地铁盾构区间下穿桥梁桩基托换施工技术

刘 敏

(中铁十八局集团第五工程有限公司,天津 300459)

1 工程概况

1.1 工程概况

沈阳地铁10号线中～松区间左、右线在里程K10+890～K10+970段下穿北塔桥(见图1)，区间与南侧旧桥顺行，区间左线隧道顶与南侧旧桥桩基竖向净距约0.915 m(见图2)。

北塔桥位于崇山东路与新开河交汇处，旧桥1984年建成，基础采用桩基础，桩长15 m、桩径0.8m，钻孔灌注桩；北塔桥新桥2012年建成，桩长17.76 m，桩径1.2 m，钻孔灌注桩。简支梁板结构共5跨，跨径最大为8.7 m，其机动车道宽43.5 m，在河的边侧设置桥台及护坡。北塔桥与新开河斜交42°，桥梁底至河底净空2.85 m(见图2)。

图1 沈阳地铁10号线盾构区间下穿北塔桥平面图

图2 中～松区间隧道与北塔桥垂直关系示意图(单位：mm)

为保证北塔桥在盾构下穿施工过程中正常使用，对该桥部分桩基采取桩基托换措施。北塔桥桩基托换板为平行四边形钢筋混凝土结构，东西边长30.029 m、南北边长16.5 m，厚1.5 m。

1.2 地质情况

中～松区间隧道主要在①-0-0杂填土、③-1-0粉质粘土、③-3-0中粗砂、③-4-0砾砂、③-5-0圆砾、④-1-0粉质粘土、④-3-0中粗砂、④-4-0砾砂、④-5-0圆砾、⑤-3-0中粗砂、⑤-4-0砾砂、⑤-4-1粉质粘土、⑤-4-3中粗砂、⑦-0-0泥砾中通过；北塔桥段地层主要为①-0-0杂填土、③-3-0中粗砂层、③-4-0砾砂层。地下水埋深为8.5～9.6 m，标高36.47～37.27 m，含水层厚度约21 m。

1.3 水文地质

新开河位于沈阳城北部主城区，是全长约27 km、平均宽度28 m、最大流量48 m3/s的人工河。新开河北塔桥托换板的施工时间挑选在冬季枯水期。施工前对新开河上下游进行水位、水源调查，发现冬季河道上游闸坝关闭，无河水流入；但托换板施工上游1.5 km处有市政管线排水接入，注水量为80 m3/d；托换板施工上游20 m处有地铁施工降水排入，注水量为240 m3/d。

2 桩基托换方案

桩基托换施工总体分为围堰、导流管施工、托板结构施工、河道恢复施工等部分，具体方案如下[1]：

(1)现场采用3道围堰(见图3)对河道进行截流，在围堰1和围堰2施工合拢后，安装导流管对上游河水进行疏导；导水管安装完成开始河水疏导后，进行围堰3施工，并采用大功率混合泵配合高压水枪将托换板施工范围内的河道淤泥清理干净。

图3 围堰设计平面示意图

(2)基槽采用挖掘机进行开挖，人工清底、修坡；边坡打入6 m长、∅20 mm的锚杆，梅花型布置，水平及竖向间距1.2 m，同水平线夹角为15°；坡面挂∅8 mm@150 mm×150 mm钢筋网与土钉连接牢固，喷射100 mm厚的C20混凝土喷层，基槽底板浇筑20 mm厚C20P10混凝土垫层。基槽施工完成后进行被加固桩间凿毛及企口凿除施工，同步完成新旧混凝土交接面清洗和界面剂涂刷；随后进行植筋及钢筋绑扎、模板及混凝土浇筑施工。

(3)混凝土养护完成进行河道、边坡恢复施工，随后进行导水管拆除及围堰拆除，恢复河道通流。

3 关键施工技术

施工前对北塔桥及新开河河堤进行拍照、记录，便于后期原貌恢复；在桥桩及桥面上布设监测点，进行初始数据采集，用图表、照片详细记录。

3.1 围堰施工

围堰1截面呈梯形，高出水面1.5 m、底宽7.5 m、顶宽3.5 m；围堰2和围堰3截面呈梯形，高出水面0.5 m、底宽1.5 m、顶宽0.5 m。北塔桥南北两侧的围堰尽量靠近北塔桥设置，南侧围堰1同时满足小型机械从围堰进入桥下。

3.2 导水管施工

3.2.1 导水管选择原则

通过调查上游来水总量为320 m3/d，经过理论计算∅800 mm的管即可满足导水需求。为验证理论计算可否满足实际施工需求，首先在第1道围堰上安装一根∅800 mm的钢管进行导水试验；并在围堰上游设置一水位监测站点，安排专人每间隔2 h对水位进行一次观测。通过5 d 60次的观测数据分析，未发现水位出现明显上升趋势；但是导水管过水量已饱和，一旦上游来水量增大，∅800 mm的导水管将无法满足排水需求。通过现场实际测量观察，综合考虑冬季钢管焊接困难、上游来水量可能增大等因素，为降低导水管的安装难度系数，增加导水管的过水量，决定放弃使用∅800 mm的钢质导水管，改用∅1 200 mm的玻璃钢夹砂承插管。

3.2.2 导管安装

疏水导管采用长6 m、∅1 200 mm的玻璃钢夹砂承插管。为保证导水管安装顺利，减少河水及淤泥对导水管安装施工的影响：首先将围堰1和围堰2封闭、合拢，采用6台大功率水泵将围堰1上游的水疏导至围堰2下游，并采用2台大功率水泵将围堰1与围堰2内的残水排干。其次在北塔桥中间一跨采用钢管、方木及模板搭设导水管安装临时平台(见图4)。临时平台采用∅32 mm、长1.5 m的钢管设置2排立桩，其间距为1.5 m；立桩纵向间距不大于0.5 m；采用∅32 mm的钢管及扣件将2排立桩纵向连接，同时每间隔1.5 m设一道横向连杆，使其形成整体平台框架。框架上方每隔0.3 m铺设一根截面10 mm×10 mm的方木，在方木上铺设1.5 cm厚的竹胶板。临时安装平台施工时按100∶1的比例向下游顺坡，保证导水管水流畅通。

导水管在临时安装平台上连接完成后，随即开始固定施工。其固定的方式为桥桩固定牛腿+工字钢钢梁+钢丝绳悬吊(见图5)。具体步骤如下：

图4 导水管安装平台 图5 导水管固定

(1)牛腿安装。在导水管临近两侧桥桩上安装牛腿，牛腿采用∟80角钢制作，并用∅25 mm膨胀螺栓与桥桩固定[2]。

(2)钢梁固定。钢梁采用I25工字钢施作，工字钢安放于牛腿上方，采用焊接方式进行固定，并在钢梁三分之一处焊设∟80角钢斜撑[3]。

(3)导水管悬吊。导水管采用钢丝绳悬吊固定，每节导水管吊点不少于2个；为防止钢丝绳直接和玻璃钢夹砂管接触使应力集中导致管体损坏，特在钢丝绳与导水管接触位置加装长1 m、厚50 mm的木板进行应力分散。为防止导水管受外力影响晃动，用钢丝绳将导水管同两侧相邻的桥桩进行连接固定[4]。

导水管固定完成后，将上下游的闸口打开进行河水试疏导。导水管连续试用3 d，通过监测、观察未发现水位上涨、管体变形、管体漏水等情况，方可拆除导水管安装平台，进行下一步施工。

3.3 基槽施工

3.3.1 淤泥清理

河水疏导成功后当即进行围堰3施工，减少河道清淤施工量。围堰3施工完成后使用大功率混合泵配合高压水枪，将围堰1至围堰3范围内的淤泥抽排到围堰2下游。

3.3.2 基槽开挖

托换板基槽深度2 m左右，基槽3∶1放坡,并采用土钉、网片喷射混凝土进行围护。基槽采用机械开挖、人工修边、清底，因北塔桥桥底距基槽底仅有4.5 m，排水管底(河道底)距基槽底仅有2.2 m(见图6)。现场选用“50”型挖掘机一台、“85”型挖掘机一台、“135”型挖掘机一台，根据现场净空高度、实际情况相互配合完成基槽土方开挖及倒运。

图6 托换板与北塔桥垂直位置关系图(单位：mm)

托换板基槽开挖完成后，当即核对、检查平面位置、几何尺寸和标高，核查无误后进行下一步施工。

3.4 托换板施工

北塔桥需加固基础桩12根(见图1)，扩大基础与被加固桩间连接采用锚筋加企口型式(见图7)。

图7 被加固桩锚筋与企口型式示意图(单位：mm)

3.4.1 混凝土接触面处理

为保证托换板和既有桩可靠连接，新旧混凝土接触面应进行凿毛、清洗、涂抹界面剂等工序，同时施作宽度为120 mm的环行企口[4](见图7)。

3.4.2 钢筋锚固措施

被加固桩直径800 mm，托换板高度为1.5 m；锚筋直径为32 mm，锚入既有桥桩结构内长度不小于200 mm，每根被加固桩锚筋设有8排、每排有18根，共有144根。通过计算植筋水平间距小于140 mm，竖向排距小于130 mm；被加固桥桩中钢筋间距不足120 mm，植筋钻孔时需对桥桩内钢筋进行避让。在植筋钻孔施工过程中如操作稍有不当，将造成穿孔、废孔等问题，对被加固桥桩产生不可逆的损坏。为避免损坏风险、植筋施工采用跳作施工，先进行单排的单号和双排的双号的钢筋植锚施工，达到设计强度后，再进行单排的双号和双排的单号的钢筋植锚施工，从而避免植筋钻孔过程中出现穿孔、废孔等问题，有效降低被加固桥桩的破坏风险[5]。

3.4.3 钢筋绑扎施工

为便于钢筋锚固、绑扎施工、避免施工时对北塔桥产生过大影响，特将桩基加固托换板结构的钢筋施工分段进行，具体施工顺序为：梁①→梁②→梁③→梁④→梁⑤(见图1)。

3.4.4 模板、混凝土施工

托换板结构为现浇混凝土结构，采用1.5 cm厚竹胶板立模，在托换板结构外侧钢筋上绑扎垫块以确保保护层的厚度及模板的位置正确。混凝土分层分段浇筑，振捣充分，及时压实、收浆、抹面[6]。

3.5 河道恢复

托换板混凝土浇筑施工完成后，根据预先测量的数据、拍摄照片进行河道、护坡原貌恢复。托换板及河道恢复施工完成后，将∅1 200 mm导水管在上游进行封堵，将围堰内导水管拆除，围堰1下的导水管与围堰1同步拆除[7]。

围堰采用挖掘机进行拆除施工，首先将围堰3进行拆除，其次将下游的围堰2拆除，最后进行围堰1拆除，使新开河河水恢复通流。

4 结束语

新开河北塔桥桩基托换工序复杂、场地狭窄、技术要求高、工序转换频繁、施工困难多，但通过围堰施工、导水管安装、基坑开挖、托换板施工、河道恢复等各项施工环节，成功的完成了施工任务，经济与社会效益良好，极大的降低了盾构机在下穿新开河北塔桥施工过程中的风险。