地铁隧道下穿既有高架桥桩基托换施工技术研究

李健华

（三维工程建设咨询有限公司，贵州 贵阳 550000）

1 工程概况

花果园西站、花果园东站区间出花果园西站后穿越狮子岩山体，随后下穿学校、贵黄路边挡墙、贵黄路高架桥、贵黄路排水大沟、川黔铁路路基，侧穿贵广高铁桥桩后下穿遵义中路桩板墙抗滑桩及音乐厅，最后到达花果园东站。区间穿越地下障碍物较多，尤其是在YDK29+250—YDK29+305 段开挖断面范围内与贵黄路高架桥桩基冲突。综合考虑交通、造价、安全以及工期的影响，经多方案比选，对贵黄路高架桥15#和16#桥墩桩基采用被动托换。被托换的桩基6 根，分别为15#桥墩下的15-5#、15-6# 桩基及16# 桥墩下的16-1#、16-2#、16-4#及16-5#桩基，均为φ1.8m 钻孔。新建托换桩16 根，均为φ1.5m 人工挖孔桩，新建托换承台4个，新建承台及桩基均采用C35 现浇钢筋混凝土。

2 工程及水文地质

2.1 工程地质

＜1-2＞杂填土（Q4ml）填土分布于地表浅部，主要为建筑垃圾及人工回填碎块石等组成，碎块石主要为白云岩，其空隙由粘土填充，结构松散至稍密，均匀性差。

＜4-1-3＞可塑状红黏土（Q4el+dl）褐黄色、褐红色等，可塑状，局部夹硬塑状透镜层，局部与下伏基岩接触带附近多呈软塑状。局部分布，具有高孔隙比、高液限、高含水量、高饱和性，遇水软化、失水强烈收缩、裂隙发育、易剥落的工程性质，局部具弱膨胀性。

＜20-2-2＞强风化石灰岩（P1m）青灰色，灰褐色，中厚层状，隐晶结构，溶蚀裂隙及风化裂隙很发育，完整性差，钻孔岩芯多呈碎块状，岩芯采取率低。

＜20-2-3＞灰岩（P1m）青灰色，灰黑色，中层状构造，隐晶质结构，节理裂隙较发育，岩石较完整，岩芯呈柱状、短柱状，少许饼状，节长5～35cm，局部溶蚀严重区域，岩石多呈碎块状。矿物成分主要由方解石、生物碎屑等组成，完整性指数一般为0.51～0.54。岩体较破碎，岩石基本质量等级为Ⅳ级。岩芯采取率约80%，RQD值约38%。本次实施的19 个补勘钻孔中均有揭露。

2.2 水文地质条件

地表水拟建隧道区间距离花果园湿地公园和小车河水域大于1000m，区间范围内没有穿越较大河流，地下水类型有上层滞水、潜水和承压水。沿线山岭上的基岩裂隙水，水量不大，且随季节性变化很大。根据地勘资料显示，沿线地下水对Ⅰ、Ⅱ类环境下的混凝土结构物有硫酸盐、镁离子和总矿化度等微腐蚀性；对钢筋混凝土中钢筋有氯盐微腐蚀性。区段地下水位较高，雨季地下水位会向上延伸至地表，故土的腐蚀性按地下水腐蚀性考虑。

3 桩基托换施工方案

桩基托换施工方案共分为5 个施工阶段。

3.1 施工准备阶段

（1）交通导改，围蔽施工现场。

（2）施工过程中的人工挖孔桩、围护、冠梁。

（3）施工托换桩。

3.2 旧承台开挖阶段

（1）在进行旧承台开挖的过程中，基坑开挖的时候可以挖至基底位置，与此同时，应为托换桩顶钢筋进行预留处理，可以在施工的过程中作为基坑底部的混凝土的垫层。

（2）将被托换桩及承台的接触面凿毛，在被托换桩及承台上植筋，或凿钢筋承台既有竖向钢筋，连接钢筋采取采取焊接方式连接[1]。

3.3 浇筑新承台

（1）为了确保托换承台钢筋和被托换承台以及被托换桩、新建托换桩之间链接的牢固性，可以运用绑扎的方式来绑扎托换承台钢筋。

（2）应架设一个托换承台的模板，在进行浇筑托换承台的混凝土。

（3）时刻观察托换承台的变化，当达到标准的强度后就可以进行拆模。采取绳锯切割方式切除冲突既有桥桩，完成受力体系转换。浇筑新承台如图1 所示

图1 浇筑新承台

3.4 基坑回填

在以上程序安全完成后，可以将基坑进行回填，高度限制在于原地面的标高一样，以此来回复原来的路面[2]。基坑回填如图2 所示。

图2 基坑回填

3.5 凿除旧桩

施工暗挖隧道，在遇到被托换桩基时破除。凿除旧桩如图3 所示。

图3 凿除旧桩

从施工角度而言，桩基托换项目设计总体上是可行的，施工顺序较为合理。

4 计算成果

在桩基托换方案中，由于上部分的桥梁结构是在正常的运行的，所以只需要对下部分的桥梁结构进行计算，计算的内容主要是对关键施工位置的工况受力情况，分析完后进行专业的安全性的评估检查。由此可见，计算结果进行评估也是非常重要的一个环节。当前在施工工况需要评估的内容有一下3 种；①对旧承台开挖阶段的评估；②新承台正常使用阶段的评估；③新旧承台交界面的受力状况及相应的植筋方案，或者是焊接的评估。

C3D8R 单元是三维八节点缩减积分单元，它能够反应三维实体的各项力学和变形行为，多用于土，混凝土，金属等实体的有限元线性和非线性计算。在本项目中，使用C3D8R 单元来对墩柱、承台、桩基进行实体模拟。计算结果显示，1#～4#承台在整个施工过程中的整体应力水平较小，基本都在1.8MPa 以下。有些区域存在着局部应力，对最大组合主拉应力超过1.8MPa 的局部区域分别提取x 和y 方向的拉应力，两个方向的拉应力均较小（均＜1.8MPa）。另外新旧承台交界面处的应力水平较小（均＜1.5MPa），且无应力集中现象[3]。

5 工程难点应对措施

为了让区间盾构的设备更好的通过规定的范围，使用桩梁主动托换的方案来减小隧道施工对桥梁结构的影响。将千斤顶放置在托换梁和新桩之间，在进行托换之前可先加载千斤顶，以此来消除因为托换体系长期变形产生的时间效应。与此同时，当上部分结构荷载进行转换的过程中，通过主动加载的方法进行实现新旧受力的替换过程，可使用顶升动态调控托换结构和上部分结构的变形，有效的抵消新桩部分的沉降量，从而实现新旧力替换。在进行托换和托换桩基替换的过程中，将每一根原桩的基础上使用两根新桩和托换梁进行托换工作，并在此基础上设置相应的桩帽。在桩顶的位置运用插筋的方式来连接承台和托换装。在进行换桩的过程中，应加强在施工的监管力度，若放松监管就会出现桩位偏差、缩径、斜孔等问题，因此，在施工过程中应严格质量验收，确保各项指标都符合验收的标准。在灌桩作业时，应严格检查商品质量，在进行灌注工作时，应严格按照施工方案进行，避免出现堵管等事故现象的发生。采用自动化检测来防止变形的情况发生，对检测数据进行搜集和整理。

6 监测情况分析

6.1 监测测点布置

监测测点布置有以下7 个项目。

（1）围护桩顶水平、竖向位移项目。监测点可以布置在沿基坑周边设置，基坑短边重点设置1 个测点，长边设置2 个测点，测点间距为10m。

（2）周边地表沉降项目。监测点沿基坑周边布设，基坑短边重点设置一个监测断面，每个监测断面布置3个测点，基坑长边设置两个监测断面，每个监测断面设置3~4 个测点，监测断面的间距控制在10m。

（3）周边构筑物沉降、倾斜项目。基坑周边的桥墩上布设监测点，每个桥柱设置一个沉降观测和倾斜测点，总共设置12 个测点。

（4）支撑周力。在每层支撑轴上君设置支撑轴力测点，测点布置在内支撑的1/3 处。

（5）坑底隆起。布设在基坑底部，每个基坑布设一个测点。

（6）地下水位。布设在基坑周边，每个基坑布设一个测点，测点距基坑边距离2m 左右。

（7）地下管线，基坑周边燃气管、给水管、污染管安装15m 间距布设，共安装10 个。

6.2 针对托换新桩进行监测

在对托换新桩进行检测的过程中，应先在新桩帽顶处安装电子位移计，将电子位移计的精度设置为0.01mm，以此计算新桩沉将量。

6.3 托换梁监测

对托换梁进行检测时，首先要准确找到托换梁检测的位置，并在截面的位置粘贴应变片。在托换梁的位置安装倾角仪，可以实时监控到各个位置，保障在顶升的过程中没有发生偏斜。将位移计安装在托换梁两端位置和中间的位置，可以全方位的监测托换梁挠度及变形情况。

6.4 截桩监测

在对截桩进行检测时，应先在根据周边的建筑物和托换桩的位置布置监测点，并且观察水位的情况。因为桩基托换新桩和托换梁的影响，会对桥桩基造成一定的影响，不仅如此，还会对周边的环境造成影响，所以，在对施工监测的数据进行分析的过程中，要及时根据施工情况调整施工的参数[4]。

6.5 施工过程中出现形变、沉降监测

在对基坑围护及开挖施工阶段进行监测的过程中。要全面的考虑施工位置的地质条件、支护方法以及周边环境等因素，来确定基坑检测的位置，在施工的过程中，应严格控制时空项目，比如对现场的巡视工作、周边建筑物、地下水位、桥面沉降等项目。

7 结语

从计算结果来看，承台、桩基和新旧承台界面区的总体应力水平均较低，根据规范进行的桩基承台验算结果显示安全度较高，执行过程中作出5 点加强和优化。

（1）关于植筋的问题，为尽量减少对既有承台混凝土结构整体性影响，取消植筋措施。采取凿除既有承台表层混凝土，增设连接钢筋与既有承台钢筋焊接。

（2）关于破除既有冲突桩基的时机选择，原设计采取洞内直接破除方式，为减少震动对桥梁受力的影响，采取绳锯静态切割方式先行实现受力转换，确保了桥梁运行安全。

（3）为增加新旧承台混凝土的连接，在既有旧桥台四周增设构造钢筋笼。

（4）对承台底部纵横向受力主筋进行适当加强处理，增设分布筋。竖向设置I18 型钢劲性骨架，增加钢筋的整体稳定性。

（5）新建承台内增设降温冷却管，保证大体积混凝土的质量。