津滨轻轨桩基托换工程墩柱切割施工技术

代敬辉

(中铁十八局集团第五工程有限公司,天津 300451)

1 工程概况

滨海新区新港四号路地道沟通天津开发区与于家堡中心商务区,地道全长 629 m。其中封闭箱体 189 m,由北向南分别下穿新港四号路、津滨轻轨、进港二线铁路和大连东道。封闭箱体两侧各为长度 220m的整体式 U形槽结构。地道采用双向 8车道城市主干道标准,车行道宽度 2×15.25m。下穿津滨轻轨部分采用桩基托换施工工艺,轻轨在施工期间不中断运行。工程立面如图1所示。

需要托换的两个墩柱为轻轨高架桥 A339号和A340号墩,其中 A 339号墩为制动墩,A340号墩为连接墩,上部结构采用预应力混凝土连续梁,梁高为 1.5 m。墩柱为钢筋混凝土矩形墩,墩柱尺寸为 1.4m×2.2m。下部结构为群桩基础,每根墩柱下设置 8根φ0.8m钻孔灌注桩,桩长为 45m,上接钢筋混凝土承台,承台尺寸为 5.6m×6.4m,承台厚度为 2.0m。本工程的重点是在保证津滨轻轨正常运营的情况下,主动托换轻轨 A339和 A340墩既有基础后,使地道工程实现下穿。

图1 工程立面(单位:m)

托换结构由 2跨连续格构式托换大梁和 3排 9根钻孔灌注桩托换桩基组成,托换大梁和托换桩基间设置地道箱体。托换大梁为预应力混凝土结构,与轻轨桥梁墩柱固结,跨径为 2×18.75 m,梁高 2m,混凝土强度等级为 C60。地道箱体采用单箱四室结构,总宽度为 50.4m。托换桩基由地道箱体顶、底板中穿过,之间设置 5 cm空隙,以保证托换结构和地道箱体彻底隔离,使两个结构受力明晰。地道箱体顶高程为2.411m,托换大梁梁底高程为 4.5m,之间预留 2.039 m空间设置桩帽和顶升千斤顶操作空间。托换后的传力途径是:轻轨高架桥反力由轻轨墩柱通过墩梁固结传递至托换大梁,大梁将力传递至 9根托换桩基。工程断面如图2所示。

图2 工程断面示意(单位:m)

2 托换施工总体思路

整个托换工程分为 3个施工阶段,第一阶段施工托换结构,主要工作包括:施工 9根托换新桩,桩顶安装千斤顶,轻轨墩柱表面植筋,施工托换大梁;第二阶段进行桩基托换,主要工作包括:通过托换新桩桩顶的千斤顶分级对托换大梁预顶升加载,采用金钢链切割机对轻轨墩柱进行切割,逐步截除轻轨桥梁墩柱,完成托换荷载从旧墩柱向托换新桩的彻底转换;第三阶段组织地道的施工,待地道全断面通过桩基托换且托换结构及周边环境的变形基本稳定后,实施托换大梁与托换新桩的固结,使托换结构形成整体,完成托换工程。整个施工过程中最为关键的工序就是对轻轨墩柱进行切割。

3 墩柱施工要点

图3 千斤顶基座布置及切割示意(单位:cm)

在切割墩柱之前,在每根被托换墩柱四周布置 6台千斤顶,千斤顶施加 1MPa的压力值,使千斤顶与托换大梁底密贴,然后保持持荷状态,详见图3所示。截除墩柱施工时,将托换荷载先转移至墩柱周边千斤顶,之后通过墩柱周边千斤顶的卸载,使荷载转移至托换桩,这种工艺可称之为托换荷载力的主动转换。采用这种工艺可人为控制荷载的转换,并防止托换大梁在墩柱被截除的瞬间产生较大的挠曲变形而影响轻轨桥梁的安全。在截除墩柱施工之前,将预加载至理论荷载 100%的桩顶千斤顶卸载至理论荷载的 85%,以确保预顶力小于实际托换荷载,避免反之造成的不可控的轻轨墩柱上抬现象。

3.1 切割设备

采用金钢链切割机对截除墩柱进行切割。

切割设备组成有:喜力得 LP/TS32动力主机 2台、切割导轨 2套、导向滑轮 2组、快速高压油管 2套,切割采用高强度金刚链锯。功率:35kW(MAX);运转率:24 h连续工作制;切割速度:1m2/h;转速:1 500～2 800转 /min;驱动压力:26 MPa;工作介质:ISOVG46号抗磨液压油;介质清洁度:NAS9级;供电电源电压:380V;50 Hz;三相四线制。

作业特点:有线遥控作业,保证人员安全;切割速度快,节省时间,每小时大约可切割钢筋混凝土构件 1 m2;作业空间小,可利用小空间作业,方便快捷;油管采用快速接头,拆卸方便;工作噪声低。无振动。

3.2 切割准备工作

(1)安装数据传输设备。安装光栅尺、电子百分表并进行调试达到可运行状态。其中光栅尺安装在1、2、3、4、6、7、8、9号托换桩桩顶与托换大梁梁底之间;每被切割墩柱周围安装 4个电子百分表。

(2)安装切割设备。将主滑轨固定在轻轨既有承台上;将导向滑轮固定在切割墩上;将切割链锯穿过墩安装到切割设备上;连接主机与主滑轨上的油管;连接主机与主滑轨和切割部位的水管;连接主机电源;连接主机进水管。

(3)检查调试切割设备。打开主机电源看主机运转情况及数据显示;查看主滑轨前后运动情况;调整导向滑轮位置;试运行系统将墩切出 3 cm左右的锯印;检查金刚链锯的连接及受拉情况。

3.3 截除墩柱操作步骤

安装完成切割链锯后,两个墩柱同时进行切割,基本保持同步,切割面位于托换梁底以下 15 cm处,切割过程中实时进行数据监测、分析并进行调整;切割前期70%时按正常速度进行,后续切割降低链锯转速,减速缓慢进行切割。

(1)正式切割应该在最后一班轻轨列车停运以后。

(2)在切割时根据链锯的运行状况及时将切割缝中放置 8mm钢板。

(3)切割过程中实时观察各千斤顶的压力情况并记录。

(4)切割过程中实时观察托梁及墩、桩的位移情况并记录。

(5)墩切断后继续观察位移和压力的变化待稳定后切割正式结束。

3.4 截墩切割中注意事项

(1)记录初始压力数据、电子百分表全部清零。由领导小组书面发布切割指令。

(2)切割过程中各监测组与切割现场保持联系,现场人员实时向监测和控制组进行汇报,以便监测组成员能够清楚的知道墩的切断情况,有利于对位移、压力等变化进行分析和调整。

(3)如果切割过程中被切割墩位移达到2mm应立即停止切割,由领导小组进行决策,下达进行调整的指令。

(4)切割时如发现夹链锯现象比较严重,需适当对被切割墩下千斤顶的压力增加,以减轻该现象,防止链锯被压断弹出伤人。

(5)切割时间按 1m2/h计算,每个墩为 3.08m2,切割时间总计估计需要 3 h10min。整个工作过程在早上 5点结束,保证轻轨列车运营之前对线路状态的检测具有足够时间。

(6)在切割过程中,发现数据异常时先停止切割,并采取相应的措施防止趋势扩大,由领导小组作出决策。

(7)切割现场非相关人员禁止接近。

(8)切割过程中工作人员必须与金刚链锯保持一定的距离,以防止链锯拉断伤人。

(9)由于切割时切割部位和链锯摩擦会产生很大的热量,必须保证供水进行降温。

(10)保证电力供应,使切割工作能够顺利进行,保证现场照明满足施工要求。

3.5 预案措施

(1)截除桥墩时,开始墩柱轴力随截除面积增大变化不大,应力集中在主筋和剩余混凝土截面上;截断钢筋后,残余混凝土的压应力增大,墩柱断面截除70%左右,随着时间的推移,柱体轴力不断减小,残余混凝土的压应力逐渐增大,直至残余混凝土被压坏,轴力完全丧失,因此截墩后期应减慢截桩速度,保证轴力转移平稳安全。

(2)截墩时,采用从一端向另一端切割桥墩断面,当截除 50%桥墩断面后,每次截除 10%断面后均暂停截墩施工,待实时监测系统反馈信息(新桩沉降量、墩顶位移、托换结构应力)表明托换体系在原桩基随持力断面积的减少而逐步实现荷载转换稳定后,再进行下一步的截墩施工,截除至 70%后,每级截墩面积改为 5%,直至完全截断原桥墩,实现荷载转换。此外截墩时尽量保证两墩同时对称进行,以防结构出现突然沉降。

(3)备用 20个千斤顶和足够数量的型钢,用于紧急情况下对托换大梁或轻轨桥梁进行临时加固。

(4)预备 15台大轿车和调度人员在轻轨一旦停运的情况之下保证从塘沽站到东海路站之间乘客的正常运转。

3.6 荷载转换

当墩柱断开后,如果各方面的控制数据在允许范围内,则连续进行荷载转换工作。

根据被托换柱周围千斤顶的实测荷载,按每次 2 MPa对托换柱周围千斤顶进行卸载。在转换过程中如出现位移值达到警戒值或其他监测数据不满足继续转换的要求时,需停止转换进行调整,根据需要调整的位移量,设置位移指令,调整托换桩顶千斤顶顶力完成位移指令目标,调整完成后继续荷载转换步骤。

如发生异常情况可先进行应急处理,然后再汇报领导组,进行研究、分析、决策;对每次转换数据进行拷贝、存档;转换完成后的 3d内要高频率的观察各方面数据,发生异常上报领导组进行研究、分析、决策。

3.7 施工监测

主动托换技术的核心是监测和控制,采用信息化施工技术,通过施工过程中沉降、变形和受力的实时监测,对监测数据进行系统和相关分析,及时反馈,掌握托换过程中力与变形的关系以及荷载的转换,对后期变形和受力进行有效的预测和控制,修正和调整施工参数,保证整个施工过程在安全和可控的状态下进行。

监测内容包括轻轨列车行车安全指标监测,桥梁线形与振动响应监测,桥墩位移与动力响应监测,托换大梁的线形、位移、应力与应变监测,托换桩的轴力、应变及沉降监测,托换大梁与桥墩连结点部位应力、变形监测等 6个子系统。涉及到轻轨的轨道、桥梁、桥墩、被托换桥墩与托换大梁结点、托换大梁以及托换桩等结构部位。其中墩柱截除节段的监测内容主要包括:新桩沉降量,新桩应力,托换梁、梁-墩柱节点应力,托换梁体变形,墩顶位移、转角,梁-墩柱节点相对变形,桥梁自振特性、振动响应、墩顶振动响应,轻轨列车行车安全指标等内容。

在各参建单位的通力协作下,经过精心组织、精细化操作,墩柱切割和荷载转换施工在高精度的监测系统严密监控下顺利完成,各项指标均在安全范围内。

4 结语

采用桩基托换保证了施工期间津滨轻轨的正常运营,建成后的新港四号路地道工程与滨海新区中央大道的定位非常匹配,行车舒适度高,通车 1年多来,社会反响良好。通过本工程的实施,为托换工程提供了一个新的成功范例,对复杂托换工程设计方案的选取和应用具有积极的借鉴意义。施工过程中形成的墩柱切割技术操作简单、可控性强,非常具有推广意义。

[1] 叶书麟,叶观宝.地基处理与托换技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[2] 李彦明.广深铁路桥桩基托换施工技术[J].铁道标准设计,2004(5).

[3] 杨再道.大轴力桩基托换施工安全监测的研究[D].北京:铁道科学研究院,2003.

[4] 铁运函[2004]120号,铁路桥梁检定规范[S].