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盾构区间下穿异形板桥梁桩基托换研究

摘 要:石家庄建和桥环形高架桥共分为4个异形板块,盾构区间下穿建和桥桩基托换工程需托换南侧和北侧异形板块,工程周边及地下环境复杂,托换过程中既有交通不得中断,对变形要求非常严格,设计采用主动托换方案。通过分析周边条件,以南异形板块桩基托换为例介绍相关设计和关键控制措施,包括托换设计、预支顶措施、施工步序、主要监测项目及控制值等。实践表明,托换施工满足设计和工前评估要求,桩基托换设计合理,结构安全可靠。
1 工程概况
  石家庄地铁2号线长安公园站—蓝天圣木站区间沿建设大街道路下方敷设,区间长764.6 m,覆土10.8~15.2 m,线间距15.2~18.8 m,线路纵断面呈“一”字型坡。区间采用盾构法施工,由蓝天圣木站始发,至长安公园站(PBA全暗挖车站)接收,平移至长安公园站北端风井吊出,盾构采用标准环+左右楔形环,环宽1.2 m,外径6.2 m,管片厚度350 mm。区间线路平面图及剖面图如图1、图2所示。

1.1  既有桥梁状况
  建和桥于1996年建成通车,地面为一层,主要通行行人、非机动车和少量机动车;二层主桥面为环形结构及东西南北4个引桥;三层为东西向和平路跨线桥,为三跨连续梁结构,桥梁现状如图3所示。既有桥梁设计采用公路85规范。
  建和桥二层环形桥主桥分为4个不对称异形板块,如图4所示。梁高1.3 m,变形缝位于桥梁支座外,悬臂3 m,桥面板为多箱室异形预应力结构。40#~42#桥墩为南异形板块中部一排桥墩,45#~46#桥墩为北异形块中部一排桥墩,采用球形钢支座。桥墩直径1.2 m,高3.6 m,每根桥墩下为6.3 m(长)×6.3 m(宽)×2.0 m (高)的4桩承台,桩径1.5 m,桩长20.6 m,按摩擦桩设计。荷载标准:汽—超20级,挂-120。地震设防烈度为7度,设计行车速度为50 km/h。
  根据工前检测,建和桥环岛立交桥上部结构评分为82.97分,下部结构为95.22分,桥面系为85.98分,综合评分为88.47分,评定等级为2类。
1.2  工程特点及难点
  1)托换工程影响因素多。受地上二层环形桥和地上三层三跨连续梁桥桥桩的影响,区间需要对地上二层南、北异形板块进行桩基托换,同时地下管线较多,周边房屋多且建成年代较久。现状桥梁交通压力大且在桥梁桩基托换过程中交通不得中断,因此存在桩基托换综合性强、施工精细化程度高、监控量测要求高等问题。
  2)被托换结构体系复杂,对变形敏感。南、北板块均为异形板,且变形缝均位于桥梁非支座位置。工前评估对桥梁变形提出了极为严格的控制标准,对桥梁变形提出了极为严格的要求。
  3)施工条件复杂。托换桩位于异形板桥下方,桥下净空高度约3.9 m,不满足一般机械施工要求。存在地下水及卵石层,液压反循环钻机钻杆易断裂。在活载及恒载作用下,托换位置处的轴力较大,对受力转换过程、截桩等均提出了更高的要求。
1.3  工程地质及水文地质条件
  根据勘察资料,自上而下的土层依次有杂填土①1层、素填土①2层、黄土状粉质黏土③1层、粉土③2层、粉细砂③3层、粉细砂④1层、中粗砂④2层、粉土④3层、粉质黏土④4层、圆砾④5层、粉质黏土⑤1层、粉细砂⑤3层、细中砂⑥1层、粉细砂⑦3层、中粗砂⑦4层、中粗砂含卵石⑧1层、卵石⑧2、中粗砂含卵石⑨2、卵石⑨3层。区间地下水位位于地面以下33.7 m、盾构区间底板以上。
2 托换设计
2.1  托换方案的选择
  盾构区间与南异形板块41#桥墩下的桩基不冲突。如不考虑41#桥墩及桩基承载力影响,可采用分离托换方案,如图5所示,西侧托换承台将深入到41#承台下部,造成41#既有桩基础与40#托换基础混合受力。
  40#~42#为同一轴线上的桥墩,是一个稳定状态。仅对40#、42#桥墩进行托换,托换过程及盾构施工时将使同一轴线上3个桥墩的受力进行重新分配,进而影响此位置梁体的受力,41#桥墩基础的承载力损失引起的沉降将会进一步扩大,故推荐对40#~42#桥墩下的桩基进行整体托换。
2.2  托换结构设计
  托换体系由12根φ1.5 m的桩基和3 m厚托换承台组成。托换桩基与地铁隧道的间距不小于1.0 m。托换承台平面尺寸为31.2 m×13.3 m。托换承台在既有φ1.5 m桩位置设置φ1.6 m圆洞,浇筑托换承台混凝土前在既有承台外侧包裹5 cm厚的油毛毡。在新旧承台之间预留0.8 m的空间,用于布设托换千斤顶及托换完成后的截桩。托换桩采用钻孔灌注桩基础,按摩擦桩设计,桩长42 m,持力层为卵石⑧2层,如图6所示。
2.3  预支顶设计
  根据变形计算及工前评估要求,除托换位置(40#~42#桥墩)需进行预支顶外,由于异形板对变形要求严格,需要对临近托换位置的南北侧桥墩(22#、28#桥墩)进行预支顶,如图7所示。预支顶设施在托换承台基坑开挖前布设完成,具有自动顶升功能,位移精度为0.1 mm。在预支顶设施布设过程中,球型支座的上板螺栓需松开以适应顶升位移。预支顶设施的钢基梁、钢管柱、垫块、垫片等均进行专项设计。千斤顶具有“自锁”功能,钢管柱纵横向需设置可靠的连接结构以保证顶升钢支架的稳定性。图8为预支顶现场施工图。
2.4  顶升荷载的确定
  由于异形板桥梁在长期使用过程中的桩基沉降、混凝土徐变等因素,导致实际受力与计算不吻合。如果采用位移控制,托换荷载除桥面板传来的恒载和活载外,还有桥墩、既有承台、既有桥桩的自重以及既有桥桩与土体的负摩阻力,导致托换荷载很大,托换时对既有承台受力不利,故采用以荷载控制为主、位移控制为辅的控制条件。托换荷载采用表1所列的“称重”结果再加上桥墩和既有承台的自重,同时考虑1.2的超压系数作为最终托换荷载。 
2.5  冲切及千斤顶位置的局部承压计算
  桩基按0.8倍桩径的矩形计算,千斤顶考虑垫块后按边长0.4 m正方形计算,同时考虑20%超顶。经验算冲切满足要求,同理验算局部承压,满足要求。
  计算模型如图9~图11所示。
2.6  桩基强度计算
  桩基内力计算采用Midas Civil软件,桩基的实体单元与梁单元通过刚性连接。桩身采用“m法”弹簧约束,计算模型如图12所示。桩基强度计算结果见表2。
  托换承台东西方向中桩与边桩桩顶力大小不同,因此考虑桩基不均匀沉降引起的桩基内力变化影响。中桩桩顶力比边桩桩顶力大,单桩沉降差值较小,偏于安全考虑,取沉降差5 mm进行计算,结果见表3。 


  经核算,采用32根直径25 mm的三级钢筋可以满足要求。
2.7  既有桥墩刚度计算
  采用Midas Civil软件对既有桥墩建立有限元模型,利用m法模拟弹簧约束,顶部4 m按自由端考虑。主要荷载为自重、二期恒载、汽车制动力等。异形板中部支点均采用固定支座,考虑最大四车道制动力加载在全板范围时,单支点分配到的最大制动力小于一车道,偏安全考虑一车道制动力全部加载在1个桥墩上,制动力大小取值为城-A级165 kN,其墩顶最大位移为2.6 mm,小于工前评估报告L/1 000=3.6 mm的限值。
2.8  桥桩承载力计算
2.8.1  既有桥桩承载力计算
  在托换体系转换前,基坑已经开挖,既有桥桩桩长20.6 m,桩顶暴露4 m,需验算此时的既有桥桩承载力是否满足。根据计算,40#、42#桥墩单桩桩顶最大竖向荷载较41#桥墩大,既有桥桩采用C25混凝土,单桩桩顶最大荷载为2 227 kN,单桩轴向受压承载力容许值为2 760 kN,桩基承载力满足要求,富余度为11%。
2.8.2  托换桩基承载力计算
  托换桩桩顶力采用实体单元计算结果,对桩顶单元积分得到桩顶荷载,并考虑水平制动力影响。托换桩按摩擦桩设计,考虑既有桩破除及盾构隧道施工对桩基周围土层扰动的影响,对盾构隧道底板以上土层摩阻力按70%折减。托换桩长42 m,采用C35水下混凝土灌注,单桩桩顶荷载除既有桥桩上方的荷载外,还包含托换承台和封固混凝土自重,单桩桩顶最大荷载为7 815 kN,单桩轴向受压承载力容许值为10 524 kN,桩基承载力满足要求,富余度为26%。
3  施工步骤及注意事项
  托换施工工序有监控量测系统的建立、预支顶、称重、托换桩和托换承台的施工、受力转换、截桩等。
  1)建立桥梁结构变形及应力监控量测系统。在承台、异形板底、跨中及千斤顶处布设竖向及水平位移监测点;在桥梁桥墩顶、底位置布设测点,监测桥墩的垂直度变化;在异形板块支座、跨中等位置设置结构裂缝监测点;后期在托换桩桩顶、既有桥桩顶、异形板块桥墩及对应的板底布设监测点,在托换承台桩顶、跨中及千斤顶处布设监测点。
  2)地面预支顶及“称重”。进行地面预支顶架设,预支顶布置应尽量靠近原支座位置并核算满足桥梁受力要求。“称重”时应确保桥面板与支座脱开,“称重”在早晚高峰时间段进行,两高峰段共进行9次称重,与设计计算结果对比,为后期顶升力的控制提供依据。
  3)施工托换承台基坑,开挖至既有承台底时进行托换桩施工,为减少托换桩沉降,对桩底及桩侧进行压浆。考虑压浆施工效果的不确定性以及压浆后桩检测实施难度,结合工期要求,计算时不考虑后注浆对桥桩承载力的有利影响。由于桥下净空限制,施工采用液压反循环钻机,机械高4.5 m,宽2.2~2.5 m,如图13所示。
  4)基坑开挖至托换承台设计底标高,在既有承台底部和侧向进行植筋钻孔,并施工托换承台。承台施工时应对既有桥桩进行磨圆处理并包裹油毛毡,同时在既有承台四周埋入限位型钢,型钢应密贴既有承台,限制承台水平移动的同时不影响限位型钢与既有承台的竖向相对滑动。
  5)安装千斤顶并进行分级顶升。根据设计计算及称重结果,再加上桥墩及既有承台自重,确定托换荷载。托换荷载取恒载+活载的1.2倍,托换过程中既有承台上升不超过0.5 mm,通过力与位移“双控”进行受力转换。加载共分12级,每级加载时间约1 min,加载持续时间为30 min,自动化监测每5 min自动监测1次。
  6)截桩。主动顶升完成且托换承台变形趋于稳定后方可进行截桩,截桩前应对千斤顶进行泄压,并将千斤顶锁死。泄压前应适当加压以消除千斤顶自锁装置与千斤顶之间的空隙(一般小于0.2 mm)。截桩应逐根进行,并进行实时监测,待数据稳定后方可进行下一根的截断。每根桩截除比例按1/4桩—1/2桩—3/4桩—完全截除进行,每次截除完成后应及时塞入钢垫片,截桩采用绳锯施工,空隙为2 cm,并塞入1.8 cm钢垫片。
  7)托换结构封固。桥桩全部截断后,调整墩顶标高,补充和恢复施工引起的沉降量,并进行既有承台侧面凿毛、植筋、界面处理,托换承台顶面封固层范围凿毛、界面处理,绑扎钢筋,浇筑封固混凝土。
  8)既有桥桩破除。在托换承台一侧施工竖井,托换承台下方施工横通道,采用人工挖孔破除盾构施工影响范围内的既有桥桩,人工挖孔桩护壁采用玻璃纤维筋,在人工挖孔桩范围回填C15混凝土。本工程仅破除40#、42#桥墩下方的桥桩,41#桥墩下方的桥桩在绳锯截断后、混凝土封固之前采用2 cm厚沥青木丝板填塞空隙,以避免既有桥桩参与受力。
  9)盾构通过。托换桩设计时已考虑盾构施工对桥桩侧阻力的影响,对桥桩适当加长,并考虑盾构对桥桩的水平作用力。
  10)拆除预支顶设施。长期监测托换结构位移,通过预支顶措施保持上部结构的变形稳定,待通车运营后既有承台沉降稳定后,依次拆除预支顶措施。
4 监控量测
  施工前对建和桥进行了工前检测,对既有桥梁的初始状态进行了详细调查,包括几何形态参数、结构恒载变异状况调查、材质强度检测与评定、混凝土的检测、钢筋保护层厚度检测、结构自振频率检测、基础与地基检测以及桥梁的静载及动载试验。监测分4个阶段、第1阶段为托换承台基坑开挖、托换桩及承台施工,此阶段需要对墩顶、墩底、桥面板进行自动化监测,并对桥面板应力、裂缝以及托换承台应力进行常规监测;第2阶段为受力转换至封固承台完成以及既有桥桩破除,需要对桥墩顶、墩底、桥面板和托换承台进行自动化监测,并对桥面板应力、裂缝以及承台应力进行常规监测;第3阶段为盾构穿越施工,监测要求同第1阶段;第4阶段为工后4年,第1年每月1次,第2年2个月1次,第3年6个月1次,第4年1年1次,均为常规监测。表4所列为南侧异形板块托换时的监测项目控制值、预警值和监测值。

5 结语
  在不中断交通的情况下,大吨位异形板桥梁桩基主动托换难度大、风险高,对变形要求严格。通过对周边环境的分析,采用地面预支顶措施,并在新老承台之间通过植筋进行混凝土封固的形式,保证了新老承台的共同受力,使整个托换结构安全可靠。托换前对桥梁进行了检测和工前评估,顶升过程采用带自锁式千斤顶并在托换过程实现自动化监测,实现动态控制、信息化施工。该桥梁南、北异形板块均已托换完成,各变形控制指标满足设计及工前评估要求,可为后续工程提供借鉴。

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