深圳地铁3号线广深铁路桥桩基托换工程设计

2011-08-03鲁雪冬毛学锋许智焰

铁道标准设计 2011年11期

鲁雪冬，毛学锋，许智焰

(中铁二院工程集团有限责任公司土木建筑设计研究一院，成都 610031)

1 工程概况及特点

1.1 总体工程概况

深圳地铁3号线广深铁路桥是连接广州、深圳的准高速铁路，区间隧道穿越段是广深铁路既有3线桥解放路段的18号桥墩和所建广深四线19号桥墩(图1)。根据竣工资料，既有3线桥墩均为4根φ550 mm摩擦桩，桩端为砂黏土;两边18号～22号墩间桥梁为4跨连续梁;所建广深4线19号墩为4根φ800 mm的钻孔灌注摩擦桩，为连续刚构的的主墩(图2);该处区间隧道为盾构施工的上下重叠隧道，上下隧道净距最小为1.60 m。根据广深铁路桥的结构、基础形式和施工操作空间，采用人工挖孔桩，梁式托换桥墩的托换形式，托换梁设于承台下方。采用临时钢支架支承3线连续梁和1线连续刚构梁需要托换的桥墩对应的梁部，然后用D型施工便梁吊扣轨。

图1 施工场地布置

图2 桩基托换平面示意

1.2 连续刚构桩基托换特点

连续刚构桥是墩梁固结整体受力，基础变形通过桥墩传递到梁体，对梁体结构安全影响较大。而基础托换的过程就是将原有基础放在新设计的托换梁上，发生位移是不可避免的。但基础过大的位移不仅会拉裂墩身，还使得梁体产生破坏。结构过大的位移将使铁路线路不平顺，危及行车安全，而梁体结构的损坏更是会导致铁路运营中断。桩基托换范围内地下水位高，为了保证桩基托换过程中下部的沉降值满足梁部各项指标，必须采用多种措施防止桩基的变位，整个施工范围采用止水及施做托换基坑围护结构;连续刚构墩周实施旋喷桩加固，并采用局部冷冻法冻结该墩基础地下水;外加临时钢支架支承刚构，梁部采用D型便梁吊扣轨(图3)。连续刚构的桩基托换工程，国内并无先例，且各项辅助措施众多，施工场地狭小，施工难度大，这给设计和施工带来了很大难度。

图3 连续刚构桩基托换示意

1.3 地质和水文概况

场地内各地层地质主要为堆积土、冲积层、花岗片麻岩和花岗岩(主要分全风化、强风化、中风化和微风化)。

施工场地附近有布吉河河水，桩基托换工程点离河100～130 m，地下水与河水相互补给。地下水主要有2种类型:一是松散土层孔隙水，二是基岩裂隙水，主要赋存在松散覆土及基岩的裂隙中。隧道结构位于地下水位以下，地下水对混凝土无腐蚀，对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀，对钢结构有弱腐蚀。

2 桩基托换工程的难点

(1)广深铁路为深圳市通往广州、香港的交通大动脉，运输十分繁忙，托换工程施工必须万无一失，确保铁路运输畅通，因此本托换是在动活载作用下的托换。

(2)需根据被托换建筑物的结构类型、对变形控制的要求以及托换荷载大小等因素，仔细研究托换方案、施工步骤、采取的措施等，以确保荷载的有效转移和建筑物的安全。

(3)确定托换荷载的制约因素多。桩基托换受力转换体系复杂，需要根据不同阶段、不同荷载的作用，分阶段确定托换荷载。针对托换桩在托换施工、隧道施工期间的受力变形影响，分析建筑物可能的最大最小受力情况，以选择桩基托换各阶段的控制荷载。

(4)托换大梁与桩节点抗滑移的技术措施是实现荷载转移的关键，必须根据原建筑桩的形式、托换荷载大小等因素采取相应的措施，使托换大梁与桩节点的先后期混凝土形成整体，以弥补粘结能力的削弱。

(5)桩基托换段地质条件相当差，地层软弱不均，且含有6～11 m的饱水砂层，桩基托换工程点离布吉河100～130 m，地下水与河水相互补给。因此，必须注意未托换前施工降水对被托换桥梁桩基的影响，避免因降水产生地层的附加沉降对桥墩的破坏。

(6)区间隧道施工必然对托换新桩周边土体引起扰动，增大托换新桩的侧向位移，造成周边摩阻力减小。因此，托换结构的设计必须考虑隧道施工的影响，同时对隧道的设计和施工提出要求。

(7)托换段桥梁为4跨连续梁和连续刚构，对沉降控制严格，墩台均匀沉降量和相邻墩台均匀沉降量之差应满足规定，临时钢支架的设计必须满足对梁的支承，特别是连续刚构，对沉降非常敏感，梁体不能用千斤顶在墩顶调整沉降，对连续刚构的既有线的防护，是本工程的重点和难点。

(8)由于本区间采用盾构法施工，为避免托换后的旧桩对盾构掘进的影响，托换后的旧桩的破除也是本工程的难点。

3 桩基托换工程方案及步骤

3.1 托换方案的确定

托换桩的轴力较大，变形要求高，若采用被动托换结构将难以满足刚度、承载力和变形的要求。为更好地控制托换结构及桥梁的变形，托换方案选择了主动托换的形式。

3.2 托换新桩设计

综合以上托换桩的影响因素及处理措施，托换新桩应采用较大直径的端承桩。设计采用在隧道两侧设置直径2.0 m的人工挖孔桩，来代替原有的桩基础，桩端进入微风化层的深度不小于0.5 m，且应低于隧道仰拱不小于2.0 m。托换新桩按嵌岩桩设计，桩底岩石单轴极限抗压强度RC＞10 MPa。

3.3 托换梁的布置

将托换梁置于原桩基承台下，这样施工完毕后对地面的交通和景观等均无影响，而且施工也比较方便。但在托换过程中需设置托换基坑。

3.4 托换施工辅助措施

(1)为了很好的控制施工期间桥梁的变形，在桥梁下架设临时钢支架，钢支架是整个托换工程的重中之重，全部采用Q345qD钢，钢支架必须有足够的强度和刚度，千斤顶置于1～4线钢支架横梁上，当梁部变形时，作为及时顶梁或者支承之用，临时钢支架构造详见图4。

其基础采用φ450 mm的旋喷加筋树根桩。树根桩顶部用混凝土梁连成桩顶连梁。对未托换的连续梁18号、20号桥墩也采用此种方式做临时加固处理，基础采用φ450 mm钢管桩，以防止在施工期间因地下水流失引起不均匀沉降。

图4 临时钢支架构造(单位:mm)

(2)由于托换新桩靠近既有承台及管桩基础，而该段砂层较厚，地下水较丰富，为了尽量减少对原有管桩基础的影响，保证后续托换新桩的安全施工、托换梁基坑的开挖和托换后旧桩的破除，在托换新桩及基坑施工前，先在周边施做旋喷桩加固及止水帷幕，帷幕采用3排φ600 mm的旋喷桩(图5)。旋喷桩及钢管桩的钻孔、灌浆施工应在夜间进行。在高压旋喷桩及人工挖孔桩施工时应加强对既有桥梁状态的观测，并且应办理列车慢行手续，减少列车振动对既有桩基础的影响。

图5 钻孔桩、旋喷桩布置(单位:mm)

(3)对轨道采用D型施工便梁扣轨加固。线路加固后方可进行托换梁和顶升施工。

3.5 桩基托换的主要步骤

连续刚构对沉降非常敏感，梁体不能用千斤顶在墩顶调整沉降，必须对施工基坑水位采取有效的降水措施，防止地下水位变化引起连续刚构沉降增大，从而将梁部拉裂，桩基托换主要采用以下步骤。

(1)托换基坑开挖:在托换基坑周边及人工挖孔桩周设φ600 mm旋喷桩做为止水帷幕，用于施工时防止涌水涌砂，同时还将用于基坑围护，托换基坑在开挖时应采取降水措施。

(2)托换梁和被托换结构之间结合处理(图6):为了让托换梁和需托换墩承台更好连接，采用植筋的方式进行处理。由于既有承台侧面出现裂缝，除了采用植筋使托换梁和被托换结构之间结合牢固，还采用如下具体措施保证托换梁和被托换结构之间结合更加牢固:①将旧混凝土表面凿毛，深度宜为10～20 mm;②凿毛后用水清洗干净，在新加结构混凝土浇捣前4 h内刷界面处理剂，托换梁与承台底接触面应保证混凝土浇捣密实;③凿毛时若发现裂缝等异常情况，应及时反馈信息给相关部门研究采取安全加固措施;④被托换梁底与托换梁顶接触面采用压浆注入环氧树脂灌注填充密实，确保其间充填密实并粘结牢固。

图6 托换梁与承台连接大样(单位:mm)

(3)在施工旋喷止水帷幕的同时，施工临时支架的钢管桩，并搭设临时支架，在支架上利用千斤顶把80%的梁部恒载引起的支座反力托换过来，锁定千斤顶，做好支垫。

(4)预顶:预顶的目的是消除托换新桩变形对托换体系的不利影响，防止托换新桩桩顶沉降带动柱子的沉降，检验托换梁体系的承载能力。施工时在托换梁两端托换新桩顶各放2台千斤顶，实现桩、梁间可控的作用力。实施预顶时注意事项:①托换桩千斤顶的顶升力取包括托换梁自重和上部结构传至桥墩底的全部荷载，实际取总荷载值不超过7 643 kN(广深4线19号墩)、6 973 kN(广深3线18号桥墩);②托换梁与托换新桩之间的临时钢支垫应保证其稳定性和可调节性;③千斤顶的荷载根据在预顶过程中，每根托换桩基承受的荷载设计值确定，各千斤顶加载须按比例同步增加。

(5)被托换桩截桩作业:预顶完成且全面观测沉降变形稳定后，开始截桩;截桩应遵循由外向内、层层剥离的原则，将桩身混凝土全部凿除后再断桩身钢筋。

(6)封桩:截桩完成后，在保持千斤顶荷载稳定不变的情况下将桩、梁预留钢筋采用挤压套筒进行连接，浇筑微膨胀混凝土封桩。

为保证区间地铁施工中铁路运营的安全，桥梁的临时钢支架桩基应尽可能避开地铁隧道，在区间隧道施工无影响地段的临时钢支架应等到地铁施工完成后再拆除。

4 托换新桩与重叠隧道的相互影响和处理

4.1 托换新桩设计的影响因素

根据上部桥墩及桩基托换结构各阶段的受力分析，由于隧道的位置影响，托换桩距离两端新桩的距离可能存在差异，因此托换新桩的设计必须满足大轴力承载力的要求。另一方面，大轴力的存在也将影响托换新桩的变形控制。

4.2 重叠隧道施工对托换新桩的影响因素

为减少托换桩的数量，该段区间隧道采用了上下重叠的隧道结构形式，重叠隧道的净距较小，净距最小为1.6 m。

由于上下隧道的施工特点，需多次扰动土体，引起桩周摩阻力削弱;隧道距托换新桩的距离为0.53～2.0 m，隧道距既有桩心的距离为0.16～2.78 m(图7)，施工时将释放出部分托换桩侧向抗力，桩侧向变形增大;隧道开挖后，由于地下水的变化，也会造成桩基不同沉降[1]。

图7 桩基托换剖面(单位:mm)

4.3 重叠隧道影响处理

在以上影响因素中，最难以确定的是重叠隧道的影响。同时由于本段地层条件较差，隧道采用盾构法施工，托换新桩的设计必须同隧道的施工工法联系起来。

对于采用盾构施工的重叠隧道，应严格控制盾构的掘进速度和防止发生偏移。在盾构通过时及时同步注浆及二次注浆，同时应加强对该段桥梁的监测，以及根据监测结果及时调整盾构的掘进施工参数。

5 托换旧桩破除方案

由于桩基托换段的区间隧道采用盾构法施工，为消除托换后旧桩对盾构机掘进的影响，在托换梁施工完成并达到受力要求后，利用人工挖孔桩的形式破除托换旧桩。

在托换基坑破桩位置处的托换梁下往下继续开挖1.9～2 m，作为挖孔桩的施工空间，基坑采用锚喷支护措施。在托换梁下方，先采用机械拔除既有桩基，如机械拔除不能实现则分别沿所需破除的桩基往下施工内径为1.5 m的人工挖孔桩，边开挖、支护边破除桩体。挖孔护壁采用30 cm厚钢纤维护壁，并在护壁内设置竹筋，以保证人工挖孔的安全。破除桩体后，桩孔内回填C10混凝土。

6 施工监测

桩基托换工程应在桩基托换及隧道施工过程中根据相关规范规程中有关结构差异变形的总要求，建立以结构设计为指导，现场调控为主体的信息化监测、控制体系。需要制定质量、监测计划，确定质量、监测内容，注意及时整理监测数据，指导施工工艺和施工措施。施工监测的频度根据施工阶段和量值变化的幅度依据有关规范、规程确定。