深圳地铁3号线广深铁路桥桩基托换技术

陈安生,吴 义

(1.湖南交通工程职业技术学院,衡阳 421001； 2.深圳广铁土木工程有限公司,深圳 518000)

1 工程概况

1.1 位置概况

深圳地铁3号线红岭站—老街站区间隧道在和平路与解放路交汇处穿过广深铁路既有线桥基。该铁路高架桥为四线桥,需要对18-1号～18-4号共计4个桥墩的基础进行托换。平面位置如图1所示。

图1 工程平面位置

1.2 高架桥与重叠隧道概况

高架桥基础为四桩承台,其中1～3号铁路线的18-1～18-3号各桥墩基础为4根φ550 mm的打入式预制管桩,桩顶承台厚度2 m,桩尖埋置深度18.357～20.027 m,桩端为砂性黏土； 4号铁路线的18-4号桥墩基础为φ800 mm的钻孔灌注摩擦桩,桩顶承台高1.5 m,为连续刚构的主墩。该处区间隧道为盾构施工的上下重叠隧道,下层隧道埋深约25 m,上下隧道净距最小为1.60 m。如图2、图3所示。

图2 托换体系平面示意

图3 托换体系横向剖面示意(A-A剖面)(单位：mm)

1.3 地质和水文概况

托换场地为第四系地层,自上而下依次为全新统人工堆积层(含素填土、粉质黏土、中砂、圆砾、碎石等)、海冲积层(依次为淤泥质粉土、黏土、粉砂、中砂、粗砂、砾砂、圆砾等)、下伏花岗片麻岩及花岗岩,按风化程度分为全风化、强风化、中等风化和微风化等4个风化带。

桩基托换工程点距布吉河100～130 m,地下水位高(埋深为2.4～6.5 m)且水量丰富,渗透性强,渗透系数最大为30 m/d。场地主要含水层自上而下的埋藏形式为：第四系海冲积细中砂层、砾砂层等松散土层孔隙水,主要由大气降水和邻近河水补给；赋存于基岩裂隙水,含水量相对较少,透水性相对较弱。

2 工程特点与托换方案

2.1 工程特点

根据工程所处的地理位置、地质与水文条件、结构设计、工程规模、结合施工工艺及施工经验分析,本工程具有以下主要特点。

(1)工程所处地层构造复杂,地下水位高且含量丰富,尤其深入地下约25 m的托换桩深度范围内分布有较大厚度的砾砂层,渗透性强,地下水力联系紧密,对工程施工尤其对托换桩和截桩的施工带来很大难度。

(2)本工程托换的铁路桥桩基,为φ550 mm预制管桩和φ800 mm钻孔灌注摩擦桩,上部3座桥梁为不同时期修建,结构均是低高度的部分预应力混凝土连续梁,对墩顶竖向位移特别敏感,警戒值为5 mm,变形稍大必将影响到整联连续梁。

(3)铁路高架桥上列车行车时将会产生很大的振动荷载,在不中断、不影响列车正常运营的条件下,必须保证桥梁结构在其基础施工时不产生破坏性变形,同时要防止施工过程中列车振动荷载影响托换梁与被托换桩承台粘结面混凝土的整体性。

2.2 托换方案

(1)采用主动托换方案

根据工程地质条件、结构状况、使用环境要求分析,决定采用主动托换方案。在每个桥墩承台底设置一条托换梁固结在隧道两侧新设桩的桩顶,新桩与托换梁在固结前采取主动托换技术进行荷载转移。其基本原理是：在托换梁与新设桩之间设置千斤顶加载,使上部结构有微量顶升位移,同时使新桩的大部分位移通过顶升的预压来完成,从而通过主动加载实现将作用在原结构旧桩上的荷载经托换梁转移到新桩。

(2)设置临时钢支架

为防止铁路高架桥上列车行车时产生的振动荷载影响托换梁与被托换桩上承台粘结面间的混凝土结硬过程中的整体性,并保证施工过程中不因旧桥墩基础可能产生的下沉影响上部桥梁的结构安全和运营安全。在基坑开挖及新桩施工前对托换基础的梁跨在桥墩两侧设置临时支架进行支撑,并在临时钢支架立柱顶部放置特制的D12型钢纵梁,铁道钢轨下穿扣轨横梁将上部钢轨架空脱离桥面,扣轨横梁与纵梁吊扣连接。这样施工段桥跨线路上列车通过时的大部分动荷载直接由扣轨横梁承受,再通过钢纵梁传至临时钢支架上,将线路上的列车动载与桥梁恒载分离。其次,通过设于临时支架上的千斤顶按照设计顶力加载托起桥梁的上部梁部,将上部梁部荷载转移至临时支架。这样便实现了列车运行动载和上部梁部荷载对既有桩基础的影响减至最小。如图4所示。

(3)新桩与托换梁结构

桩基托换充分利用桥下空间,并开挖一约长23.8 m,宽15.6 m、深6.2 m的基坑作为施作空间,基坑支护结构采用2排φ600 mm钻孔灌注桩+1排φ600 mm旋喷桩,并在坑壁喷射混凝土护壁。因托换的新桩距既有承台最近不足3.0 m,为确保不影响广深铁路的正常运营,确定新桩采用人工挖孔桩,共10根。其中广深1～3号线每条托换梁(L1～L3)下设桩径2.0 m的新桩2根,共6根；广深4号线托换梁(L4)下设桩径1.5 m的新桩4根。桩长约为22 m,桩身混凝土强度等级C30,持力层为花岗片麻岩。

托换梁设于既有桥梁承台下方并与既有桥梁承台固结,采用钢筋混凝土结构,共4片梁(L1～L4),详见图2。大梁混凝土强度等级C40,尺寸分别为：L1～L3的长×宽×高=13.4 m×4.0 m×2.4 m,L4的长×宽×高=13.0 m ×4.8 m×3.0 m。

3 施工工序

桩基托换主要施工工序为：托换基坑围护结构及止水帷幕旋喷桩施工→临时钢支架施工及扣轨→既有桥梁体顶升→新托换桩施工→开挖托换基坑→托换梁施工→千斤顶顶升→托换桩、梁连接→切断既有桩→拆除扣轨和临时钢支架、拔出地铁隧道盾构影响范围内的钢管桩→基坑回填,地面恢复。

4 关键施工技术

4.1 线路加固及扣轨施工

本次线路加固主跨纵梁采用在厂家特别加工的D12定型便梁,扣轨时1～3号铁路线上把3组D12定型便梁连成36 m长的连续梁,4号线上把4组D12定型便梁连成48 m的连续梁。横梁宽度为0.21 m,两端通过连接板及牛腿与纵梁定位相连,横梁上设有若干孔眼,以便于安装扣件,固定钢轨。在横梁底通过节点板设置斜系杆以增强其整体稳定。

(1)临时钢支架基础 采用φ299 mm×8 mm,桩长为27.0 m的微型钢管桩。为不造成桥墩范围内地下水的变化,其基础施工安排在基坑支护及止水帷幕旋喷桩施工完成后进行,并尽量减少对既有高架桥待托换管桩基础的影响。微型钢管桩采用XY-200型地质钻机钻孔,BW-150型高压注浆泵注浆,桩顶深入桩顶承台内400 mm。在桩顶承台上预埋钢板和锚栓,为后面钢管立柱的安装做好准备。钢板厚30 mm,预埋锚栓为φ28 mm(4号线上为φ32 mm)。锚栓位置必须准确、牢固,确保浇筑桩顶承台混凝土时不位移。在后续开挖托换基坑时,由于临时钢支架承台下的钢管桩基础也将会暴露,因此必须随挖随将各钢管桩焊连在一起,以增强钢管排桩的共同受力与稳定性。

(2)钢立柱的架设 采用支架进行安装。用吊机起吊构件卸至桥面投影范围外后,人工移至安装地点附近,然后在其上方搭设支架、安放横梁挂起重拉链滑车,将其扶直与基础进行焊接与锚固。

(3)钢横梁安装 按照先安装横梁,再安装纵梁的施工工艺进行。为节省横梁安装时间,预先准确定出横梁位置,将与横梁位置有冲突的轨枕位置进行调整。在确保横梁能穿进的条件下尽量减少扒开道砟的数量,以减少对既有线路的扰动,为利于纵梁安装,确定横梁摆放位置与高程准确无误后,用定位角钢将横梁定位,再安装橡胶垫及横梁与铁轨连接扣件,通过垫片来调整钢轨的高程；并在横梁顶与钢轨底之间垫上木楔调整线路方向、高程,以防轨枕下沉时及时调整、捣固线路。

(4)D12型钢纵梁安装 在临时钢支架立柱顶部安装特殊加工的可以连续的D12型钢纵梁,纵梁最大长度48 m,质量达21 t。为解决对位问题,将其分成两节拼装,并在钢立柱上焊接钢筋帮助对位。纵梁就位后,与钢立柱件采用焊接连接,防止纵梁在回填道砟捣固、列车侧向推力下产生偏移。

(5)纵横梁联结 D12型梁纵横梁联结采用固定的配件,由于斜杆安装在横梁底,扣轨时无法安装,可考虑清除道砟后安装,增强横梁的整体性；在横梁各钢轨之间安设绝缘垫板,并插打薄木夹,确保轨顶高程与扣轨前一致,并每隔2.0 m设置一道轨距杆。

4.2 既有承台植筋

因铁路高架桥原桩基础为φ550 mm预制管桩和φ800 mm钻孔灌注摩擦桩。根据预应力管桩的特点,不能对其进行植筋处理,故只能在承台下部进行植筋。为加强既有承台与托换梁间的连接,另在承台两侧植筋并新浇300 mm厚钢筋混凝土加强拉结层。如图5、图6所示。承台植筋要求如下。

(1)施工时将管桩与托换梁的接触面的杂物清除,用清水和钢丝刷洗刷干净,并且凿毛处理,以利于托换梁和旧桩之间的结合。

(2)设计植筋规格为φ25 mm钢筋,长度500 mm,锚入承台内250 mm, 植筋步骤为：①植筋前须仔细凿除既有桩承台底混凝土表面的水泥砂浆和松弱层；②在承台下用电动冲击钻孔机钻孔至设计深度,并注意避开承台钢筋,钻孔均向同一方向布置；③用空压机的风管对准钻孔将残留的灰尘吹出；④用尺寸比钻孔直径稍大一点的钢丝刷对钻孔进行清刷；⑤用空压机风管进行二次吹灰；⑥带水进行二次清刷；⑦用吸水强的干布,将孔内水分吸干；⑧将锚固剂塞入孔中,将已除锈、干净无油污的钢筋塞入孔中,并将孔口锚固剂抹平。

图5 既有承台植筋构造(单位：mm)

图6 既有承台四周新浇混凝土配筋(单位：mm)

4.3 桩基主动托换顶升

(1)顶升准备 本工程托换桩顶升加载系统包括千斤顶和钢支垫等。如图7～图9所示。每个桩顶横梁上各放置2台YSD500t的千斤顶,而钢支垫则是由“矮钢支墩+各种厚度的钢板+特制的螺丝端杆钢支垫”组成。它一方面可随着千斤顶的顶升同步上升或作升降微调,当千斤顶出现回油或故障时,能起临时支承作用；另一方面托换荷载转换完成后,便于千斤顶的置换取出,能起到永久支承作用。在浇筑托换桩顶横梁及托换梁前,分别在横梁顶面、托换梁底面放置千斤顶和钢支垫部位各预埋20 mm厚钢板并预先通过钢筋连接锚固在梁内钢筋上,定位牢固并确保钢板面平整。桩顶横梁及托换梁施工完毕且达到设计强度后,即可进行顶升加载准备。施工时首先测量复核各千斤顶和钢支垫、千斤顶的顶面和底面高程。将千斤顶调节到与上下钢板密贴的高度。本工程桩顶横梁与托换梁之间垂直距离为650 mm,支垫设计高度为640 mm,剩余的10 mm空间和顶升位移一起通过支垫上的螺丝端杆上的螺母进行调整。安装时务必保持千斤顶、支垫的顶升力与水平托换大梁垂直,与桩基的轴线一致。

图7 桩基托换顶升剖面示意(单位：mm)

图8 1～3号铁路线18-1～18-3号桥桩基托换顶升构造(B-B剖面)(单位：mm)

图9 4号铁路线18-4号桥桩基托换顶升构造(C-C剖面)(单位：mm)

(2)顶升托换

将旧桩上的荷载安全地转移到托换新桩上,是桩基托换成功的关键。本工程根据设计要求的最大顶升力分别为6 973 kN(广深1～3号线桥墩)和7 643 kN(广深4号线桥墩),施工前对实际轴力进行测试验证。分12级逐步施加顶升力,前80%的荷载按8级进行加载,每级递进10%；后20%的荷载按4级进行加载,每级递进5%。为保证梁体的平衡稳步上升,前8级的每一级加载在2 min内完成,持荷时间为15 min,具体施加时间及持续时间须结合现场量测,以新桩的沉降速度(≤0.01 mm/min)为控制标准；后4级加载通过2个方面来进行控制：一是每级加载的持荷的时间增至30 min以上；二是新桩的沉降速率≤0.01 mm/min。每个桩帽的2个千斤顶由一个油泵控制,即2台油泵分别控制4台千斤顶实施统一操作,同步顶升。千斤顶顶升的高度可以通过螺丝端杆上螺母旋转上升或下降的多少和精密水准仪观测来进行双控。当千斤顶顶升到所需要的荷载后,并且监测到桥梁和托换桩基础的沉降达到一定的稳定甚至不再沉降时,即将油泵锁死,将螺丝端杆上的螺母旋转到位,使钢支垫顶紧托换梁底。支垫全部顶到位后,再用粗钢筋将预埋钢板与支垫底板临时焊在一起,将支垫固定在桩帽上,防止作业时支垫发生位移。这时方可启动油泵,使千斤顶回程复位,撤消千斤顶。最后连接托换桩顶横梁以及托换梁之间的钢筋,浇筑桩梁间混凝土,而位于桩梁之间的钢支垫则不再取出。

(3)顶升监测 对托换梁进行顶升过程中,随着千斤顶活塞的推出,各部分变形、受力的顺序是个复杂的过程,为保证“主动托换”的效果,在顶升过程中,千斤顶顶力与所有结构的应变监测是确保托换成功的关键,顶升托换梁时,必须以设计顶力作为最基本的参考依据,确定每个千斤顶允许压力限值,将顶升力控制在允许范围内。以墩柱顶部位移与管桩的应力变形作为关键控制对象。被托换桥墩底上抬量大于2 mm或最大裂缝宽度大于0.15 mm时应停止加载,并同时检测结构应力。在每级顶升过程中,监控顶升产生的同步差值,并在下一级及时调整,使每一级顶升差值控制在允许范围内,防止差值积累超限,实现同步均衡顶升。

4.4 切断旧桩

为避免隧道开挖施工过程中对既有桩产生附加力进而影响上部高架桥结构,防止既有桩对地铁衬砌结构的影响，以及降低地铁运行时的振动躁声,桩、梁结构主动托换完成、桩帽与托换梁之间的刚性固结完成并达到强度承受所有荷载,全面观测沉降稳定后,应将桥墩旧基础桩和临时钢支架下地铁隧道盾构影响范围内的钢管桩彻底清除。

图10 截断旧桩基坑施工作业面示意

截桩前需对原桩、承台、托换梁、新桩等的沉降和位移进行全方位监测,各测点全面进行一次初始读数,为施工过程中随时掌握变形发展趋势作指导,做到信息化施工。截桩使用无振动的切割机,旧桩截断工艺是：待托换梁施工完成后,直径为550 mm及800 mm的原桥桩分别采用内径为1.20 m、1.50 m的挖孔形成截桩作业操作面,如图10所示。挖孔护壁采用直径12 mm的玻璃纤维筋,桩的截除位置在梁底以下500 mm处,先用红油漆沿桩周划出一圈水平的切割线,每个承台下截桩作业分二批每批2个桩,按点对称程序进行。先沿桩周开一条深100 mm、宽200 mm的断口,在此过程中钢筋不断,同时观测各个测点的位移、沉降变化情况。如果托换梁的最大下沉量大于2 mm,则通过千斤顶加载调整桥墩柱顶与高架桥之间的支座,控制其沉降值满足要求。每一次切割深度为不超过100 mm,由外向内、层层剥离,将桩身混凝土全部凿除后再截桩身钢筋。

截桩完成后,拔除临时钢支架下地铁隧道盾构影响范围内的钢管桩,用C10的混凝土回填,恢复路面。

5 施工监测

根据设计施工图的技术要求,施工技术人员对既有铁路桥的结构特点和桩基托换的各项技术参数进行了充分论证,在托换前根据工况并考虑各种初始因素,对结构进行变形、荷载计算模型分析。

在施工过程中,根据高架桥结构特点、工程地质条件及主要表现元等因素综合考虑布点,由监测单位对桥梁既有状态及各施工工况下的墩台竖向和水平位移值、托换结构的应变增量和位移,托换大梁挠度和新桩沉降进行了全过程严密监测,结果表明各项实际变形值远小于设定的预警值,证明托换结构是稳定的。

6 结语

桩基托换是一种较为新颖的力系转换施工方法。在铁路运营干线上不中断行车,桥上列车正常运行的条件下按施工方案进行本铁路高架桥桩基托换,取得了成功。但在既有铁路线上进行高架桥桩基托换,涉及的施工项目较多,施工中存在诸多不确定的影响因素,对技术、工艺要求很高,尚需我们在实践中进一步总结。

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