基于上部结构体系转换法的桥梁桩基托换技术分析

季 国 富

(福州轨道交通设计院有限公司， 福建 福州 350000)

目前我国地铁建设正处于快速发展阶段，地铁盾构区间有时难以避免会与既有桥梁桩基发生空间位置冲突，此时所采用的处理方式一般分为两种：一种为拆桥重建，将新桥的桩基避开盾构区间布置；另一种为保留桥梁，仅对发生空间冲突的桥梁桩基进行托换[1-3]。通常拆桥重建方案投资大、周期长，特别是对周边交通影响大。因此桩基托换往往成为首选方案[4-5]。

现有关于桩基拖换的研究中，王方宇等[6]介绍了多跨连续梁桥桩基托换的方案和难点，结果发现桩基托换能够使力的传递路径变得简单、施工变得简便，同时对地铁盾构开挖影响小。李文等[7]通过对地铁车站高架桥墩下的桩基托换过程进行监测发现，桩基托换过程埋置监测点能够有效提高工程的安全度，同时能够通过现场监测数据的回归分析结果，了解整个施工过程的危险位置。李琳等[8]以西安地铁二号线桩基为研究对象，通过开展缩尺渐进式重复静力加载模型试验得到，托换大梁具有很高的承载能力且延性较好。李洪庆[9]分析了某盾构隧道穿越桥梁的桩基托换过程，系统地介绍了桩基托换的施工工艺、顶升技术和监测等方法。

从现有国内资料来看，传统的桩基托换都是仅针对桥梁下部结构进行体系转换，主要施工均在地面以下进行[10-16]，存在基坑开挖大、施工风险高、施工难度大、工程费用高、旧桩基无法拔除等一系列问题，使得桩基托换成为一种高风险的施工作业。

针对上述问题，笔者对桩基托换进行了研究，提出了一种新的桩基托换方法，能够全面解决传统托换方法中存在的问题。经工程实践检验，效果良好。

1 桩基托换方法介绍

1.1 传统桥梁桩基托换方法

传统桩基托换是从下部结构体系转换进行桩基托换，即采用新建桩基(布置在盾构区间外)和新建承台顶托原桥承台，然后割断旧桩基，将旧桩基的荷载转移到新桩基上，实现桩基托换。以福州地铁2号线五里亭立交为例，如图1所示，具体步骤为：(1) 施做新桩基①；(2) 施做围护桩及围护内地基加固②，开挖基坑；(3) 在新桩顶施做顶升平台③；(4) 施做新承台④；(5) 在顶升平台上顶升原桥⑤，将原桩基荷载转换到新桩基上；(6) 切断原桥桩基⑥；(7) 浇筑固接顶升平台与新承台间的区域⑦；(8) 回填基坑⑧，托换施工结束；(9) 盾构通过。

从图1还可以看出，传统桩基托换施工全部都在地面以下进行，使得传统桩基托换方法存在以下主要问题：

(1) 基坑围护及开挖工作量大。新建承台要布置在原承台之下，顶升平台要布置在新承台之下，使得基坑开挖深度较大。对于地下水较浅且表层多为软土的地区，需要设置较强的围护结构、围护防渗漏水措施和围护内地基加固措施。

图1传统桩基托换方法步序图(单位：cm)

(2) 基坑开挖对原桥基础受力影响大。由于基坑开挖较深，原桥桩基暴露较多，桩基摩擦力和侧向约束都有一定损失。

(3) 新承台施做困难。新承台局部在原承台下面，且要穿过原桥桩基，实施难度非常大。在承台穿越旧桩基的地方，承台钢筋无法贯通，承台的有效截面受到很大削弱。

(4) 顶升施工难度大。顶升操作位于新承台下面，空间局促，且为克服上部恒载、桥墩和新承台恒载、原桥桩基摩擦力等因素需要较大的顶升吨位较大，从而使得顶升施工难度较大。

(5) 顶升稳定性差。顶升力要通过新旧承台和桥墩才能传到梁底，传力长度大使得顶升稳定性差。

(6) 顶升对原桥的保护不易控制。由于顶升力受原桥桩基负摩阻影响，原桥梁底位移和顶升力之间无法预先建立明确的对应关系，较难对原桥进行保护。

(7) 切断和破除原桥桩基施工难度大。在新承台下施工，操作空间局促。如果不能彻底破除原桥桩基，盾构通过时需用刀盘切断这些被托换的旧桩基，造成盾构施工难度大、风险高。

1.2 上部结构体系转换进行桥梁桩基托换新方法

1.2.1 新方法施工步骤

在对传统桩基托换方法进行深入研究的基础上，笔者及设计团队提出了从上部结构体系转换入手进行桥梁桩基托换的方法。

喜姑答应着，赶紧换了一件衣服，出门一瞧，宝刚爹早已不见了踪影。她径直往香娭毑家里走去。老远就看见香娭毑坐在屋前小坪里，与她坐在一块的，还有桂娭毑，桃娭毑，这让喜姑颇感意外。

如图2所示，利用临时支架替换需要处理的桥墩托住梁体，将旧桥墩、承台、桩基清除，施做新承台和桥墩，实现体系转换。此方法与更换桥梁支座类似，具体步骤为：(1) 盾构区外施做新桩基①(与传统方法一致)；(2) 施做围护结构，开挖基坑，施做承台②；(3) 利用承台②搭设临时支架③；(4) 利用临时支架顶升梁体，采用临时支座(放在临时支架上)替换永久支座，将上部结构箱梁永久支座反力④通过临时支座和支架传递给新桩基；(5) 拆除原桥墩及承台⑤；(6) 拔除原桩基⑥；(7) 开挖基坑，连接承台1为一个整体承台⑦，此承台像一根根扁担梁；(8) 浇筑新桥墩⑧；(9) 再次顶升⑨，采用位于新桥墩上的永久支座代替临时支座，实现桥梁上部反力由临时支架转至新桥墩；(10) 拆除临时支架，恢复场地，托换施工结束；(11) 盾构通过。

图2上部结构体系转换法桥梁桩基托换步序图

从图2还可以看出，新方法与传统方法解决问题的思路不同。传统方法思路简洁，采用“地下的问题地下处理”的思路。新方法采用迂回策略，采用“把地下的问题转移到地上处理”的思路，将主要施工集中在地面以上。新方法的巧妙之处在于，充分利用新建桩基搭设临时支架，既保证支架基础的稳定，又在第一次顶升时对新桩基进行了实际荷载的检验。

两种方法主要工序优缺点对比见表1。可以看出，尽管传统方法存在施工工序略少等优点，但在施工难度、施工风险、施工可控程度等方面不如新方法。新方法虽然施工步骤略多，但施工难度和费用大幅度降低。

表1 新方法与传统方法主要工序对比表

1.2.2 体系转换时顶升量计算

采用上部结构体系转换法进行桥梁桩基托换的设计时，关键控制参数为体系转换时的顶升量。

上部结构体系转换法有两次顶升施工：第一次要将旧桥墩上的永久支座用临时支架上的临时支座替换下来；待下部桩基拔除且新桥墩做好后，进行第二次顶升，放回永久支座并把临时支座撤出。这两次顶升，既要把支座顺利替换，又要避免因顶升过高对主梁产生损伤，因此对顶升量的计算和控制至关重要。需要说明的是下面的顶升量是指以顶升前的位置为基准墩顶位置梁体绝对位移量。

第一次顶升时的顶升量为：

δ1=δ旧支座+δ施工

(1)

式中：δ旧支座为旧支座恒载压缩量；δ施工为施工不平整导致的竖向偏差。

第二次顶升时的顶升量为：

δ2=δ新支座+δ施工+δ承台+δ墩顶修正

(2)

2 上部结构体系转换进行桥梁桩基托换的实桥设计计算

本节通过五里亭立交桥这一具体工程实例进一步阐述说明上部结构体系转换进行桥梁桩基托换新方法。

2.1 工程概况

福州轨道交通2号线紫阳站—五里亭站区间，地铁线路经过反复调整，区间盾构仍会碰到五里亭立交2个匝道的3个桥墩桩基，平面布置见图3。且场区周边为市场、办公楼、住宅区等繁华地段，各类管线特别密集，施工条件局促。

图3五里亭立交平面布置图

五里亭立交桥建成于1993年。以盾构干扰的D匝道为例，该匝道上部结构为3 m×15.75 m钢筋混凝土连续箱梁，下部结构为薄壁墩配预制方桩群桩基础。受干扰的141号桥墩墩高11.5 m，墩顶承受约240 t的主梁恒载，承台3.5 m×3.5 m×1.5 m，桥梁桩基为预制方桩，共9根，桩基截面40 cm×40 cm，桩长32 m。具体断面及地质情况如图4所示。

图4 141号桥墩位置立面图(单位：cm)

经初步测算，若拆除两个匝道桥并重新建设，工程费用约1 200万元，施工工期约7个月。特别是拆除重建桥梁需搭设大面积现浇支架，要借用周边非机动车道，交通组织压力大。

2.2 传统桥梁桩基托换方法与新方法的比较分析

以五里亭立交桥141号桥墩桩基托换为例，将上部结构体系转换新方法与传统桥梁桩基托换方法进行对比分析。

该工程的最大难点是，如图4所示，地下约5 m处有一根DN1800的污水干管并连接污水井，迁改难度非常大。如果按照传统方法必须对在基坑深度范围内污水干管及污水井进行迁改，直接费用约80万元，迁改工期约2个月。采用上部结构体系转换新方法，由于基坑开挖浅，不会触及污水干管及污水井，使得不需要对其迁改。

此外，传统方法的另一大问题是旧桩基的清除问题。按工序要在新承台做好并顶升结束后才能割断旧桩，使得几乎没有操作空间清除旧桩基。后续的盾构通过需采用刀盘磨桩、开仓清障等手段，施工费用和风险将显著增加。上部结构体系转换新方法在工序安排上可以在地面以上拔除旧桩基，从而避免后期盾构通过产生的风险。

因此，141号桥墩桩基托换设计方案对比表示见表2。由表2可以看出，新方法在施工难度、施工风险、工程造价等方面都优于传统方法。

表2 141号桥墩桩基托换设计方案对比表

2.3 体系转换时顶升量计算

根据五里亭立交桥上部结构支座反力和支座型号，按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[17](JTG D62—2004)的相关规定计算得到橡胶支座竖向变形为：δ旧支座=1.6 mm；δ新支座=1.8 mm，根据经验取δ施工=2 mm。

因此，第一次顶升时的顶升量为：

δ1=3.6 mm

(3)

由于新建承台在受力上更像一根倒置的扁担梁，必须考虑混凝土收缩徐变产生的变形。徐变系数按规范[17]相关计算得到：δ承台=0.61 mm，其中恒载作用下的变形量为0.38 mm。结合实桥测量，确定δ墩顶修正=1.5 mm。

因此，第二次顶升时的顶升量为：

δ2=5.91 mm

(4)

2.4 关键控制参数的监控

在五里亭立交桥匝道桩基托换时，进行了桥梁监控，得到了采用上部结构体系转换法托换桥梁桩基的关键控制参数实测值。表3和图5表示了141号桥墩墩顶处梁底位移实测值。可以看出，实际顶升量与理论顶升量的差值均在7%以内。

表3 141号桥墩桩基托换时墩顶处梁底位移实测值

图5 141号桥墩桩基托换时墩顶处梁底位移图

3 结 语

本文提出了从上部结构体系转换入手进行桥梁桩基托换的新方法。该方法利用新建桩基搭设临时支架，通过两次上部结构的体系转换，把桥梁桩基托换转变为类似于桥梁支座更换，把桩基托换的主要工作从地下转移到地上，可克服传统桩基托换中存在的诸多缺点。