地铁区间隧道下穿既有桥梁的桩基托换研究

地铁区间隧道下穿既有桥梁的桩基托换研究

王凡

浙江杭海城际铁路有限公司   浙江省  314400

摘要：既有桥梁下放穿越地铁区间隧道，需要严格把控好桥梁异形板的稳定性，期间需要利用桩基托换技术，不断优化下穿的施工条件，为隧道和桥梁的安全稳定，创造相对安全的施工环境。本文选取某地铁区间隧道工程作为案例，结合工程的现场条件，深入研究桩基托换技术的应用要点。

关键词： 地铁区间； 隧道施工； 既有桥梁；桩基托换

引言

城市交通系统的完善和延伸使近年来地铁隧道施工遭遇既有桥梁桩基的情况频繁出现，为更好应对此类施工条件，托换施工技术采用特殊结构取代原本的桥梁桩基，对上部荷载提供有效支撑，以解决现有桥梁基础阻碍地铁隧道施工的问题。托换结构作为核心承力单元，其施工必须保证原桩基承受的外部荷载被完全转移，且不发生变形、沉降等问题，因此具备较高的施工难度，有必要对桩基托换施工技术要点进行总结。

一、工程概况

      以某城市的地铁工程为例，在工程建设中需要暗挖隧道，并且需要穿越桥梁桩基，该桥梁为混凝土结构，并有多孔连续板，厚度为0.80m，跨径是（14+20+20）m，桥基础孔桩桩长为8m，桩径为1.3m，矩形墩柱是1.4×1.0m，承台为7×3m，孔桩与隧道距离较近，需要对其进行托换施工，以为隧道施工提供便利，并提高桥梁运行的安全性。

二、地铁隧道穿越桥梁桩基的托换施工技术流程

     2.1桩基托换施工技术要求

     桩基托换采用主动托换法施工，主要施工流程：施工新建桩基→开挖基坑至托换承台底面标高→浇筑新建托换承台→设置千斤顶→按照计算反力进行顶升，至托换桩基完成沉降→沉降完成后二次顶升→浇筑桩顶后浇段→截断与地铁隧道断面有冲突的旧桩，新旧承台完成受力转换。

       桩基托换要求：

      （1）根据实时监测结果确定顶升启动，开始托换顶升，保证任何情况下顶升点与位移初始点的沉降差不大于1.5mm，且横桥向相邻墩柱处主梁的沉降差小于1mm。

     （2）托换顶升采用专业的顶升控制系统，千斤顶行程不小于15cm。每个桩基布置的2个千斤顶应满足同步顶升的要求，同时也具备横桥向各墩柱单独顶升要求。千斤顶具备同步顶升及同步下降要求。每个千斤顶计算最大顶力1500kN-3500kN。

     （3）顶升系统要求顶升力与位移双控，纵桥向、横桥向各相邻顶升点顶升力差异不超过10％，顺桥向位移差相邻墩不超过1.5mm，横桥向位移差相邻墩不超过1mm。

2.2托换梁和托换桩结构设计

     每根桩采用两根混凝土灌注桩和托换梁进行托换，托换桩上端设托换平台。

托换桩采用C30钻孔灌注桩，直径为1000mm。托换梁采用钢筋混凝土结构，长×宽×高：11.6m×2.5m×2.3m，混凝土等级C35、S8。所有钢筋选用HPB235、HRB335级钢筋。托换承台尺寸为（长×宽×高）：2.2m×2.2m×1.0m，采用C35、S8级混凝土。承台上方预埋20mm厚的钢板供预顶阶段使用，承台与托换桩的连接通过桩顶插筋实现。

2.3施工重难点

（1）施工降水与原有桩基注浆加固。由于桥下净空等因素限制，本桩基托换工程需要在富水砂卵石地层中进行人工挖孔桩施工，考虑到挖孔安全，挖孔开始前拟将地层中的水位降至砂卵石层底部。因立交桥为多跨连续梁桥，在降水抽水施工时，极易造成桥墩沉降，故在降水之前，从原地面对降水井周边 30m 范围内的原有桥基进行注浆加固，以减小降水及挖孔桩施工过程中对桥桩的影响。本次加固采用袖阀管地面插管注浆加固，注浆加固的主要目的在于提高原有桩基周边土体强度，减小土体渗透系数，以减小降水、桩基托换施工对其造成的影响。要求注浆后加固区域土体无侧限抗压强度不小于 0. 8MPa，渗透系数不大于1 × 10 -7m/ s。

（2）挖孔桩工程及深基坑工程施工。为尽可能减小基坑暴露时间，探挖至旧承台上表面，确定承台走向及桩位后，先施作人工挖孔桩，挖孔桩施工前先确保挖孔桩施工地层中，水位已降至接近砂卵石层底部，以降低挖孔桩施工的安全风险。挖孔桩为扩底桩，扩底位置位于风化泥岩层中，土层自身稳定性较好，渗透系数很小，安全风险较低。受既有桥净高所限，钢筋笼安装不能一次性整体下放，挖孔桩钢筋笼分 3 节吊装下放，接头采用挤压套筒链接，混凝土浇筑应采用导管下放至孔底。

（3）人工挖孔桩的常见安全事故主要有：孔口石块或杂物掉入孔口砸伤正在施工的人员；孔口操作人员被地下有害气体中毒昏迷甚至死亡；孔壁支护不当而坍塌砸伤甚至活埋操作工人；孔内电缆、电线磨损受潮导致工人触电伤亡；深孔中突然涌水、涌沙淹没操作人员等。 （1）地下特殊地层中往往含有CO、SO2、H2S或其它有毒气体可能会造成毒气中毒甚至死亡事故，故每班下孔施工前必须强制通风10分钟，并对孔内气体进行抽样检测（可用快速检测管），发现有害气体含量超过允许值时，应将有害气体清除至化学毒物最低允许浓度的卫生标准并采用足够的安全卫生防范措施，如设置专门设备向孔内通风换气（通风量不少于25L/S）等措施，以防止急性中毒事故的发生。

　（2）孔深超过10m或土层颜色突变时应强制通风并做气体检测。施工人员下井后与地面巡查人员及时联系报告井内空气是否有异常，若有胸闷、头晕、恶心等症状立即出井，同事组织人员下去营救或拨打120、119等急救电话。

　（3）井下作业人员不得超过2人，作业时应戴安全帽、穿雨衣、雨裤、长筒雨靴、系上安全带，同时配备对讲机。井下有作业人员时井上工作人员不得擅离工作岗位，应密切注意井下人员的工作情况，并通过对讲机每隔20分钟与井下作业人员联系一次，每工作1h，井下人员和地面人员进行交换作业。

3.计算结构分析

3.1荷载转化规律分析

（1）主动托换

主动托换是在原桩切断之前，采用顶升工艺，消除部分新的沉降变形和将要被托换结构的既有变形，从而遏制托换结构的变形，使其控制在很小的变化范围内。在顶升过程中，由于干斤顶荷载的施加，会微量顶升上部结构，从而消除大部分初始沉降，而同时也可检验托换节点是否可靠。该法适用于大吨位和控制变形严格的情况。

（2）被动托换

被动托换中没有采用顶升工艺，其托换原理是在原桩切断过程中，将上部荷载通过托换梁传递到新桩上，托换后的结构变形沉降包括既有沉降和新增沉降两部分。通过在数值计算中设置千斤顶位移为0的方法来模拟被动托换的切桩过程，从而得到被动托换各施工过程结构竖向应力云图见图。

（3）注浆加固技术

     注浆加固即向钻孔内注入水灰比一定的浆液，促使钻孔扩张并形成圆柱形浆体，挤压钻孔周围土层引发塑性变形区，与浆体距离较远的土体发生弹性形变，以此来提高钻孔周围土层的稳定性。注浆加固可促使桩体与地基间可靠融合，并达到控制建筑沉降的目的。

     （4）地面桩基托换技术

      地面桩基托换技术包括以下三种类型：第一，托换结构独立于地铁隧道结构存在，采用门式结构完成桩基托换过程，然后在门式结构区域内开展隧道掘进及混凝土浇筑工作。第二，托换结构为地铁隧道结构的一部分，可在相同门式结构之下完成桩基托换，该过程中隧道顶板即作为门式结构的顶部。第三，设置临时性支护系统，将桥梁荷载向已完工的隧道工程部分转移。若使用该方法，托换过程需首先将建筑荷载传输至隧道底板位置，施工完毕后再将荷载转移至顶板处。

     地面桩基托换技术虽带有明显的技术优势，但其无法应用在缺少承台的低地铁隧道施工中，此时可以洞内桩基托换技术进行代替，即将托换结构荷载转移至隧道结构上，添加桩基支护结构以强化其荷载能力，经历植筋、剥桩、断桩等过程完成桩基托换施工。

3.2托换梁与托换桩设计

托换梁为普通钢筋混凝土结构，混凝土等级 C40、P8 防 水，新建托换承台尺寸较大，属大体积混凝土，混凝土浇筑采用冷却管冷却以减少混凝土裂缝。底模板采用“土 台法”，即: 利用原状土做基础。托换梁需在原有承台下方浇筑混凝土，故需在原有承台上钻混凝土浇筑孔( 排气孔) ，以确保新建承台与既有承台贴合密实。承台上方预埋 30mm厚的钢板供预顶阶段使用，拖换承台与托换桩的钢筋连接通过预留钢筋焊接连接。

桥梁上部结构受力转换采用千斤顶在新建桩基和新建承台节点处进行顶升，通过千斤顶顶升，主动将桥梁上部荷载转移至新建桩基上，使原有桩基不再承受上部荷载，从而达到桥梁下部结构变换。托换桩采用 C35 人工挖孔桩，直径为 1500mm，桩底扩孔为 3000mm，共 16 根，桩长为 18. 196 ～ 22. 173m，进入中风化泥岩层不小于 1m。桩底端采用后注浆加固，并在降水井停抽后再次注浆，增加桩端承载能力，桩顶设顶升平台。所有钢筋选用 HPB300、HＲB400 级钢筋。由于篇幅原因不一一叙述，这里仅介绍 E13 承台。

4.监控量测

现场监控量测贯穿整个施工过程始终，监测包括2方面。

（1）桩基置换全过程的监测，主要包括对附近建筑物、桥梁、路面和地下管线监测 ；对置换桩桩顶沉降的监测 ；置换板式筏基与被置换桩间的节点滑移监测。（2）隧道掘进阶段对置换结构影响的监测。

4.1 建筑物初始状态的观测

桩基置换施工前对被置换桩、相邻桥跨上部及下部结构，以及周围环境进行详细、周密的调查（如裂缝、沉降和倾斜情况等），拍照并做好详细记录。

4.2托换体系的沉降监测

托换体系的沉降采用精密水准仪监测，测点布置在桩头。精密水准仪测试精度为0.1 mm，参考点应距被置换桩足够远，避免地面变形产生的测试误差。

4.3被置换桩墩柱与其余墩柱相对沉降监测

被置换桩墩柱与其余墩柱相对沉降的监测与控制是保证上部建筑物安全关键问题，必须始终予以重视。采用精密水准仪对置换建筑物所有柱进行沉降监测。

5.结束语

   随着我国城市地铁建设的发展，桩基托换技术将会越来越多地应用到地铁建设中，它是一种对建构筑物主动保护的方法，可以定量的解决隧道施工引起的建构筑物沉降问题，且更直接、准确、安全。本工程桩基托换的成功应用，进一步证明了该技术的可行性，可为今后类似的桩基托换工程提供借鉴。

参考文献

1. 王莉平．大跨隧道穿越高层建筑物桩基托换设计及优化［J］．地下空间与工程学报，2012( 5) : 1070-1075．

2.丁红军，王琪，蒋盼平．地铁盾构隧道桩基托换施工技术研究［J］．隧道建设，2008( 2) : 209-212．

作者简介：王凡；出生年月：1988.06；性别：男；籍贯：安徽省安庆市太湖县，学历：本科；现有职称：工程师；研究方向：城市轨道交通，道路桥梁技术；从事工作：城市轨道交通，铁路，高速公路工程等。