地铁下穿创业立交桥桩基托换施工技术研究

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(中铁建设投资集团有限公司,广东 深圳 518055)

1 工程概况

创业路立交桥位于深圳地铁5号线5302标翻身—灵芝站区间，其交通四通八达、流量密集，桥上部是PSCBOX形式，桥幅宽度为两车道，下部结构为单柱桥墩形式，桩基采用钻孔灌注桩，直径1.5 m，单桩承载力为5 000 kN。

该区间隧道采用盾构法施工，隧道穿越创业路立交桥，与其中的6个桥梁桩基础发生干扰，其中4个桩基要进行桩基托换，基本参数见表1。该区间隧道埋深约22 m，被托换桩基础所在地层依据初步设计图自上而下依次为: 素填土、粗砾、砾质黏性土、砂质黏性土、全风化花岗岩，地下水位埋深0.6～3.2 m。

表1 被托换桩基的基本参数桩号长度/m桩径/m桩端承载力/kN桩基形式I4I33.51.55 000柱桩 A19I19.51.56 500柱桩 G1I42.71.55 000柱桩 J1I35.061.55 000摩擦桩

受区间隧道影响的桥梁为双车道，宽9.5 m，上部结构为预应力连续箱梁，下部采用摩擦桩基，设计荷载汽车-超20级、挂车-120，施工期间采取未采取限行措施，但对桥梁实时监测，编制应急预案，根据监测采取对应限行或紧急措施。

2 桩基托换施工工艺

2.1 桩基托换原理

采用主动托换技术[1]，在原桩卸载以前，对新桩和托换体系施加荷载，使上部荷载转移到新加的托换桩上，从而部分消除被托换体系长期变形的时空效应，将上部的荷载的变形运用顶升装置加以动态的控制，通过主动变形调节来保证变形要求。

2.2 托换体系

立交桥采用主动托换体系，托换桩为钻孔灌注桩，托换梁为钢筋混凝土梁，利用水平托换大梁抱桩与既有桩成为整体，与托换桩结合构成承受上部荷载的受力体系。

图1 计算简图(单位：m)

2.3 托换桩梁设计

托换桩的桩长由以下4个原则共同确定：(1)满足桩顶设计承载力；(2)满足进入中风化层不小于0.5 m；(3)桩底标高不得高于隧道最低点以下1 m；(4)桩底标高不得高于既有桩底标高，避免桩对隧道结构产生有害应力。根据立交桥交通量计算，采用图1计算桩基托换桩的尺寸。

杆件要素计算是对于托换梁的内力及与既有桩基节点处位移进行验算，计算荷载为桥墩承载力、托换梁自重及覆土自重。计算结果详见表2。按照《混凝土结构设计规范》GB 50010—2002进行配筋计算和裂缝验算，设计托换梁为C50的钢筋混凝土矩形梁，截面b×h(宽×高)为3 000 mm×3 000 mm。

表2 桩基托换梁计算表截面托梁尺寸宽×高/(m×m)托梁柱节点变形/mm桩身压缩量/mm地基变形/mm梁剪力/kN柱轴力/kN梁弯矩/(kN·m)A19I3.0×3.04.94.20.74 4005 00019 520G1I3.0×3.05.14.30.85 2476 50019 537I4I3.0×3.06.25.40.84 3975 00016 574J1I3.0×3.04.63.70.95 5215 00012 633

2.4 植筋计算

为保证既有桩上的荷载能够传到梁上，对既有桩与托换梁进行有效连接。设计中考虑新旧混凝土间的抗剪力加植筋，共同承受上部荷载，植筋施工应满足《混凝土结构加固技术规范》[2]的要求。

2.5 托换梁与既有桩联结处承载力验算

根据国内工程经验数据，新老砼的粘结强度可达0.2fcA，其中，fc为砼的轴心抗压强度。按C50取fc=25.3×103kN/m2，新老砼的粘结面积为A=14.137 m2，新老砼的粘结强度为0.2×25.3×103×14.137=71 533 kN×60%=42 919 kN>6.5×103×1.25=8 125 kN，即满足规范要求。

考虑托换梁与既有桩的剪切摩擦力，计算所必要的钢筋量

Vn=Avffyuvn(1)

式中,Vn为抗剪强度;Avf为抗剪加强钢筋面积;fy为抗剪加强钢筋抗拉强度设计值;u为摩擦系数(0.6)，本次设计抗剪强度为6.5×103kN。

Avf=Vn/(fyu)=6.5×103/(300×0.6)=361.1 cm2<765.6 cm2，满足规范要求。

2.6 托换节点设计

为保证托换体系加载过程中桩和梁底的混凝土不被压碎，需要在桩顶和梁底设置钢垫板，同时为确保托换体系加载完成后，千斤顶能够顺利取出,托换体系能够继续保持稳定，从而顺利浇筑微膨胀混凝土，需要设置钢垫板、钢楔块。钢垫块施工前应对上下钢垫板进行定位、平整度检查，且须保证钢垫块与钢垫板接触密实饱满，四周与钢垫板点焊，以保证可靠连接。钢楔块施工完后同样要与钢垫板及钢垫块焊牢，以保证可靠连接。

3 盾构穿越桩基有限元分析

3.1 模型的建立

利用有限元结构分析软件[3]MIDAS/GTS，根据Mohr-Couloumb破坏机理，利用弹塑性原理分析计算。分析范围为隧道左右侧、下部3倍直径以上范围。模型纵向取30 m长，边界条件采用位移边界条件，计算模型约束条件为左右两侧、前后侧施加水平方向单位约束，下侧施加竖直方向的单位位移约束，上侧为自由端,计算范围满足盾构掘进开挖影响3～5倍直径范围，隧道开挖轴线方向0.5 m一个网格，模拟施工中的开挖步距，共有50 650个8节点6面体单元，54 264个结点，模型见图2。

图2 有限元模型

3.2 模型的建立

隧道施工引起的桩基周围土体位移，附加应力会引起桩基的附加变形和内力，桩基周围土体的沉降对桩基产生拖曳作用引起桩基沉降，降低其承载力。

由于盾构隧道处于较软的地层中，埋深较浅，初始应力场以自重应力场为主，一方面，由于桩基托换及受力体系的转换，桩基在纵向会发生位移;另一方面，隧道开挖引起的地层损失将引起隧道上覆土体向隧道内移动，土体的移动将影响桩基与土体的平衡，桩基在纵向发生位移。因此桩基托换及盾构隧道通过桥桩时，对引起桥桩的纵向位移过程进行分析，原地层状态下布置既有桩基础与桥墩，在桥墩上施加上部桥梁荷载的原始沉降如图3所示；在进行桩基托换受力体系转换后，桩基及托换梁的沉降云图如图4所示，桩顶最大沉降约1.5 mm。

图3 桩基托换前平衡状态 图4 桩基托换受力体系转换沉降云图

盾构向桩基推进时，由于盾构推力影响桩基与土的力学平整，在距离桩基8 m时，桩基沉降云图如图5所示，最大沉降为2.8 mm，盾构截断托换梁下部既有桩时，桩顶沉降最大为3.9 mm，如图6所示。

图5 盾构距离桩基8 m沉降云图 图6 盾构截断桩基沉降云图

4 盾构穿越桩基施工工艺

(1)施作钻孔灌注桩，与盾构隧道结构净距1.0 m以上。

(2)开挖托换梁基坑，施作素混凝土垫层。

(3)绑扎托换梁的钢筋，浇筑托换梁。

(4)托换桩与托换梁达到设计强度后，托换桩顶设置千斤顶，利用千斤顶完成荷载转换，并使托换桩沉降稳定。

(5)在既有桩与托换结构之间荷载转换基本完成的前提下，进行盾构推进施工，切断通过处既有桩基，调整盾构机姿态，避免盾构机偏心。

(6)盾构下穿过程主要通过掘进参数控制，结合地面监测反馈信息，加强同步注浆、二次注浆来确保盾构机能安全、快速通过立交桥段。

(7)盾构掘进结束后，通过施工监测，判断桩基沉降基本完成时，将千斤顶微量预顶后，实施托换梁与桩的连接。

(8) 盾构机顺利通过立交桥段后，应继续监测，直到沉降变形稳定。

(9)托换桩与梁连接之后，为避免托换梁连同既有桩沉降对盾构产生集中力，施做竖井截断既有桩，拆除范围应大于20 cm，其空间采用软土填充。

5 桩基托换施工监测

桩基托换是风险性、技术性很高的工作，同时也是依赖信息化程度很高的工作[4]。施工监测是决定工程成败的重要一环。根据城市轨道交通穿越工程的分类，该桩基托换工程实施二级安全风险管理，主要监测项目为桩基附加沉降及托换桩与相邻结构柱的沉降，控制值为8 mm和2 mm。

桩基托换的墩顶沉降监测如图7所示，最大累计沉降值6.4 mm，满足广深高速业主对沉降的要求，桩基托换钢筋应力监测如图8所示，随着托换的完成，钢筋受力稳步增加，达到设计的要求。

图7 桩基托换墩顶位移监测 图8 桩基托换钢筋应力监测

6 结论

目前创业路立交桥桩基托换工程已经完成，从施工以及监测情况看，桩基托换各工序及监测数据均在可控范围内，桥面道路交通未受任何影响。桩基托换作为一项成熟的施工技术，在深圳地铁5号线中通过做好荷载计算以及施工中的监测工作，在施工中重视工艺落实，达到良好的施工效果。

参 考 文 献

[1]梁韵,谭忠盛,李健,等.地铁下穿既有线和扩大基础桥梁施工方案研究[J].现代隧道技术. 2011,48(1):117-122.

[2]四川省建筑科学研究院.CECS25:90 混凝土结构加固技术规范[S]. 北京：中国计划出版社,1991.

[3]丁毓峰.ANSYS结构分析指南[M].北京：电子工业出版社,2011.

[4]闫国栋.地铁施工横通道转区间正线处下穿既有建筑沉降控制研究[J].石家庄铁道大学学报：自然科学版,2013,26(1):18-22,32.