桥梁下部结构托换技术综述

齐 新，秘志辉

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092]

1 概述

当新建道路、地道、地铁等从既有桥梁下方通过时，时常会遇到与既有桥梁下部结构位置发生冲突的情况。当新建交通的线位调整仍然不能避开既有桥墩时，就需要对既有桥墩进行改造。改造的原则一般是不改变既有桥梁上部结构的跨径布置，改造后桥梁上部结构的受力状态基本不变。因此改造的方案一般是新建桩基和地下托换大横梁将原桩基础托换或者将普通墩托换改造为门架墩，为新建交通提供通过的空间。

文献[1]介绍了上海轨道交通下穿某跨河桥梁的托换工程。该桥为三跨简支梁跨河桥，方案是对老桥首先进行地基加固，然后采取连续大底板基础托换桥墩、台的桩基。

文献[2-3]介绍了广州机场西路所涉及的桥梁桩基托换工程设计。当下穿隧道与桥梁桩基位置冲突时，采用地下大横梁托换方案，即在拟建隧道两侧施工新的桩基，新建的地下大横梁（托换梁）与既有桥梁承台结合在一起，当其支承于新建桩基实现转换后，即可拆除老桩基。方案构造如图1（a）所示。类似的利用地下大横梁对桥梁桩基进行托换的工程案例很多[5，8-9，12，15]。文献[14]介绍的福州地铁所引起的桥梁桩基托换案例中，虽然采用的是类似的方案，可是因为施工条件的限制，因地制宜地应用了二次托换技术。

图1 广州机场西路所涉桥墩改造方案构造图[2-3]

文献[3]还介绍了当地面道路与桥墩位置冲突时，利用临时支墩托换的方法，将普通桥墩改造为门架墩。方案构造如图1（b）、(c）所示。文献[10]则介绍了新建盖梁托换技术在高速公路桥梁改造中的应用，将立柱加盖梁的普通公路桥墩托换改造为门架墩。方案构造如图2 所示。

图2 广东高速公路桥墩改造为门架墩方案构造图[10]

关于桥台桩基的托换，除了文献[1]，国内还有多个工程案例。文献[4]介绍了成都某地铁下穿单跨桥梁的桥台时，在原桥台底部增加扩大结构并新建桩基，以弥补因地铁而准备截除的桩基。方案构造如图3 所示。文献[7]介绍了暗挖地铁隧道下穿既有单跨桥梁时，采用新建桩基和大承台来托换桥台部分桩基的方案。文献[16]介绍了桥台改桥墩的顶升托换方案，新建桩基并部分利用老桩基，在老桥台下方新建承台，拆除一部分老桥台后新建墩身，然后将上部结构重量转换到新桥墩，最后拆除老桥台剩余部分。

图3 成都地铁下穿桥台桩基托换方案构造图[4]

还有一些其他类型的桥梁下部结构托换的工程案例。例如地铁下穿铁路桥梁时的桩基托换[6]、地铁车站基坑内既有高架桥梁的桩基托换[11]等。

2 托换方案研究

2.1 既有桥梁调查和检测

桥梁下部结构托换工程比新建桥梁难得多，必须确保既有桥梁的安全。在托换方案制订前，要对既有桥梁进行调研和全面检测，查清既有桥梁的状况，作为制订托换方案的基础资料。与竣工资料和年检资料进行对比，检查发生不均匀沉降、平面横向偏位和纵向爬移的情况、混凝土梁体裂缝的情况、支座和伸缩缝是否出现病害。如果发现有明显病害的情况，桥梁托换前应先进行病害治理。例如有支座损坏甚至引起梁体偏转的状况，应先更换支座和纠偏。

2.2 基本方案

托换改造基本方案一般有两类。一类是新建地下横梁及其桩基，原桩基废弃。这类改造方案往往适用于地铁、地道在地下下穿的情况。另外一类是将普通桥墩改造为地面门架墩。这类改造方案适用于有地上交通通过的情况，如地面道路、匝道桥、地道敞开段等。

托换方案要进行多方案的综合比选，结合建设条件，从结构受力安全、可实施性、施工风险、施工控制的难易程度、经济性、桥梁景观等多方面进行分析比较。

以地下横梁方案为例，地面桥墩身是保留利用的，对桥梁景观无影响，对地面交通的影响也很小。这是该方案的优势，可是该方案要考虑的制约因素也很多。比如地下大横梁与地下其他建筑及管线位置是否冲突，是管线搬迁还是调整横梁标高对管线避让，大横梁及新建桩基与远期规划地铁、地道、大直径管线是否相适应，横梁是否需要施加预应力及预应力钢束体系的防腐保护措施，大横梁上部的覆土等恒载后期是否会变化，横梁上部地面汽车活载的影响等。相比较而言，地面门架墩方案结构受力清晰、横梁工程量相对较少，预应力体系的耐久性好、对地下管线的影响小。可是地面门架墩方案对桥梁景观影响较大，同时要考虑门架墩的布置与地面交通的关系。

2.3 结构方案

在确定基本方案后，还要对托换工程的结构方案进行研究和比较，地下横梁有普通钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构的比选，地上门架墩横梁还可以考虑钢结构。如图4 所示，地下横梁方案有横梁全部位于承台下方、横梁与承台结合、横梁与墩柱结合三种形式。地上门架墩横梁可以设计为明横梁或者隐式横梁，如图5 所示。明横梁构造相对简单，施工方便。隐式横梁比较美观，然而隐式横梁与上部结构结合需要采用凿毛和植筋等措施，施工操作费工费时，连接构造的耐久性也有待时间检验。

图4 托换大横梁与基础的结合方式示意图

图5 门架墩方案示意图

桩基位置确定要符合地下结构物安全距离的要求，桩基构造和配筋要考虑随后的地下结构物施工引起土体扰动所带来的桩身附加弯矩和桩基竖向承载能力降低等不利影响。横梁的截面尺寸和标高、桩基的直径与根数、横梁与既有承台的结合方式等，也是需要深入研究比较的。

方案制定过程中要验算改造前后桥梁运营状态的受力情况比较。下部结构由普通桥墩变换为门架墩或者地下门架基础后，不仅下部结构的刚度会发生变化，而且长期的收缩徐变会产生位移。这些都会引起桥梁上部结构在使用阶段的内力的变化。以汽车活载为例，同样的汽车荷载作用下，由于下部结构变形增大了，引起上部结构的内力增大，因此应同时对桥梁上部结构进行验算，必要时对下部结构构造尺寸进行调整，使其满足要求。

2.4 主动托换与被动托换

一般采用主动托换的方案。主动托换是要采取主动控制的措施，达到托换后上部结构标高不变的目的。主要手段是通过千斤顶施加主动力，将桥梁的重量转换到新的基础上，使新的基础产生沉降和桩身压缩变形后，再连接形成最终的下部结构支承体系。以地下横梁方案为例，施工地下横梁时先不与桩基相连，利用桩基作为支承施加主动力顶升横梁，卸载老桩基，将重量转换到新桩基，使横梁和桩基充分发生变形，并保持上部结构的标高不变。

当横梁的跨度较小，桩基也是短的嵌岩桩，上部恒载转换后的下沉变形很小，不利影响仍在上部结构可承受的范围之内；或者当上部结构为简支梁的情况，则可以在浇筑横梁时将桩基连在一起。该方法也被称作被动托换[13]。

3 主要托换方案的实施步骤及要点

3.1 地下横梁托换方案

该方案有地下转换横梁在既有承台下方和新建横梁与既有承台或墩身结合在一起等结构形式。这里以与承台相结合的方案为例，说明主要施工步骤及要点。

（1）施工新的桩基础，在桩顶设置临时构造，安放千斤顶。

（2）为了使新建横梁与既有承台牢固结合，需清除承台底部垫层混凝土，对承台及桩基与横梁的结合面进行凿毛处理并植筋。新建横梁混凝土浇筑前，要对承台及桩基表面采取长时间充分湿润等措施，以增加结合力。为了使承台底面部位的混凝土浇筑密实，要开设适当数量的通到承台顶面的浇筑孔和排气孔。

（3）绑扎托换横梁的钢筋和安装预应力钢束（如果有），浇筑横梁混凝土。新桩基与横梁暂时不连接。

（4）横梁混凝土达到要求的强度后，如果是预应力结构，则张拉第一批预应力钢束（是否分批张拉以及每批张拉的数量通过计算分析确定），顶升千斤顶，桥梁重量转换到新建桩基，老桩基卸载。

（5）实施桩基与横梁的结构连接，浇筑的混凝土达到强度后拆卸千斤顶。

（6）切割掉适当高度的桩基段，使老桩基与新建横梁结构完全分离。张拉剩余横梁预应力钢束（如果有）。

3.2 地面门架墩托换方案

该方案的新横梁根据工程需要设计为普通钢筋混凝土构件、预应力混凝土构件或者钢结构。这里以预应力混凝土明横梁和钢结构隐式横梁为例，分别说明其主要施工步骤及要点。

3.2.1 预应力混凝土明横梁

（1）施工新门架墩桩基、承台和立柱。

（2）在既有桥墩前后安装临时墩，并安放千斤顶。

（3）启动千斤顶，将上部结构重量转换到临时墩。拆除该老桥墩支座和墩身。

（4）建造新横梁并张拉第一批预应力钢束，横梁现浇支架拆除。

（5）在横梁顶永久支座附近布置千斤顶并施加适当顶升力。

（6）张拉横梁第二批预应力钢束。这时因为横梁上拱，千斤顶的顶升力会被动增加。

（7）继续施加千斤顶顶升力至设计值，将上部结构重量完全由临时墩转换至新建横梁。拆除临时墩。

（8）安装永久支座，并使座浆密实。待座浆强度达到要求时，卸载千斤顶，将支承力由千斤顶转至永久支座，完成托换工程。考虑到支座的压缩变形，千斤顶第二次顶升到设计值时，桥面标高宜适当高1～2 mm。

3.2.2 钢结构隐式横梁

地面门架墩还可以设计为钢横梁.以图6 所示为例，桥梁上部结构为连续钢箱梁。为了美观或者桥下净空受限制时，新增钢横梁与钢箱梁结合在一起形成隐式横梁，横梁两端通过支座支承在新建门架墩立柱上，具体实施步骤为：

图6 钢横梁门架墩方案示意图

（1）在钢连续梁部分跨中设临时支架，顶升使钢连续梁卸载，使要改造成钢横梁的部位的钢箱梁的应力接近于零。同期施工新门架墩桩基、承台和立柱。

（2）搭建墩位处临时墩，临时墩顶安放千斤顶并顶升，将上部重量转换至临时墩，拆除老桥墩。

（3）焊接外接钢横梁，横梁腹板与箱梁内隔板对齐，必要时箱梁内进行加强改造。

（4）在新建墩柱顶支座附近安放千斤顶并施加适当顶升力。卸载并拆除钢连续梁跨中临时支架。

（5）墩柱顶的千斤顶加载，将上部结构重量由临时墩转换至门架墩。

（6）安装支座并使座浆密实，达到支座顶面与钢横梁、底面与混凝土垫块均密贴的要求。

（7）座浆达到设计要求的强度后拆除千斤顶，支承力转换至永久支座，完成托换改造。

4 托换工程关键点

（1）要建立有限元模型对既有桥梁进行结构分析。在托换作业过程中，对桥梁上部结构有“顶”和“落”的操作，梁体标高会有微量的上升和下降。纵向为小跨径或者普通钢筋混凝土结构的连续梁，对桥墩位移变化比较敏感，要将竖向位移的变量控制在规范允许的范围内。此外，还要结合检测资料进行控制。例如资料显示要托换的桥墩已经发生了不均匀沉降，则托换作业要控制其向上的位移可以多些，不再允许下挠或允许下挠的量值控制得很小。

（2）必须重视托换过程中的监控工作，对千斤顶的顶升力和标高等同时实行监控。由于桥梁实际重量、结构刚度等与理论值存在误差，所以托换过程中应以对上部纵梁标高的监控为关键，控制纵梁标高在限定的上升和下降限值范围内变化，保证托换过程中纵梁的安全。

（3）应仔细验算，预留合适的托换完成后的桥面预拱度值。例如新建横梁在长期收缩徐变后是下挠的，在汽车荷载作用下的下挠值也是增加的，则托换完成后的纵梁标高宜稍微高于现状。

（4）严格执行分级加载和分级卸载的作业制度。由于上部纵梁标高要控制在一个较小的范围内变动，因此千斤顶加载和卸载都要逐级缓慢进行。荷载每加一级或者减一级，都要对实际的顶升力和位移进行监测、与理论值进行对照，并对最终加载值进行动态调整。

（5）应严格控制临时墩的沉降变形。这是地面门架墩托换改造方案成败的关键之一。临时支墩承载力大，支承时间长，因此应支承在既有桥墩承台上。如果需要单独做基础，则应做桩基础。虽然费用高些，但是为拖换的顺利实施打下了坚实的基础。

（6）托换操作所用千斤顶应为自锁式，加载到位后要机械旋紧锁定。千斤顶的顶和底一般应安放厚钢板以扩散局部承压力，顶升点也不能离结构边缘太近。同时，还要注意对老结构顶升点的混凝土密实性进行检查。如果发现有孔洞，应先行修补。

（7）地下大横梁方案的新桩基与大横梁连接处的构造要进行仔细设计。考虑的因素有桩帽构造、千斤顶布置、钢支撑的布置、托换后桩基与大横梁的连接等。既要受力安全可靠，又要注意预留和避让，并且施工操作方便。

（8）要注重保障地下大横梁预应力体系的耐久性的措施。预应力钢束的封锚构造设计要增加厚度和加强配筋，施工时压浆要仔细认真，使压浆密实饱满。封锚时要仔细凿毛，两次浇筑的混凝土结合要紧密，切断腐蚀通道。

（9）地下大横梁方案的千斤顶顶升时，要加强顶升位移一致性的控制，防止造成大横梁产生倾斜和扭转。

（10）承载力转换到新桩基后，千斤顶要持荷适当的时间。其间如果桩基沉降增量较大，则需要启动千斤顶调整标高，稳定后再连接为永久结构。

5 结语

（1）托换要根据既有桥梁上部结构和下部结构的特点、施工条件、景观、经济性，改造过程中和改造后的结构安全、施工难度、风险控制、工期要求等因素进行综合研究来确定托换改造方案。

（2）托换改造要遵循改造后上部结构标高不变、受力特性基本不变、改造过程中梁体标高变动幅度要在结构受力安全允许的范围内的原则。

（3）托换改造不同于新建工程，设计和施工难度都要大得多，施工风险也较高。因此，要重视施工图设计、施工组织设计等工作，围绕托换工程的关键点制订有针对性的施工方案并认真落实，控制工程风险并保障托换质量满足设计要求。