二次托换技术在福州地铁紫五区间桩基托换中的应用

吴文亮, 王建军, 孙凡皓

(中交隧道工程局有限公司南京分公司, 江苏 南京 210000)

0 引言

近十几年来，随着我国城市地铁的建设，盾构隧道迅速发展，受城市空间和环境的限制，桩基托换应用的频率增多。目前许多学者对桩基托换技术运用状况及其核心技术机制进行了研究，如： 文献[1]对托换基础受力结构进行研究，综合多种工艺确保了单次体系转换的安全性； 文献[2]对桩基主动托换各阶段结构变形进行研究，验证了小空间内多个托换点同步实施的可行性； 文献[3]采用数值模拟方法对桥梁主体与被动托换进行研究，实现在不中断结构使用功能的情况下完成桩基托换； 文献[4] 采用有限元软件 MIDAS/GTS建立三维有限元模型，验证了桩基托换方案的可靠性； 文献[5-7]通过理论计算及经验对比确定桩基托换各工序的控制要点，得到了桩基托换在市政工程中的适用性； 文献[8-9]介绍了盾构下穿既有桥梁桩基的托换施工方法、适用范围、特点及应用实例。

以往的桩基托换多为单次体系转换法桩基托换，在复杂环境下，单次体系转换法应用尚有局限性。本文以福州地铁2号线紫阳站—五里亭站区间(简称紫五区间)工程为背景，针对该工程处于既有立交桥下、周边管线复杂以及交通压力大等难点，通过理论分析，在常规的单次体系转换技术基础上，研究并应用全新的二次结构体系转换法桥梁桩基托换施工技术。

1 工程概况

福州地铁2号线紫五区间沿主干道福马路布设，穿越五里亭立交桥，因为避让五里亭立交隧道，左右线分开，如图1所示。右线以R=350 m曲线下穿五里亭立交一处桥墩，接至五里亭站，全长874.24 m。在里程YCK31+784.5附近，五里亭立交D匝道141#桥墩(见图2)桩基侵入隧道，隧道顶埋深约 14 m。需托换的桥墩上部结构为3×15.75 m钢筋混凝土连续箱梁； 下部结构为薄壁墩配承台预制方桩基础，预制方桩的截面尺寸为40 cm×40 cm，桩长约32 m； 北侧距离老承台底部约1.5 m为DN1800污水干管，埋深3.1 m； 东侧距离老承台0.5 m为直径5.7 m的污水沉井，埋深1.2 m。

图1紫五区间平面布置

Fig. 1 Plan of layout of Ziyang Station-Wuliting Station Section

图2 D匝道141# 桥墩

根据区域地质资料及前期勘察成果，场地附近存在前第四纪以来的不活动断裂和晚更新世纪的活动性较微弱断裂，场地为可液化场地，场地内存在地面沉降和塌陷的可能。地层从上到下主要为〈1-2〉杂填土、〈2-4-1〉淤泥、〈2-4-4〉淤泥夹砂、〈2-4-5〉淤泥质中细砂、〈2-5〉中细砂、〈3-1〉粉质黏土、〈3-3〉中粗砂、〈3-8〉卵石。地下水主要赋存在杂填土及淤泥外的6层土中，该6层土在局部存在直接的水力联系，且承压水头高、埋深浅。

2 托换实施难点

1)新建的托换结构与既有桥梁连结困难，原有桥梁桩基为40 cm×40 cm预制方桩，旧桩偏位严重，导致托换大梁梁底纵筋施工困难。原有承台埋深约1.5 m，位于既有污水干管上方，空间极为狭小，难以施工。托换位置位于人行道及机动车道，与原有桥墩连接施工妨碍交通。

2)常规托换梁及托换承台实施困难，受污水干管及污水沉井限制，土体加固和围护结构施工困难，深基坑施工风险大、费用高，且工期无法保障。

3)因区间盾构掘进范围内基本为全断面的淤泥质粉细砂，设备选用土压平衡盾构配软土刀具，且承台下共有9根桩基，桩间距小，需提前处理掘进范围内的遗留障碍桩基。如采用常规的桩基托换方法，处理障碍桩基一般采用施工竖井方法破桩，施工风险与费用均较大。

3 二次结构体系转换法桥梁桩基托换施工技术

3.1 工艺流程

步骤1： 在区间隧道外新建钻孔灌注桩及承台，如图3所示。

图3 新建钻孔灌注桩及承台

Fig. 3 Sketch of new cast-in-situ bored pile and bearing platform

步骤2： 如图4所示，安装临时钢管贝雷梁支撑架，在千斤顶与箱梁之间设置橡胶垫，将千斤顶顶升至旧支座不受力。安装临时支座。卸下千斤顶顶升力，并将千斤顶保留到位，旧支座将不再受力，完成第1次体系转换。

图4 钢管贝雷梁临时支撑架

步骤3： 拆除既有墩身、承台，拔除障碍桩基，如图5所示。

图5 拆除既有墩身、承台，拔除障碍桩基

Fig. 5 Existing pier body and bearing platform and barrier pile foundation removing

步骤4： 浇筑后浇承台与两侧承台，连接成新承台，如图6所示。

图6 浇筑后浇承台

步骤5： 浇筑新桥墩，如图7所示。千斤顶顶升至临时支座活动不受力状态，临时支座应原位保留，安装永久支座。千斤顶卸载，并保留原位。密切监测，移除临时支座，完成第2次体系转换。

图7 浇筑新桥墩

步骤6： 拆除临时支撑体系，恢复路面并开始盾构掘进施工，如图8所示。

图8 拆除临时支撑体系

3.2 二次托换工艺

3.2.1 新建桩基及承台

在区间隧道外新建钻孔灌注桩，采用常规回转钻机成孔灌注施工。在施工过程中注意控制泥浆护壁性能，并监控周边老桥及管线沉降。之后在钻孔桩的顶部浇筑2个单桩承台，作为临时支撑体系支架的基础和永久托换梁的一部分[10]。

3.2.2 临时支撑体系及同步顶升体系转换

3.2.2.1 临时支撑体系

在新建承台上搭设临时支撑体系，通过大直径灌注桩、钢管柱和贝雷梁组成临时支撑体系。施工过程中通过预埋件使钢管柱与灌注桩刚性连接，增加体系水平抗剪能力。在钢管柱、贝雷梁等构件外侧增设限位防撞装置及警示装置，履带吊增设回转、起吊角度限位装置。

采用MIDAS软件建立临时支撑体系模型(见图9)，计算临时支撑体系结构变形量和钢管竖向受力，结果如图10和图11所示。支撑体系贝雷梁受力间距L=8.16 m，贝雷梁最大位移14.1 mm≤L/400=20.4 mm，满足要求。钢管(630×10)最大应力为15.88 MPa，最小应力为-91.77 MPa，均小于[σ]=215 MPa，满足要求。

图9 临时支撑体系模型

图10 模型变形云图(单位： mm)

图11 支撑钢管受力云图(单位： MPa)

3.2.2.2 托换梁施工控制措施

1)材料机具控制措施。①采用PLC同步顶升控制系统(见图12)，实现力和位移控制、操作闭锁和过程显示。通过对油缸进行特殊处理，使千斤顶独特的支撑设计可承受油缸承载能力10%的侧向负载。②针对本桥梁情况，设计确定的相对位移限值为10 mm。③千斤顶采用YZL150-100型自锁式千斤顶，行程为10 cm，最大吨位为150 t。该处桥墩托换梁采用4个千斤顶顶升(见图13)，千斤顶支撑于桥梁斜腹板处(见图14)，与箱梁间设置橡胶垫。

1—电动液压泵站； 2—触摸屏和PLC控制器； 3—双作用(单作用)液压千斤顶； 4—位移传感器； 5—高压软管； 6—位移传感器电缆； 7—电磁控制器； 8—压力传感器。

图12 PLC同步顶升系统

Fig. 12 PLC synchronous lifting system

图13 托换梁与临时支座节点布置

Fig. 13 Layout of joints of underpinning beam and temporary support

2)托换梁顶升技术控制措施如下。

顶升装置检验合格后进行试顶加载，千斤顶按设计的行程同步顶升，起梁速度控制约为每毫米3 min，同时观测梁体起顶高度和千斤顶的起顶力，实施双控。

称重预压： 预顶按压力和位移双向控制，并以压力控制为主，分3个阶段。每次预顶后，对支撑系统的沉降、变形进行检查和记录，对千斤顶的位置、传力设施的固定进行检查，如有问题立刻调整，再重复上一步操作，直到支座不再受力，整个上部结构处于悬浮状态时，停止抬升。根据压力值(可通过显示器读数或根据油压值计算确定)，得出梁体实际质量，再根据梁体实际质量确定顶升力。

图14 托换梁节点布置(单位： mm)

顶升： 根据称重的结果，确定准确的顶升吨位，重新确定千斤顶的个数和吨位。完成顶升前的作业后，启动油泵，通过控制器和换向阀，调整双作用千斤顶，使千斤顶缓慢上升，逐级施加预顶荷载，通过分析同步监测数据，动态化指导预顶力的荷载施加。托换桩支架千斤顶同步分级加载，每级加载持荷10 min，预顶力达到设计值后稳压30 min，监测托换体系构件的变形及梁体裂缝发展。施工完成且监测数据反映托换体系稳定后，方可抽出原有支座，并落梁至临时支座。

3)托换梁顶升安全控制措施。整个顶升过程严格对老桥及支撑体系变形和受力进行监控，监控结果及时反馈。第1次体系转换后要持续观察24 h，查看临时支撑系统及原桥结构的安全性，确保没有异常情况再进行墩台的拆除工作。充分考虑外部干扰，采用附着式挠度计、高灵敏应力应变计及角度计等监控元件进行监测。

3.2.2.3 体系转换

1)体系转换流程如图15所示。

2)安装临时支座，搭设临时支撑体系，如图16(a)所示。顶升完毕后，关闭千斤顶锁定阀门，安装D400×69橡胶临时支座。

3)拆除旧墩身、承台及桩基础结构，如图16(b)所示。通过临时支座支撑箱梁，使既有桥墩不再受力后，在旧桥墩周围设置防护挡板，采用绳锯切割方式拆除旧桥墩，之后采用破碎机凿除既有承台，最后采用全回转钻机拔出障碍桩基础。施工过程中在临时支撑体系上设置防护软垫，避免机械与硬物冲撞带来损害。

4)新建桥梁下部结构，如图16(c)所示。拆除旧墩身、承台及桩基础结构后，对邻近污水管进行保护，并在此区域进行钢筋加密。通过后浇的方式，将临时支架下的2个新建单桩承台连接成一个整体，然后在原桥墩位置上恢复桥墩。

5)回落，完成体系转换，如图16(d)所示。新的永久支座安装完成后，控制顶升系统逐渐下落，落梁控制与顶升相同。打开千斤顶锁定阀门，同步缓慢回落梁板至安装好的支座，详细检查垫石及支座，确认压紧密贴及位置正确后，撤除顶升系统。

图15 顶升体系转换流程图

(a) 临时支撑体系搭设

(b) 拆除既有桥梁下部结构

(d) 完成体系转换

(d) 完成体系转换

图16二次托换技术现场实施照片

Fig. 16 Site construction photos of secondary underpinning technology

3.2.3 监测监控

同步顶升施工前对相应的上部和下部结构进行全面的检测，了解桥梁结构的现状，避免因既有桥梁存在的病害增加顶升施工的风险。在施工后也需进行全面检测，与顶升施工前进行比较，以判定施工的相关影响。

桥梁的同步顶升需要逐级完成，对桥梁顶升过程中的整体轨迹、整体姿态和结构应力进行实时监测，监测内容包括桥面线形、梁底应变、墩底沉降、托换体系相对位移和邻近桥墩沉降等，主要监测内容如下： 1)主梁在顶起点的竖向位移和水平位移，主膜端部、横隔板顶部、桥底及桥面的应力。2)梁肋垂直裂缝及梁端斜裂缝的发展。3)桥梁伸缩缝的伸缩变形。4)顶进过程中既有桩基、托换桩、高架桥的沉降，托换梁形变和裂缝发展。5)临时支撑体系倾斜和沉降。

正常情况下监测的频率为2次/d，顶升过程中为4次/d。特殊条件下，在第1周监测频率为1次/d，第2周为1次/2 d，直到稳定。主要监测点布设如图17—21所示。

图17 桥面线形测点布置平面图

图18 梁底应变测点布置平面图(单位： cm)

Fig. 18 Plan of layout of monitoring points on beam bottom (unit: cm)

(a) 平面图

(b) 立面图

(a) 立面图

(b) 平面图

图21 邻近桥墩静力水准仪观测点布置

Fig. 21 Layout of monitoring points on static force level close to bridge pier

4 二次结构体系转换法桥梁桩基托换特点分析

4.1 安全风险可控

二次结构体系转换法桥梁桩基托换只需开挖施工单层托换承台，开挖深度由常规托换的6～8 m减小为3～4 m，可降低不良地质条件下深基坑施工风险。而且能彻底清除遗留的障碍桩基，不需要采用复合土压平衡盾构磨桩或施工竖井破桩，规避了盾构带压开舱或竖井地下破桩作业的风险。

4.2 施工方便

该托换技术主要采用地上常规桥梁结构和钢管贝雷梁临时支撑体系施工，不需要复杂的基坑支护。主要的临时支撑体系构件可以制作完成后进场拼装，施工便捷，占地范围小。

4.3 节约投资

二次结构体系转换法桥梁桩基托换不需要深基坑施工，能节省大量深基坑支护或竖井费用，尤其是在类似福州地铁2号线紫五区间高承压水软土地质、存在不可迁改障碍物、不宜实行破桩时，成本节约效果更为显著。此外，该托换技术主要的临时体系构件为钢结构，可重复利用。

5 体系转换法桥梁桩基托换实施效果分析

对五里亭立交桥桥梁裂缝变化、梁底位移、桥墩沉降、托换体系位移等进行监测，结果如图22—26所示。可知： 在信息化施工系统的监测数据反馈下，通过同步顶升对既有桥梁桩基进行二次体系转换，桥梁回落后，桥梁裂缝最大为2 mm、梁底最大位移为3.9 mm、墩底最大沉降为3.8 mm、托换体系最大位移为24 mm、邻近桥墩最大沉降为1.2 mm，可知该托换技术对既有桥梁的影响很小，保证了既有桥梁的安全质量及使用功能。

图22 既有桥梁裂缝监测曲线(2016年)

图23 梁底位移监测曲线(2016年)

图24 墩底沉降监测曲线(2016年)

图25 托换体系位移监测曲线(2016年)

图26 邻近桥墩位移监测曲线(2016年)

6 二次结构体系转换法桥梁桩基托换效益分析

对比福州地铁2号线紫五区间右线桩基托换工程采用二次结构体系转换法桩基托换与常规桩基托换的经济和社会效益，结果如表1所示。可知： 在本工程中，采用二次结构体系转换法进行桩基托换施工，克服了周边环境复杂的影响，规避了盾构带压开舱和破桩的风险，工期缩短2～3个月，费用节省约50%。

表1不同桩基托换方案效益分析

Table 1 Benefit analysis of different pile foundation underpinning schemes

托换方案主要工艺施工风险工期/月费用/万元备注 二次结构体系转换法 利用同步顶升系统顶升梁体实现体系转换,置换整个桥梁下部结构,清除障碍桩较小3～4234 需搭设临时支撑体系 常规托换梁托换、盾构破桩 利用托换梁间千斤顶实现体系转换,只置换桩基。需对地层进行满堂加固应对带压开舱风险,盾构破桩较大4～5 157+140(加固)+168(掘进增加) 复合土压盾构相对土压盾构每米掘进增加约0.2万 常规托换梁托换、竖井破桩 利用托换梁间千斤顶实现体系转换,只置换桩基。开挖23 m深竖井破桩大6～8 157+300(竖井费用)

7 结论与建议

桩基托换工程的施工环境一般相对复杂，地质条件、水文条件、周边管线、建(构)筑物及场地条件等变化多样，具有工序多、场地受限、干扰大等特点，施工时往往在安全控制、工期、成本等方面要求较高。以福州地铁2号线紫五区间右线托换工程为背景，研究全新的二次结构体系转换法施工技术，应用结果表明，桥梁裂缝最大为2 mm、梁底最大位移为3.9 mm、墩底最大沉降为3.8 mm、托换体系最大位移为24 mm、邻近桥墩最大沉降为1.2 mm，采用该托换技术对既有桥梁的影响很小，保证了既有桥梁的安全质量及使用功能，降低了施工风险，保证了区间盾构的顺利掘进，可为类似工程提供参考和借鉴。

本工程采用的二次托换技术利用移动式同步顶升系统，在结构使用后期不具备补偿功能，当因新建的永久桩基与原有桥桩出现沉降差或其他原因造成支座脱空时，只能依赖原始的支座塞入支垫或更换处理。后续类似工程建议考虑在托换梁中设置预应力，采用波纹管预留成孔并留置备用束，当支座脱空时张拉备用束，同时可增加托换梁二次浇筑的结构可靠性。