成都地铁3号线衣冠庙立交桥桩基托换设计

许 东

(广州地铁设计研究院有限公司，广东广州 510010)

0 引言

建筑结构基础托换技术在民用建筑中使用较多且较为成熟［1］，但城市地铁所处的地层条件及周边环境较复杂，使其基础托换技术有别于其他建筑。

在地铁区间隧道工程中，采用托换技术将既有桩基荷载转移至新设基础与地基上，可清除障碍桩基并实现新建隧道的顺利推进［2］。徐前卫等［3］通过理论分析和数值计算等手段，对桩基托换施工过程中必要的地基加固范围、桩基合理开挖暴露长度、桩－筏体系受力转换机制、桥梁结构的稳定性、残桩对隧道结构的影响等问题进行了研究;黄新民［4］提出了采取“满堂脚手架顶托+袖阀管注浆加固”的方法对人行天桥进行保护，以分散盾构隧道施工时承受的顶部荷载，降低由于盾构隧道开挖引起的地层损失，保证施工期间人行天桥的运营安全。目前桩基托换技术［5－7］在地铁建设中的应用情况表明，桩基托换应用于地铁车站的实例相对较少。

本文以成都地铁3号线高新大道站下穿衣冠庙立交桥桩工程为背景，采用桩基托换技术解决桥梁桩基大跨度托换梁受力2次转换、桥梁托换结构与车站围护及主体结构一体化设计的难点和重点问题，采用主动与被动托换相结合”的方案，在不中断桥梁上部通行情况下，车站在桥下采用明挖法施工。

1 工程概况

衣冠庙立交桥建成于2006年，上跨一环路，桥型为预制单箱单室简支梁桥。地铁3号线高新大道站沿一环路布设，为满足车站对客流吸引的功能需求，车站需跨十字路口设置。根据站位方案桥梁中线与车站中心轴线交角为89°，桥梁6#桥墩桩基位于车站结构正中，为满足本工程的可实施性及不影响立交桥的正常使用，需要对该桥桩基进行托换设计。车站与立交桥的相对位置关系如图1所示。

图1 车站与衣冠庙立交桥相对位置关系Fig.1 Relationship between Metro station and Yiguanmiao overpass

衣冠庙立交桥桥面为双向4车道，宽15.1 m，桥下净空约5 m。桥梁结构简支梁桥跨度20.7 m，沥青混凝土路面，6#桥墩基础为2根直径1.5 m、长15.5 m的摩擦桩，桩端位于密实卵石层，桩中心距离6.5 m，桩顶承台9 m×2.5 m×1.5 m(长 × 宽 × 高)，桩顶标高497.45 m，原桥单桩基承载力特征值为5 300 kN，采用C30混凝土浇筑。桥墩立面及侧面如图2所示，桩侧地层如表1所示。

图2 桥墩立面图及侧面图(单位:cm)Fig.2 Profile of pier(cm)

表1 地层特征表Table 1 Properties of different strata

高新大道站车站全长454.378 m。本站右线设有站后停车线，车站中心里程处顶板埋深约3 m，车站主体结构总高13.33 m，结构底板埋深约16.5 m，车站标准段外包宽度为 19.7 m，主体结构外包总长为216.8 m，车站主体结构为岛式地下二层双跨箱型框架结构，11.0 m宽岛式站台，车站主体采用半盖挖法施工，车站两端接盾构区间。

2 桩基托换方案设计

托换设计的关键是变形控制和托换结构荷载转移，常规托换方案分为主动托换和被动托换。受桥梁下方车站宽度的影响，托换梁跨度最小约为19.7 m，若一次性托换至车站以外，车站顶板以上托换梁截面尺寸无法满足变形控制要求。因此，本工程采用被动与主动相结合的2次托换设计方案。本工程采用TL3 3 500 mm×2 200 mm对原承台2 500 mm×1 500 mm进行包裹，然后与2根TL1 1 400 mm×2 200 mm、1根TL2 1 400 mm×2 200 mm形成门式托架将桥梁先期荷载传递至车站围护桩上方，原桥桩正下方为车站中柱900 mm×1 300 mm作为永久承载结构，主体结构完工后采用二次托换转换至主体结构上方。托换结构平面布置如图3所示。

为保证施工期间托换结构的整体稳定性，经过初步计算分析，在托换梁下方设置6根φ1 200钢筋混凝土临时立柱桩，车站主体结构施工完成后进行二次托换，将桥梁上部结构荷载转换至主体结构上方，4根托换梁与车站围护桩作为桥墩水平荷载的约束体系。车站在原桥桩基位置布2根中柱，在顶板和托梁间设置900 mm×1 300 mm的混凝土支座。

图3 托换结构平面布置图(单位:mm)Fig.3 Plan layout of underpinning structures(mm)

2.1 托换初步方案

综合考虑车站建筑方案、基坑围护结构方案、工程经济及现场施工条件等，本站利用车站基坑围护桩及车站箱型主体结构作为托换后桥梁的竖向承载结构。

第1步采用被动托换，先期托换至车站围护桩上方，因托换梁跨度过大，在基坑内侧施作临时立柱用以减少托换梁跨度控制变形，随着车站基坑开挖，原桥桩侧摩阻力逐步释放，桥梁上部荷载逐渐转移至围护桩及临时立柱上方。第2步采用主动托换技术将桥梁竖向荷载转移至主体结构中立柱上方，并截除托换梁下方临时立柱，组合托换梁与车站箱形主体、围护桩共同组成最终的托换体系。

具体施工步骤如下:施工车站围护桩、临时立柱及其桩基础—对原承台进行凿毛，施工托换梁与桩顶冠梁—托换梁上方架设临时路面，恢复交通—车站基坑开挖至设计标高—施工车站主体结构—二次托换至车站主体上方—截去原桥桩基—浇注钢混凝土支座—拆除临时立柱—施工临时立柱开孔的后浇板带、施工防水—回填、恢复交通。

托换最终结构关系如图4所示。

2.2 托换结构计算分析

本工程桥梁桩基托换设计方案需要保证桥梁上部结构的安全可靠性和车站基坑开挖施工过程中不至于产生过大的变形和较大的应力，针对上述施工过程进行三维数值模拟计算分析。计算共分为2种工况:工况1为第1步被动托换施工，计算模型如图5所示;工况2为第2步主动托换施工，计算模型如图6所示。

图4 托换最终结构关系图Fig.4 Final underpinning structure

图5 工况1计算模型Fig.5 Calculation model of case 1

图6 工况2计算模型Fig.6 Calculation model of case 2

计算结果如表2和表3所示。

表2 工况1托换体系计算表Table 2 Calculation results of underpinning system in case 1

表3 工况2车站主体结构计算表Table 3 Calculation results of main structure of Metro station in case 2

2.3 TL3与原桩承台结合设计

托换结构与原桥承台的结点设计是此托换设计方案关键点，为了使新旧结构共同协调作用，TL3对原承台包裹时新旧混凝土界面均要求处理。主要施工措施有:采用旧混凝土表面凿毛成6 mm齿状接触面，托换梁混凝土浇注前4 h全面积采用Ⅰ型界面剂处理;新旧混凝土间植抗剪钢筋，钢筋为Φ25@400×400，植筋施工应满足JGJ 145—2004《混凝土结构后锚固技术规程》的有关规定。承台托换节点处理如图7所示。

1)植筋锚固长度［8］

式中:ld为植筋锚固深度设计值;φn为考虑各种因素对植筋受拉承载力影响而需加大锚固深度的修正系数，取1.1;φae为考虑植筋位移延性要求修正系数(当混凝土强度等级低于C30时，对6度区及7度区一、二类场地，取1.1;对7度区三、四类场地及8度区，取1.25;当混凝土强度高于C30时，取1.0);ls为植筋基本锚固深度;αspt为防止混凝土劈裂引用的计算系数，取1.0;d为植筋公称直径，取25 mm;fy为植筋用钢筋的抗拉强度设计值，fy=300 N/mm2;fbd为植筋用胶粘剂的黏结强度设计值，fbd=4.5 N/mm2。

图7 新旧混凝土节点处理大样图Fig.7 Details of treatment of joints between existing concrete and fresh concrete

可计算出 ld≥ 346.6 mm，本植筋深度为350 mm ＞346.6 mm，其植筋深度可满足要求。

2)托换梁与原桥承台新旧混凝土抗剪［9］

式中:γ为综合系数，取值1.3;P为新旧混凝土结合面竖向承载力，kN;fc为梁、柱混凝土抗压强度设计值，kPa，取较低值，取14.3 N/mm2;Ac为新旧混凝土交接面的有效面积m2，取33 m2;fs为结合面配置的植筋抗拉强度设计值;As为结合面上同一截面植筋总截面面积。植筋Φ25间距按400 mm间距考虑，原承台两侧可布240根，As=240×490=117 600 mm2。经计算，托换梁与原桩承台抗剪满足要求。

2.4 托换梁与承台节点承载能力验算

1)正截面承载能力验算。根据计算分析选取托换1、2最不利弯矩:托换节点下缘11 763 kN·m、临时立柱上缘6 562 kN·m进行验算，节点下侧受拉侧钢筋取15φ32+15φ32、梁上侧钢筋取15φ32，按托换结构内力计算结果数据，托换梁正截面承载力满足设计要求。

2)斜截面承载力验算。根据混凝土设计规范，节点处0.25βcfcbho=0.25 × 1 × 19.11 × 1 400 × 2 160=14 446 080 N ≥ γoV=4 556 200 N，满足要求［10］。

2.5 临时立柱桩基计算

1)根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力的标准值，临时立桩桩基竖向承载力设计值［11］

式中:qsia为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值;qpa为极限端阻力标准值。

单桩竖向承载力计算仅考虑当基抗开挖至基底，车站主体结构未施作，托换桩侧摩阻力仅考虑基坑以下长度，根据详勘资料，桩基持力段位于密实卵石(层厚 6.8 m)、强风化泥岩(层厚 11.14 m)、中风化泥岩(层厚1.56 m)，桩端位于中风化泥岩内。其极限侧阻力标准值分别为120、70、110 kPa，中风化泥岩极限端阻力为3 000 kPa。桩径1.2 m、桩长19.5 m，得出Ra=10 050 kN＞2×4 999 kN。桩基竖向承载力满足要求。

2)临时立柱桩身强度验算。验算公式为

式中:托换桩混凝土强度等级为C30;换桩桩身直径为1 200 mm;单桩轴心竖向力根据计算结果F=4 999 kN(桩基轴力设计最大值，计算结果:Q=π×0.6×0.6 ×14.3 ×0.7 ×10 ×10=11 315.3 kN ＞ 4 999 kN。

3)临时立柱桩稳定性计算。托换桩按两端铰支的压杆进行稳定性计算［11］，计算式为

式中:F=4 999 kN(桩基轴力设计最大值)，σ =F/(A × ψ)=4 999/(π × 0.6 × 0.6 × 0.87)=5.08 MPa ＜ fc=14.3 MPa，满足要求。

2.6 二次托换预顶设计方案

1)预顶方法。施工时在车站顶板至托换梁下高约630 mm，放入千斤顶，实现顶板、托梁间可控的作用力。

2)预顶的目的。消除一次托换桥梁上部结构变形以及二次转换托换荷载到车站顶板上。

3)车站中柱上分别布设2×500 t千斤顶，单个千斤顶预顶力设计为4 000 kN。

4)应采用带自锁装置的千斤顶。千斤顶的组合形心必须与柱的形心重合。

5)车站主体结构达到设计强度后，在车站中纵梁上布设千斤顶先期预加10%预加力后锁紧，采用静力切割对原桥桩进行切除，两者分离后再进行后续加载工作。

6)托换预顶加载采用分级加载原则，共分10级加载，每级荷载增量为千斤顶加载上限值的10%，不可一次加载到最大值。每级加载需保持10 min，等结构稳定后方可加次级荷载。被托换桩的上抬量不能大于1 mm，大于此值应停止加载。在加载过程中同时应严格监测托换梁裂缝的产生及发展，最大裂缝宽度大于0.1 mm时，停止加载。预顶施工时应对临时立柱轴力进行实时观测，加载过程中单根轴力大于4 000 kN时应停止加载，并通知设计单位。加载时所有千斤顶应联动并保待同一顶升力。

7)预顶时，必须严格控制千斤顶的顶升力和TL3的两端的位移，各千斤顶顶升力达到控制值而梁端位移未达到位移值2～3 mm，或梁端位移值已达到控制值(3 mm)而顶升力未达到控制值时，或顶升力与位移值未达到要求而临时立柱轴力超过4 000 kN时，应立即通知设计单位，以便对设计参数进行调整。

2.7 施工监控量测

施工前应对衣冠庙立交桥梁的缺陷及损伤进行全面、细致和深入的现场调查，了解该桥各个构件的技术状况。主要包括墩身和梁体的裂缝调查、支座状态调查和桥上设备调查。调查结果需取得权属单位的认可。托换体系监测项目及监测仪器如表4所示。施工时托换梁及桩墩共布设16个观测点，其施工过程中的沉降监测如图8所示。

表4 桩基托换监测项目表Table 4 Monitoring items during pile foundation underpinning

图8 沉降监测累计数据图Fig.8 Settlement monitoring data

本托换施工已顺利完工，第1次托换结束时桥面下沉2 mm，第2次托换结束时桥面下沉5 mm，最终累计下沉7 mm，整个施工过程没有影响桥面行车安全。

3 施工风险及防控

3.1 影响施工安全的因素

本工程较一般桥梁托换设计不同之处在于，托换施工同地铁车站基坑开挖同步进行，基坑开挖的过程也就是桥梁托换荷载的转化过程，地铁基坑的稳定性直接影响桥梁的结构安全，并且本桥在托换施工过程中上部车辆不中断，因此桥梁上部汽车动荷载也是影响托换结构稳定性的一个重要因素。施工过程中原桥桩截桩施工、桥桩承台施工处理、二次顶升施工等均对托换施工的安全构成影响。

3.2 控制措施

1)衣冠庙立交桥进行托换施工前需要做专业评估，以确定桥梁的健康状况并作为后续施工监测的依据。

2)施工过程中应限制衣冠庙立交桥上与桥下托换梁盖挖顶板上方行车速度不大于40 km/h，并限制通行车辆最大轴力为100 kN。

3)针对位于基坑中间临时立柱桩，基抗开挖时需采用对称挖土，以减少不平衡土压力对桩的作用。

4)施工过程中需在变形缝处铺设钢板并采取固定措施，钢板四周采用高强砂浆填充避免出现跳车。

5)托换施工前施工单位应制定托换专项施工方案并报设计单位审查。

4 结论与建议

1)本文通过本桥托换的研究得出车站位于城市既有立交桥下采用托换结构与车站围护结构、主体结构结合，并使用主动与被动托换的方法是可行的，有效控制了桥梁沉降，保证了在桥上交通不中断的情况下完成桥下地铁车站施工。

2)托换施工基本流程及原则是:桥梁桩基托换原则是结合新建结构保证既有桥梁结构的安全，本站结合车站围护结构和车站主体结构作为托换转换施工的关键是新旧混凝土节点处理措施。

3)本工程采用梁包承台的方法进行托换节点处理，新旧混凝土采用界面剂+植筋的方法进行处理，其施工后的连接效果暂时无法找到有效的方法进行监测。

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