的设计情况如下：

1）托换桩基采用4根直径1.5 m钻孔桩，按嵌岩桩设计，桩底嵌入中风化泥岩。桩基布置在基坑围护结构外侧，顺桥向间距20.6 m（跨越基坑及隧道），横桥向间距3 m。

2）承台为预应力混凝土结构，平面为矩形，平面尺寸为23.6 m×5.5 m，四角切角，承台厚2.5 m。

3）辅助墩采用钢管柱，顶部设置桁梁分配梁，支撑于被托换墩位处梁底。

4）先用水力法切除立柱混凝土，保留立柱主筋，然后将立柱和承台一起浇筑（图2、图3）。

图2 托换施工结构设计示意一

图3 托换施工结构设计示意二

3 涉隧基础托换施工工艺

涉隧基础托换施工工艺流程如下：施工准备→托换桩基施工，同步辅助墩施工→辅助墩顶升持力（封闭交通，沉降监测）→水力法切除连接位置立柱混凝土，保留主筋→托换承台施工并连接立柱，承台预应力施工→辅助墩卸载，立柱和新基础受力（承台沉降监控）→拆除辅助墩，开挖完成地下隧道，完成托换施工（开放交通）→检测桥梁，评估托换施工效果。

4 上部结构辅助支墩设计

本工程采用主动托换的方式，在辅助支墩和顶升系统的共同支撑下，立柱为零应力状态。辅助支墩主要包括老承台周围的钢管柱，钢管柱延伸作为支撑平台。钢管柱上部设置支撑横梁（分配梁），连接的顶升千斤顶支承于连续箱梁主梁下部。辅助支墩必须有足够的强度和刚度，同时对托换承台或者转换梁采取避让措施。

根据辅助墩结构的要求，由于托换承台为预应力承台需要避让，故采用钢管柱下设置临时承台作为受力基础。对原有老承台外侧进行力学剥离混凝土，后扩大至钢管柱范围，同时对扩大部分的下部做注浆处理，绑扎钢筋后浇筑混凝土，完成老承台的扩大施工。

老承台周围施设4根φ1 000 mm、壁厚12 mm钢管柱，钢管柱节与节之间焊接缝应饱满，垂直度控制在0.5%以内。钢管柱内清理干净后填筑砂砾作为填充物。地面上钢管柱之间采用型钢连接。

钢管柱上部采用贝雷梁片，横桥方向每对钢管柱设置贝雷片2组，用专用固件固定。其上设置千斤顶分配梁，分配梁采用32#H型钢对拼焊接。

5 墩柱托换顶升系统的选择和施工

本工程设计顶升总质量为700 t。顶升千斤顶2台，分别在原支座横轴线的两侧60 cm位置上，同时保证支座位置在连续梁的横梁之下。

本工程顶升系统采用PLC（可编程控制器）液压顶升装备。该装备由液压主站，PLC计算机控制器，液压终端（千斤顶），位移、压力检测设备与人机交互界面操作系统等组成。顶升高度10～500 mm，最大顶升质量1 200 t。液压系统由计算机控制，通过控制油路，接受传感器反馈信息，不断调整顶升姿态，实现同步顶升，同时具有检测受力和位移、紧急停止等诸多功能。常用操纵为按钮方式，人机界面为触摸屏；位移检测采用光栅尺，光栅尺分辨率为0.005 mm；压力检测采用压力传感器，精度为0.5%，自动记录压力与位移参数。千斤顶顶升时，应在千斤顶与混凝土的接触面处设置钢垫块，千斤顶垫块的尺寸不得小于50 mm×750 mm×750 mm，各个钢垫块（片）之间要求焊牢。千斤顶的顶升以标高控制为主，以荷载控制为辅。

顶升托换由专业的施工队伍进行施工，多个同步顶升的千斤顶采用液压同步顶升技术。顶升前在托换承台的侧面设置纵、横向限位装置，千斤顶的顶升顺序、顶升荷载和顶升位移，应按施工监控单位的施工指令执行。施工前对施工方案进行审核、审批。

施工前，先根据顶升方案的要求进行试验性初步顶升，确保落实支撑结构之间空隙，测量墩柱与盖梁之间的间距并设置千分表，准备好适当的垫铁。然后开始启动顶升设备，同步顶升匝道桥箱梁，控制好顶升速度，按不超过5 mm/min控制。顶升采用逐级加载的方式进行，每加载一级，就暂停顶升并持荷不小于10 min，对支架沉降、变形进行检测，对钢管柱的贝雷架位置、箱梁位置进行量测，如有问题及时调整，直到支座不再受力为止。顶升作业完毕后，关闭千斤顶、锁定阀门。预顶力达到设计值后稳压30 min，并打紧钢楔，同时监测托换支架体系构件的变形（图4）。

图4 顶升作业支架体系示意

6 立柱固定、切除技术

在托换承台和桩基完全受荷载并变形稳定后，原设计下步将对立柱进行切除，并剥离与托换承台之间的钢筋和混凝土。但在这个作业过程中，需要解决立柱固定的如下问题：

1）桥墩的锯切将使墩柱水平方向受到外力作用，造成失稳甚至倾覆。

2）剥离钢筋混凝土后，墩柱垂直方向受到重力的作用下滑，下滑后重新调整将带来新的问题。

针对以上问题，笔者考虑改变原来的设计及施工思路，采用新的施工工艺和措施来保证施工质量。

首先依托钢管柱辅助支墩抱箍设施，确保墩柱在水平平面位置不位移，同时对原墩柱和新建托换基础相接的部分采用水力破除施工，这样在剥离混凝土时，钢筋依旧可以承受部分重力，同时保证原墩柱的平面、高程位置准确。接着进行新建托换基础的施工。在完成与原墩柱相接的托换承台施工后，开始下层施工，即开始新建托换承台下地下隧道的基坑开挖，并对原墩柱下层（含桩基）以及与地下隧道相冲突的部分使用金刚石绳锯切割施工。

水力破除作业是一种新兴的破除技术，其工作过程为使用超大功率液压泵站形成高压冲击水流，冲击富含微小孔隙的混凝土，当高压水射流冲进混凝土内部微小孔隙的压力大于混凝土自身拉力时，混凝土被冲击为碎屑而破除。同时由于钢筋表面密实、无孔隙，故对钢筋将无任何损坏。

水力破除施工后的原墩柱下部伸入托换承台内200 mm即可。墩柱横向限位采用在墩柱的4个角处安装4个200 mm×200 mm×16 mm角钢，构成格构柱的分肢，采用100 mm×100 mm×10 mm角钢作为格构柱的缀条，柱脚采用4个直径24 mm的化学锚栓将厚度20 mm的钢板固定在承台上。限位支架应有足够的强度，并在限位方向有足够的刚度。当千斤顶将桥梁顶升时，墩柱只允许在格构柱里面进行上升，从而很好地限制了墩柱的横向位移。

7 受力体系的转化及完成

完成立柱的固定与剥离，并在托换承台桩基强度达到设计要求后，开始进行承台施工。承台采用支护开挖、立模浇筑工艺，开挖后先进行承台底面的压实工作，再施做垫层，绑扎、安装钢筋与预应力钢筋，然后浇筑混凝土，待混凝土强度达到设计要求强度后，进行后张法张拉及压浆施工。

承台施工完毕后，释放千斤顶，让托换承台及桩基开始持力。然后拆除辅助支墩，开挖老承台，使用金刚石锯锯开托换承台、老承台之间的钢筋结构。最后开挖隧道基坑，分割老承台并装卸运走。

8 结构姿态监控措施

施工前做好测量准备工作，设置二等平面控制网和二等高程控制网。在托换施工过程中，对匝道桥测控点的结构位移、标高进行动态监控，对辅助墩支架做变形监控，控制扩建的承台平面位移和竖向变形值，及时对数据进行处理，并根据分析结果采取相应的措施，确保匝道桥的结构姿态处于受控状态。在顶升过程中，桥面高程观测点的标高监控可作为自动顶升时位移监测的补充，为顶升作业提供辅助依据。

当结构变形监测值超出规定限值或预警值时，应按操作规程要求及时通报，立即采取保障措施并暂停施工，对出现的异常情况及时分析并处理。