超静定平台结构二次主动托换设计与施工

2014-05-04吴世明刘冠水

铁道建筑 2014年4期

王博，吴世明，刘冠水

(浙江浙大网新集团有限公司，浙江杭州 310007)

近年来，地下工程在我国城市得到了日新月异的发展，地下工程下穿既有密集的建筑物时有发生。为保证既有建筑物和新建地下工程的安全，须对既有建筑物基础进行托换。桩基托换，即在托换新桩上设置顶升千斤顶，并可通过顶升千斤顶对结构梁板进行预顶升及卸载，从而将需要托换的结构(立柱)所承受的既有荷载，传递到新施筑的托换桩基上，实现托换结构与桩基之间力的转换［1-2］。

桩基托换分为主动托换与被动托换两种形式。主动托换是当托换建筑物托换荷载大、变形控制要求严格，需要通过主动的变形调节来保证变形要求。主动托换方式对变形的控制具有主动性，适用于对变形要求严格的建筑物。被动托换是托换建筑物托换荷载小、变形控制要求不甚严格，依靠托换结构自身的截面刚度，可以在结构完成后即将托换桩切除，直接将上部荷载通过托换梁(板)传递到新桩，而不采取其它调节变形的措施。该托换方式变形控制为被动适应［2-7］。尽管主动托换在地下工程中应用得越来越广泛，但是，托换施工过程中，风险依然巨大。本文介绍了亲水平台概况，二次主动托换设计方案及信息化施工过程，讨论了二次主动托换成功的关键点。

1 工程概况

中国棋院亲水平台为地上一层建筑，结构为大型超静定钢筋混凝土梁板结构，荷载传递方向为:平台板→次梁→主梁→结构柱→桩基。结构设计荷载标准值为:平台顶覆土(含面层)重10.8 kPa，使用活荷载3.5 kPa。平台主梁为预应力钢筋混凝土梁，框架柱高6.13 m，截面尺寸为800 mm×1 000 mm。立柱距离路面下1.5 m处为钢筋混凝土承台，亲水平台采用柱下独立承台桩基础，桩基分别为φ800 mm和φ1 000 mm的钻孔灌注桩，有效桩长约38 m。

亲水平台属于观景平台，上有处于运营状态的餐厅，安全要求高，对变形有严格限制。杭州运河隧道下穿亲水平台，由于立柱承台侵入隧道净空限界，必须对该平台中D轴线的11根墩柱进行托换。待隧道主体结构完成后，11根立柱重新接长至隧道中隔墙，并与之固结，完成结构荷载两次力的转换。亲水平台二次主动托换立柱较多，位移限制严格，且平台下净空有限，托换梁、柱及桩基施工空间小，难度大，属于运河隧道建设过程中的重大风险源之一。

根据地质勘察报告，平台托换主要土层如下:①杂填土，厚度2.7～6.4 m;②砂质粉土，厚度1.71～16.6 m;③粉砂，厚度7.5 m;④淤泥质粉质黏土，厚度2.3 m;⑤粉质黏土，厚度7.4 m;⑥砾石，厚度＞10 m。托换前后对比照片见图1和图2。

图1 托换前亲水平台

图2 托换后亲水平台

2 设计方案

2.1 设计原则及要求

由于亲水平台在托换过程中需保持正常运营，且托换立柱需进行两次力的转换，同时考虑本工程的具体情况，本托换工程需遵循以下几个基本原则及要求:①立柱托换后，立柱、隧道中隔墙等永久结构体系使用年限不少于隧道设计年限，新托换结构体系的承载力必须具备足够的保证并有一定的储备;②二次托换完成后，必须保证平台原有功能，不得改变原平台立柱平面布置，维持原净空;③根据设计规范以及使用安全性要求，对立柱绝对沉降需严格控制，二次托换引起的相邻立柱沉降差必须严格控制在允许附加变形范围以内;④二次托换施工中，必须采取有效措施完成“柱—梁”、“柱—墙”两次荷载的有效转换;⑤二次主动托换完成后，应保证运河隧道的施工安全。

2.2 二次主动托换的主要步骤

二次主动托换主要包含托换结构施工，及结构荷载二次转换两部分。主要步骤如下:第一步，前期准备及辅助工作。参建各方会同棋院业主一起，详细实地调查并记录平台构筑物现状，包括沉降、裂缝、损坏情况;各方确认并签字。第二步，在征得平台业主同意的前提下，在需托换的立柱上布设监测点，布置测量基准点等。第三步，进行地基加固，施工托换桩基(20根φ1 000 mm及2根φ1500 mm钻孔灌注桩)及桩顶系梁，见图3。第四步，托换立柱钻孔植筋，在植入钢筋达到设计抗拔强度后，架设抱柱梁钢筋骨架，立模并浇筑抱柱梁，见图4。第五步，待系梁及抱柱梁达到设计强度后，在系梁上安装千斤顶，分级、同步顶升完成第一次力的转换(立柱—抱柱梁)。第六步，在达到设计顶升力时，采用合金锯链逐步切割被托换墩柱，在切割完成部分，放入钢垫板，防止立柱突然下沉。同时调整顶力，控制立柱变形。第七步，托换墩柱切割完成后，凿除上部立柱1 m左右混凝土，保留原立柱钢筋。凿除下部立柱及承台，为后续施工做准备。第八步，开挖基坑架设钢支撑，并施加预应力，施工隧道底板、侧墙，浇筑中隔墙，见图5。第九步，待中隔墙达到设计强度后，中隔墙伸出钢筋与原立柱保留钢筋相焊接，布设分布钢筋(箍筋)，立模并浇筑微膨胀混凝土，见图6。第十步，待微膨胀混凝土达到强度，系梁上千斤顶出现轻微卸载现象时，千斤顶开始分级、同步逐级卸载，完成第二次力的转换(抱柱梁—中隔墙)。第十一步，所有托换柱都完成二次转换后，凿除系梁、托换桩。浇筑剩余部分隧道底板。至此，平台立柱托换工作全部完成，见图7。

图3 二次托换第三步

图4 二次托换第四步

图5 二次托换第八步

图6 二次托换第九步

图7 二次托换第十一步

2.3 抱柱梁的设计

抱柱梁与柱节点的处理是保证荷载有效传递的关键，也是二次托换成功的关键。该节点处理如图8所示。托换柱的尺寸是800 mm×1 000 mm，在800 mm面植入15φ25钢筋，在1 000 mm面植入25φ25钢筋，以保证抱柱梁与立柱的良好固结。同时在抱柱梁和立柱连接处根部上下各加设4φ25的加强筋，以保证在连接处复杂应力条件下的可靠传力。

图8 抱柱梁节点(单位:mm)

2.4 平台变形的有效控制

在二次主动托换结构体系中，立柱轴力为作用荷载，托换桩为支承;抱柱梁承受上部结构传来的荷载并将这些荷载传递给下部托换桩，在结构传力上起到承上启下的作用。由于亲水平台经历了数年的使用过程，变形已基本稳定，处于收敛状态。且抱柱梁本身刚度远远大于立柱，二者通过植入钢筋和混凝土紧紧固结，可以假定两者协同工作，这样，就可以通过测量抱柱梁的变形来间接反映立柱的变形。

控制平台立柱变形是二次托换工程中最为关键的问题之一。首先，平台对托换引起的变形非常敏感，且托换结构体系大部分变形是在上部结构与下部桩基逐步分离过程中完成的，故二次托换工程对控制差异沉降的要求比新建工程更高。其次，由于存在平台部分立柱被托换，而其余部分未被托换的情况，应避免托换区与非托换区的结构产生过大的相对沉降变形。这对托换区结构体系的后续沉降提出了较高要求。第三，由于平台在托换过程中处于运营状态，过大的差异沉降会导致平台上结构物(餐厅)产生裂缝。

基于以上原因，并根据现行有关规范，参考国内外托换工程有关资料和实例，结合本工程实际情况，亲水平台二次托换的结构沉降变形要求:托换完成后差异沉降≤5 mm，最终差异沉降≤10 mm。

3 信息化施工体系

亲水平台二次托换风险大、技术要求高，信息化施工是决定托换成败的非常重要一环。在施工过程中，应通过全程实时监测，并及时反馈，多种监测手段并用，相互应证来反馈信息指导托换施工。

二次托换施工监测内容主要包括平台建筑物的沉降、倾斜及裂缝观测，地面沉降观测，地下水位观测，抱柱梁变形观测，立柱高程监测，液压参数监测等。二次托换施工监测过程中，对于结构物沉降、抱柱梁变形等关键数据，采用多套体系独立观测，相互应证。电子百分表自动实时测量抱柱梁变形;精密水准仪、全站仪测量结构物沉降、倾斜和抱柱梁变形。

监测工作应注意以下几点:①需对平台初始状态进行观测，记录被托换平台的先期变形和结构裂缝情况。以确定被托换建筑物的变形控制标准，确保上部结构的正常使用。②立柱托换、地层加固施工和隧道主体结构施工期间，必须对周边房屋沉降、结构变形和裂缝开展等进行监测，并制定专门的监测措施。③立柱托换施工期间，监测抱柱梁变形和柱竖向位移的测点布置在梁两端及梁柱节点处。④液压千斤顶加载采用分级加载，共分3级加载;第一级荷载为设计荷载的50%，第二级荷载为设计荷载的30%，第三级荷载为设计荷载的20%。每级加载需保持30 min，等结构稳定后方可加次级荷载。⑤在托换施工过程中，被托换柱的变形上抬量不能大于1 mm，被托换柱的下沉量不能大于3 mm。上述变形控制值可通过电子百分表实时量测，反映到中控计算机。然后通过PLC系统，实时调节千斤顶油压，来控制托换立柱的变形。⑥在托换施工中，除了托换系统自带的实时位移监测系统之外，由精密水准仪、全站仪组成的非实时位移监测也必不可少，虽然精度不及实时系统，但是，非实时监测系统是完全独立的系统，可以有效地校核、校正实时监测数据，实现不同系统间数据相互印证。⑦在进行第二次荷载转换，即“梁—墙”转换时，当同时满足以下条件:立柱新浇筑微膨胀混凝土达到龄期，千斤顶发生轻微卸载，平台产生微量上抬时，可以判断立柱新旧混凝土的结合良好，可以开始分级、同步卸载。同时密切监测立柱、平台的变形，确保平台安全。

4 结语

托换是城市地下空间开发中保护既有建筑物的主要手段，其应用范围日益广泛。然而，托换技术是一项风险性较大的特殊技术。特别是二次托换，需经历“柱—梁”，“梁—墙”两次力的转换，其复杂程度和对施工精度要求均大大高于单独的桩基托换。因此，二次主动托换必须精心设计，精心施工，并对全过程实时监测，才能保证托换工程的成功。

二次主动托换的关键在于荷载的转换与变形的控制，必须做到以下几点:

1)荷载的二次转换均通过抱柱梁与立柱节点完成，立柱植筋和新旧混凝土结合是保证荷载有效传递的关键。施工中，应特别注意植筋抗拉拔试验和旧混凝土面的凿毛。

2)除根据有关规范规定，还应结合建筑物的自身特点，确定合理的建筑物变形允许值，保证托换过程中、托换后建筑物的正常使用功能。

3)在二次托换施工过程中，宜采用不同监测系统对立柱和平台变形进行监测，通过实时和非实时系统数据相互对比和印证，有效控制建筑物变形。

4)二次托换过程中，液压千斤顶加载、卸载应分级、同步实施，并通过PLC系统实时微调油压，以确保托换变形控制在柱端下沉3 mm、上顶1 mm范围内。经验证，此要求是合理的。

5)在“梁—墙”转换中，新浇筑立柱宜采用微膨胀混凝土，并根据混凝土龄期和立柱、平台变形受力状态，判断新旧混凝土的结合情况，保证荷载第二次转换成功。

［1］刘冠水，李德超，钱建固，等.杭州亲水平台桩基托换施工影响数值分析［J］.地下空间与工程学报，2012(增2):1747-1753.

［2］王博，张保圆.地铁施工中既有桥梁的桩基托换技术［J］.铁道建筑，2011(4):47-48.

［3］丁赛华，叶建忠.基础托换技术在地铁建设中的应用［J］.城市轨道交通研究，2010(7):69-72.

［4］曲文婷.隧道穿越建筑物桩基主动托换有限元分析［D］.上海:同济大学，2012.

［5］黄思勇，罗昊冲，熊刚.复杂主动托换结构方案设计［J］.铁道建筑，2010(5):82-84.

［6］李德超，钱建固，刘冠水，等.开挖状态下既有托换桩基变形有限元分析［J］.岩土工程学报，2012(增1):238-242.