托换技术在高架桥改建中的应用

2020-03-01叶剑伟

建筑施工 2020年9期

叶剑伟周盛

宁波市建设集团股份有限公司浙江宁波 315000

1 工程概况

环城南路东段（河清路—东外环路）快速化改造工程位于宁波市鄞州区，西起河清路东侧，东至东外环路，全长3.5 km，采用高架桥结构。环城南路与东外环路交叉口处原为立交桥，本次实施时予以保留，并通过新建匝道桥、地下通道等结构，将东外环路原有桥梁结构与新建环城南路高架桥结构连接成新的立交区。

立交区改建时，需要新建一座地下通道，新建地下通道与原东外环立交EN匝道相交，并与原EN13#、EN14#墩柱位置冲突，连续箱梁的2个中墩须拆除以避让地道（图1）。EN匝道桥宽8.0 m，上部为整体现浇四跨一联混凝土连续箱梁，下部为Y形独柱式桥墩，钻孔灌注桩群桩基础，考虑采取托换基础的改建方式，即保留上部现浇箱梁结构，拆除现状独柱式中墩，改用门墩形式（横向跨越地道）支撑上部结构。

2 技术特点

图1 EN匝道托换施工桥墩布置

采用托换技术施工，可以在不拆除桥梁上部结构的情况下拆除下部墩柱，清除现状障碍物，为新建地下通道打开工作面。一次托换施工时，充分利用现状承台及桩基的承载力，利用临时钢支撑将梁体荷载传递至现状基础，为拆除现状墩柱创造条件。二次托换施工时，将梁体荷载传递至新建盖梁，顺利完成高架桥改造[1-2]。

为减少汽车动载对托换施工的安全影响，应临时封闭桥上交通。若施工期间需要保持交通，则各项施工环节需充分考虑汽车动载带来的不利影响。

3 施工方案

3.1 施工流程

先完成新盖梁的4根立柱及承台的施工，待养护期满后，对现状桥墩采用主动托换法施工：在原EN13#、EN14#现状承台上同步安装第1次托换支撑及设备，通过PLC（可编辑控制器）液压同步控制系统控制千斤顶进行支撑，将上部现浇箱梁的梁体荷载转换至千斤顶支撑上，并锁定千斤顶；然后进行现状墩柱的切割拆除工作；待拆除完成后，进行新建盖梁施工；盖梁施工完成且混凝土强度达到设计要求后，在箱梁与盖梁之间安装二次托换设备，利用二次托换设备进行荷载转换，将上部荷载通过盖梁传递至新建的墩柱上；荷载转换完成后，拆除原有承台，施工其他工作内容；最后腾挪出场地，施工地下通道。

其中，高架桥改建采用主动托换法施工，其主要施工流程如下：临时钢支撑安装→千斤顶分组安装→托换系统（PLC同步控制系统）安装→托换系统调试→一次托换施工→现状墩柱拆除→新盖梁施工及养护→二次托换施工（梁体荷载二次转换施工）→支座安装→拆除一次托换设备、现状承台。

3.2 临时钢支撑安装

1个墩柱临时托换支撑采用6根φ 609 mm钢筒（图2），并在其上各布置1台200 t液压自锁千斤顶，共计6台。在托换时，为了保证钢筒支撑的稳定性，托换支撑通过型钢连接成格构体系，保证托换支撑体系的抗压稳定性；钢筒与现状承台通过螺栓连接，与千斤顶采用专用转换接头连接。

图2 临时钢支撑体系

现状墩柱位置需要新增横桥向的现浇混凝土盖梁，因此，临时托换支撑的钢筒位置、格构体系的横向加固支撑位置等除了需要考虑现状承台尺寸、承载力、整体稳定性等要求外，还需充分考虑后期新建盖梁的施工空间，满足现浇盖梁的施工要求。

3.3 千斤顶分组安装

千斤顶根据老桥支座反力计算选用。千斤顶均配有机械锁，防止任何形式的系统及管路失压问题，从而保证负载有效支撑；本工程第1次托换施工选用高425 mm、底座直径275 mm、行程140 mm、顶力2 000 kN的液压千斤顶；千斤顶布置在钢支撑上，每个墩柱设置6台千斤顶。千斤顶倒置安装在分配梁上，使千斤顶顶端与顶帽连接，顶帽的法兰盘与钢支撑的法兰盘连接，使顶升支架体系更稳定。第2次托换施工选用高150 mm、底座直径210 mm、行程40 mm、顶力为1 000 kN液压千斤顶，千斤顶布置在新建的盖梁上，每根盖梁上布置10台千斤顶。

需要注意的是，在第1次托换施工时，考虑原支座底部采用环氧砂浆注浆处理过，支座底部与立柱的黏结力较大，千斤顶将承担黏结力和支点反力，若在顶升过程中出现顶力不满足设计要求的情况，则须更换为4 000 kN千斤顶，以为顶升施工提供满足要求的顶升力。

3.4 托换系统（PLC同步控制系统）安装

每个墩柱的千斤顶分为4组进行控制，其中每组布设1台拉线式位移传感器，全桥共计8个，利用PLC同步液压控制系统对梁体进行托换。该系统可以实现力和位移的同步控制。PLC液压同步控制系统由液压系统（油泵、油缸等）、检测传感器、计算机控制系统等几个部分组成。托换控制界面中包含了油源压力、位移等数据。液压系统由计算机控制，可以全自动完成同步位移，实现力和位移控制、操作闭锁、过程显示、故障报警等多种功能。

托换施工前需要对托换系统进行检查，主要检查元件的可靠性、液压油的清洁度、系统的可靠性、力闭环的稳定性、位置闭环的稳定性等项目。同时要进行托换系统结构检查、调试，做好保压试验，测定每个托换点处的实际荷载。

3.5 一次托换施工

按照设计要求托换梁体，托换高度应满足设计要求，达到设计高度后将截止阀关闭，利用千斤顶自锁功能锁死千斤顶，防止千斤顶回落（图3）。考虑工作持续时间较长，安装千斤顶套箍作为临时支座，防止千斤顶失效回落。为使荷载转换到托换支撑后的前期沉降量趋于稳定，采用逐级增大10%油源压力的方式加压，加压到理论重力的100%，同时将该状态保持一定时间，直到托换支撑的沉降趋于稳定时结束。其间要做好观察、测量、数据校核、数据分析、调整等工作。

图3 一次托换千斤顶布置

3.6 现状墩柱拆除

为保证原墩柱拆除时，桥梁上部结构的安全性，拟采取先切割、后拆除的方案，减少凿除振动对上部结构的影响。在原墩柱截断托换时，采用金刚石绳锯切割，在上部结构保持平衡的前提下，逐级截墩，缝隙需用厚8 mm钢板及时充垫，截墩过程中应根据监控量测结果及时调整千斤顶的顶力，以保证上部结构高程保持不变，待监测结果趋于稳定后，再实施墩柱拆除施工。为不影响二次盖梁的浇筑，先切割墩柱顶部3 m位置的混凝土墩柱，其他剩余的墩柱待二次托换完成后进行破除。

临时支撑上千斤顶加载完毕之后，在原桥墩破除过程中，应加强监测。发现桥梁沉降达到报警时应顶升桥梁，使桥梁结构始终处于安全的沉降范围以内。

3.7 新盖梁施工及养护

新盖梁施工的支架、模板、钢筋可以按常规方法施工。需要关注的是，由于盖梁在6根临时支撑钢管柱中穿过，故在该段模板、钢筋安装时，应加强管理与交底，不得碰撞临时支撑钢管柱。

3.8 二次托换施工（梁体荷载二次转换施工）

新建盖梁施工完成且强度达到设计要求后，在盖梁与箱梁之间安装二次转换千斤顶（图4）。二次转换千斤顶采用低高度千斤顶，然后使用PLC液压同步控制系统控制低高度千斤顶进行荷载转换，将桥梁的上部荷载由原来的钢支撑上转换到新建盖梁与墩柱上。

图4 二次托换千斤顶布置

在二次托换过程中，先顶升加压原设计值的20%，将第1次托换系统缓缓降压20%；再加压原设计值的40%，将第1次托换系统缓缓降压40%。通过沉降数据进行比较分析，使二次托换全部受力后，通过沉降观测数值进行数据调整。

3.9 支座安装

一次托换稳定后进行下垫石的制作，下垫石预埋钢板比设计标高低3～5 mm，垫石浇筑需保证其密实性，故选用高强支座灌浆料（强度要求不小于70 MPa）。待高强支座灌浆料达到强度要求且完成盖梁二次张拉后，进行千斤顶同步回落，达到设计要求标高后，查看支座是否与预埋钢板密实，若密实且能完成力的转换，则将预埋钢板与支座进行焊接连接；若不密实、有缝隙，则视缝宽情况采用灌浆料、薄层钢板或两者组合使用进行填充，当填充密实且完成力的转换后，再将预埋钢板与支座进行焊接连接。待完成支座与预埋钢板的连接后，将连接支座上下盖板的型钢解除，完成支座安装。

3.10 其他项目施工

在荷载二次转换完成后，进行其他项目的施工。其他项目施工包括拆除第1次托换设备、拆除原有承台、新建地下通道等。

4 施工监测

施工监测的最基本要求是保证桥梁上部结构的安全和确保施工结束后的桥梁整体状况符合要求。结构托换过程是一个改变荷载传递的过程，在托换前的预加顶升阶段、切割断柱阶段以及沉降调整阶段，各托换点的高程控制是保证桥梁结构安全的决定性因素。因此，在施工过程中对桥梁每个托换点及其整体进行沉降监控非常必要，其目的是保证施工过程的安全以及桥梁的沉降在施工过程中和施工结束后能满足设计的要求。为此，要设置一整套监测系统，将姿态数据反馈给托换系统，根据监测数据指导托换施工，做到信息化施工。

监测的基准点设置在不施工的EN12#墩柱的桥面上，分别设置静力水准仪基准点和精密水准仪测量基准点。精密水准仪配备有测微器，可以估读到0.01 mm，由专业测量人员对桥体的沉降进行测量；静力水准仪在EN13#、EN14#桥墩相对应的桥面上各安装4个监控点，严格监测沉降，控制沉降值为3 mm，设置报警值为2 mm。

5 结语

托换施工技术可以在保留高架桥主体结构不变的情况下完成荷载转换，达到桥梁改造的目的。托换施工要严格遵循施工方案的要求，做好监测管理工作，成立以专业测量工程师为首的测量专业队伍，配足配齐测量仪器、人员及车辆，保证测量工作的正常开展。加强测量复核制度，保证测量成果的正确。加强测量仪器管理、检定和测量资料的整理保管工作。

项目管理人员应根据现场实际情况随时调整，针对即将出现或可能出现的问题及时作出反应，采取措施控制，确保桥梁结构托换稳定。

宁波市环城南路东段EN匝道桥托换施工的成功，得到了有关专家的肯定，并编制了企业级工法推广，具有一定的社会效益和经济效益。