南京地铁三号线主动桩基托换工程设计

黄晓东，黄东初

(南京市市政设计研究院有限责任公司，江苏南京 210018)

1 工程概述

南京地铁三号线区间隧道在卡子门站北侧下穿南北向龙蟠南路，地铁隧道左线穿越龙蟠南路高架桥桥台(见图1)，对桥台的桩基有影响；隧道右线穿越龙蟠南路高填土路基挡土墙基础，挡土墙基底设置预制方桩。地铁左线需截断桥台5根桩基及10根挡墙预制方桩,右线需截断32根挡墙预制方桩。桥台桩基桩径1.0 m，桩长18.2 m；挡土墙方桩规格20 cm×20 cm，桩长8.5m。具体见图2及图3所示，图中阴影部分为受影响部位。

图1 地铁三号线穿越高架桥桥台现场

图2 地铁三号线与高架桥桥台平面关系图(单位：cm)

图3 地铁三号线与高架桥桥台、挡墙立面关系图(单位：cm)

高架桥上部结构为20 m跨先张法简支空心板梁桥，桥面宽度26 m，梁高90 cm，中板22块，边板2块。桥台为扶壁台，台高6.66 m，基础为18根1 m钻孔灌注桩，承台尺寸为27 m×6 m×1.6 m(横桥向×顺桥向×高)，承台埋深0.75 m,台后侧墙长3 m，台后为高填土接扶壁式挡土墙。

2 影响分析

地铁三号线分别通过挡土墙方桩及桥台桩基后，桥台桩基由18根减少为13根，挡墙方桩桩长由8.5 m缩短为4.5 m，需对桥台及挡墙复合地基进行加固。

若用盾构机直接截断桩基施工，对盾构机及桥梁结构本身受力均存在安全隐患，故先对桩基进行托换，而后截桩施工。

3 桥台加固方案的选型分析

对隧道穿越范围桥台桩基处理采用主动桩基托换，而后矿山法施工替代盾构机施工，通过竖井在洞内截桩。对隧道穿越范围高架桥桥台两侧挡土墙下部桩基在矿山法隧道穿越时洞内截桩处理。此部分通过加强矿山法初支强度、增强配筋承受洞顶方桩部分荷载，另通过隧道拱顶袖阀管注浆及提前预注浆处理，提高复合地基承载力。

截桩施工完成后，对矿山法洞身范围及竖井在盾构上方1 m以下采用C15素混凝土回填，竖井在盾构上方1 m以上至地面采用粘土回填，并压实处理，压实度不小于95%，而后盾构通过。

由于龙蟠南路交通量非常大，主动桩基托换的前提条件需保证现状高架桥正常通车，不中断交通。托换方案分别从劲性托换梁方案和承台补偿方案进行对比分析。

3.1 劲性托换梁方案

在桥台的侧面、承台底、承台正面各布置1根直径1.5 m桩基，由于受现场条件限制，桩基均采用人工挖孔桩，三根桩呈三角形布置。沿着桩的布置方向浇筑三道主梁，主梁高2 m宽1.7 m；在老桥桩基处顺桥向浇筑次梁，次梁与主梁形成框架体系。老桥桩基支撑于由主梁及次梁组成的框架上，且在主梁及次梁底部截断，形成空间受力体系。主梁采用预应力混凝土梁，次梁采用钢筋混凝土梁，挖孔桩桩底直径3 m，桩长18 m，进入K1g-3-2中风化泥岩、泥质粉砂岩，该岩层单桩抗压强度6.55 MPa。具体见图4、图5所示。

图4 劲性托换梁平面总图(单位：cm)

图5 劲性托换梁立面总图(单位：cm)

托换梁采用C40混凝土，桩基采用C30混凝土。通过对原老桥桥台群桩进行内力计算，得到单桩桩顶内力，取1～3号桩、10和11号桩桩顶内力作用在劲性托换梁上，采用有限元建模分析(见图6)，计算劲性托换梁及人工挖孔桩顶内力，从而进行相应的配筋计算(见表1、表2)。

图6 劲性托换梁有限元模型

表1 老桥桥台群桩内力分配表

表2 劲性托换梁竖向力计算结果一览表(单位：kN)

劲性托换梁方案自身的优点为受力明确，真正地起到主动桩基托换的作用。缺点是土方开挖量大，基坑开挖支护比较困难，施工期间的排水、防水，施工周期长等问题。

3.2 承台补偿方案

3.2.1 方案设计

在桥台的侧面及正面布置3根桩径1.8 m人工挖孔桩，呈三角形布置。桩顶接2.3 m厚承台，承台与老桥承台之间通过植筋连接，接触面凿毛，形成一个大承台，与老桥承台共同受力。具体见图7所示。

图7 承台补偿方案平面总图(单位：cm)

该实施方案施工难度比劲性托换梁方案较易。保证新、老混凝土有效连接，以及增加承台混凝土浇筑密实是该方案的重点。老承台接触面凿毛20 cm，用高压水冲洗干净，并涂抹水泥基界面剂。新承台采用C40混凝土，桩基采用C30混凝土，新老承台连接见图8所示。

图8 新老承台植筋连接大样图(单位：cm)

采用有限元建模分析，该计算模型假定托换结构的新承台与老承台之间为接触良好，按照整体建模考虑。因此新老结合面的处理是实际工程的重点，设计和施工必须重视。模型中桩基编号与托换结构中的编号一致，不考虑老桥桥台1～3、10、11桩基(共5根)参与受力，具体模型见图9所示。

图9 承台补偿有限元模型

计算新承台配筋、老承台内力分析、托换结构后，群桩内力进行重分配。计算结果表明新老承台能满足规范要求，而群桩桩顶内力见表3、表4所列。

表3 承台补偿后群桩内力分配表

表4 承台补偿后群桩内力分配表

新承台与老承台之间桩基不均匀沉降4.3mm。由于老桥桩基沉降基本已稳定，为减少新老承台的不均匀沉降，对新桩基采取相应措施预压；而人工挖孔桩本身进入K1g-3-2中风化泥岩、泥质粉砂岩，严格控制沉渣，从而进一步控制不均匀沉降。

对既有桥台结构基础顶面及路面进行沉降监测，检测点间距3 m，沿桥梁及路基挡墙既有结构边缘布置。监测频率、预警值应根据施工进度及产权单位要求确定。

3.2.2 注意事项

(1)托换桩基平面布置时注意与地铁隧道距离，保证桩基不影响地铁施工；与老桥其它桩基中心距离满足规范要求。

(2)新旧混凝土结合面连接的构造措施。

(3)考虑桩基不均匀沉降对既有结构的影响。

(4)混凝土浇筑期间需采取适当的控制措施，选择在夜间车流量少的时候进行混凝土浇筑，减小桥梁振动对混凝土浇筑质量的影响。

(5)制定完善监控项目及监控指标，各项监测工作的监测频率根据施工进度确定，结构变形过大或场地情况变化时应加密监测，有事故征兆时则需连续监测。每次监测工作结束后，及时提交监测结果和处理意见。监测基准点埋设在远离工程外稳定地点，保证监测精度。

4 结语

从结构受力、施工难易度、施工工期、工程造价等方面综合考虑，优化选定了承台补偿方案作为桥台主动桩基托换方案，对于将来同类桥梁的加固处理起到借鉴作用。

[1]柳宪东，王睿，等.南京地铁三号线工程施工设计第五篇区间工程第十九册雨花门站-卡子门站区间第一分册平纵断面及衬砌环布置图[R].广州地铁设计研究院有限公司，2012.

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