浅谈桩基托换工法在隧道下穿高架桥风险源中的应用

陈亚民

摘要：我国目前处于经济高速发展、日新月异的新时代，在国家及地方各级政府的支持下地下轨道交通、综合管廊、海绵城市等新的城市规划在国内遍地开花。在地下隧道施工中，多遇到下穿既有建筑物、构筑物等风险源的情况。本文作者根据某市地铁2号线盾构下穿建和桥（二层高架桥）一级风险源采用桩基托换工法做了详细的阐述。

关键词：桥梁顶升；截桩；风险源；高架桥

1.前言

我国目前经济处于高速发展、日新月异的新时代，在国家及地方各级政府的支持下地下轨道交通、综合管廊、海绵城市等等新的城市规划在国内遍地开花。同时，我国发展要求高效率、快节奏且绿色环保，尤其在各大城市中，不允许大规模出现“马路拉链”、公路断交、明挖扬尘等频繁的阻断交通、污染环境的问题，这使矿山法、盾构法等地下施工成为隧道施工中最优先采用的施工方案。但在地下隧道施工中，多会遇到下穿既有建筑物、构筑物等风险源的情况。本工程为某市地铁2号线长安公园站～蓝天圣木站区间下穿建和桥一级风险源。

2、工程概况

2.1 区间工程简介

长安公园站～蓝天圣木站区间采用盾构法施工，右线的起始里程为K32+699.392，终止里程为K33+642.447，总长度为943.055m。线路纵向坡度呈“一”字型坡，上升纵坡8.226‰，区间结构覆土厚度约10.6～15.3m，盾构直径6.2m。

2.2 建和桥基本情况

建和桥设计于1994年，建成通车于1996年，设计建设时期桥梁名称为“棉一立交桥环桥工程”。建和桥下交通，主要联通南北向建设大街与东西向和平路方向交通枢纽；现状建和桥下方可通过直行机动车道机动+转弯车道+非机动车道。

二层环桥上部结构为预应力混凝土多点支承异形板。线路在区间中部穿越建和桥及和平路跨线桥立交桥区，其中盾构隧道与建和桥北块45#、46#的4根桩基发生冲突，与南块40#、42#桥墩的6根桩基发生冲突，因此需对45#～46#、40#～42#桥墩基础进行桩基托换。

建和桥主桥范围为一座环形桥，分为东、南、西、北四个异形块桥，四个块并不对称。异形块梁高1.3，悬臂3m，为多箱室异形预应力结构。40#～42#桥墩为南异形块中部一排支点桥墩，为单圆柱墩，直径1.2m，墩高3.6m；每根柱下为6.3×6.3×2.0m四桩承台，桩基直径1.5m，桩长20.6m；45#、46#桥墩为北异形块中部一排支点桥墩，为单圆柱墩，直径1.2m，墩高3.6m；每根柱下为6.3×6.3×2.0m四桩承台，桩基直径1.5m，桩长20.6m。

按2号线初堪地质资料，原桩基础持力层为⑥-1细中砂或⑥-2中粗砂层，应为摩擦桩设计。

图2-4 建和桥北块构造图

图2-5 建和桥南块构造图

2.3 建和桥顶升原因

盾构隧道与建和桥南异形板块40#、42#桩基和北异形板块45#、46#桩基发生冲突，因此需对40#～42#、45#、46#桥墩基础进行桩基托换。

在桩基托换基坑开挖的过程中，40#～42#、45#、46#桥墩由于下挖至老承台底以下4m深，至使原有桩基承载力削弱，可能会带来承台墩身的下沉，同时相临的22#、28#、34#号墩也可能受到不同程度的影响产生下沉；在盾构穿越桥区时，盾构隧道洞身一定范围内的土体会出现一定程度的隆降变化，至使桥墩出现不同程度的变化，因此需对上述各墩进行预支顶，当个别或部分桥墩出现沉降时，能够通过预支顶系统将梁体顶起至初始位置。避免梁体开裂，保障梁体的运行安全。

在桩基托换前，新承台未加载的情况下，沉降未稳定，故在新老承台间设置顶升系统用于完成体系转换，在旧桩截桩前，对新承台施加设计荷载的1.2倍，使新承台沉降迅速趋于稳定，在沉降基本稳定后，截断新老承台间的旧桩基，使得新老承台间处于自由的状态，再顶升不大于1mm的，以确定支反力是否合适，最后在新老承台间浇筑混凝土，完成永久固定。

2.4 托换总体流程与步骤

2.4.1 托换总体流程图

图2-8 区间桩基托换总体流程图

2.4.2 托换施工步骤图

2.5 顶升工程重难点

（1）建和桥为钢筋预应力混凝土异形板梁，结构建模分析一般采用梁格法进行建模分析，计算结果往往与实际悬殊较大；结构对变形较为敏感，通过前期检测报告的结论来看，本桥相临墩沉降差控制值最小为1.6mm，对顶升系统要求高，控制难度大。

（2）顶升面對的可能工况极为复杂，在托换施工过程中可能1个墩、2个墩或多个墩出现沉降超限，这就要求顶升系统能够对任一可能出现沉降超限进行调整，能单个调整，也能任意分组调整，能单个支动作，也能分组或整体同步动作。

（3）本桥要求相临墩沉降差控制值最小为1.6mm，要求测量精度至少为0.1mm，如此高精度的水准测量还无法实现自动监测，测量不连续，顶升系统的调整也不会连续，从而增大沉降超限调整不及时产生的开裂风险。

（4）22#墩与其它各墩结构差异大，一侧为异形板另一则为T形梁，荷载差异也很大，无形中增加了顶升系统的设计难度。

（5）顶升系统关系建和桥运行安全，因此系统自动化程度要求高；需运行1年以上，系统长期运行可靠性要求高；以减少人为因素的影响。

3、施工总体安排

3.1 总体方案

在需预支顶的各墩旁设置临时墩，墩顶安装液压千斤顶，千斤顶带有压力传感器及位移传感器，千斤顶由液压泵站驱动，22#墩T梁侧按左中右分3组，每组3个顶，每组由1台泵站进行驱动。22#墩异形板侧按左中右分3组，左右各1个顶，中间2个顶，每组由1台泵站进行驱动。其余各墩每个墩柱周围安装4个顶，为1组，每组由1台泵站进行驱动。

40#～42#、45#46#墩每个新老承台间安装4个顶，为1组，每组由与其对应的预支顶泵站驱动，预支顶与托换顶升不现时工作，需转换时只需要操作相应控制阀即可。

考虑到各墩支反力差异大，为保证各自处于理想的工作状态，故每个泵站均由1台变频器驱动，以调整各自的顶升速度，从而使同步工作时速度一致并能够负反馈闭环控制。每个变频器由1台PLC进行控制，以实现不同墩之间的逻辑控制，每个泵站构成一个分站。

南块11个分站，由一个主站控制，北块10个分站，由一个主站控制。主分站之间采用无线网络连接。操作手饼为一台安装有控制程序的平板电脑。主站安装有4G通讯模块，可以通过4G网络与项目部和监控室进行通讯。在监控室可以查看、记录、控制顶升系统。

运行程序设計总体分2种模式，模式1为手动，模式2为自动，手动模式为正常的作业模式，作业开始前转入手动模式；自动模型为安全保障模式，作业完成后转入自动模式。自动模式下，当系统检测到力和变形超限后，会短信通知授权的电话号码，同时系统会按照设定的动作自动运行。

手动模式运行时以第三方监控提供的调整值为依据进行调整，同时结合自身及相临墩受力情况进行校核；自动运行时以设计计算最小支反力的90%为上限，为70%为下限，并且每次运行行程限值为1mm，此时千斤顶务主要由液压力承受，小部分由螺纹自锁承受。在有限元分析模型中分析70%支反力时，梁体应力增加不超过抗裂设计值为准。

在原桥基截断前，将千斤顶的油源压力锁死、螺旋自锁装置锁死，利用油压传感器检测千斤顶的压力，同时监测既有桩基的应力应变，调整千斤顶的油源压力，确定旧承台底荷载完全转移至托换桩，在旧承台底0.5m左右处逐根截断原桥基。

在原桥基的截断过程中，时刻监测托换承台的内力和位移，若产生较大位移活监控值发生突变，立刻停止截桩，并及时通知业主、设计和监理单位进行协商处理。当原桥基截断完成后，旧承台底荷载完全转移至托换承台上，托换承台上的千斤顶承受全部旧承台底荷载。

3.2 施工组织

3.2.1组织机构

为加强项目建设管理、确保工程建设工期、质量、安全、环境保护等建设目标全面实现，成立建和桥顶升、截桩施工控制小组，负责总体组织管理与对外协调。

3.2.2班组划分及劳动力配置

根据顶升施工进度目标与现场施工情况，计划安排四个班组，即一个监控班、一个白班、一个夜班、一个截桩作业班组。

3.3 机械材料配置

根据施工任务及进度要求，为保证施工材料供应满足施工需要，合理调配资源。顶升施工所需主要材料供应计划如下表：

（1）顶升作业主要机械设备配置表

（2）顶升作业主要材料表

3.4 托换施工过程中限载措施

根据托换施工的不同过程及交管部门审批的限载方案采取不同的限载方式：

（1）在围护结构、基坑4m内土方开挖、新桩基施工过程中，环形桥及引桥正常通行各类车辆，除严重超载重型货车。具体措施：夜间（20：00-6：00）在环形桥四个方向设置专人值守并配合值班交警严格检查重型货车并限制严重超载重型货车通行；超载重型货车绕行平安大街或者体育大街。

（2）在基坑4-6.9m土方开挖、新承台、顶升千斤顶架设工程中，环形桥及引桥通行小型汽车、轻型载货汽车。具体措施：夜间（20：00-6：00）在环形桥四个方向设置可专人值守并配合值班交警限制重型货车通行；重型货车绕行平安大街或者体育大街。

（3）在顶升、封固混凝土施工期间，环形桥及引桥彻底限行。具体措施：夜间（00：00-24：00）在环形桥四个方向设置限高杆派专人值守并配合值班交警严格限载除小型汽车以外的其他一切车辆；小型汽车以外的其他车辆绕行平安大街或者体育大街。

（4）其他施工过程不限行。

4、顶升主要施工方案

4.1顶升施工工艺流程

4.2顶升控制区域划分及液压系统布置

控制区域划分为4个组。控制点的划分原则为顶升过程安全可靠，特别着重同步性和桥体的姿态控制。

控制区域设置光栅尺控制位移的同步性，根据桥梁的结构，位移同步精度控制在2mm。位移传感器与中央控制器相连形成位移的闭环控制从而实现顶升过程中位移的精确控制。

光栅尺尺体固定于立柱侧面立柱截断面上端，读数头固定于立柱截断面下端。光栅尺量程为1200mm（见图4-6）。

4.3泵站安装

顶升泵站4台，尽量使千斤顶油管长度经济合理。

4.4顶升系统结构部分检查

a、千斤顶安装是否垂直牢固；

b、顶升支架安装是否牢固；

c、限位结构安装是否牢固，限位值设值大小是否符合要求；

d、影响顶升的设施是否已全部拆除；

e、主体结构与其它结构的连接是否已全部去除。

4.5顶升系统调试

4.6交验点的确定

在每个桥墩处的桥面上取3个监测点，两点在桥面两侧，一点在中线上，分别用于监测顶升过程中桥梁的标高及中线位置变化，并作为顶升结束后的交验点。顶升前应测得标高点初始值，以便顶升完成后进行复核。

4.7桥梁称重试验

通过预支顶千斤顶对上部结构进行称重，称重结果如与设计图纸不符，应及时通知设计单位核实调整。

4.7.1保压试验

a、油缸、油管、泵站操纵台、监测仪等安装完毕检查无误；

b、按千斤顶最大顶力的30%～90%加压，进行油缸的保压试验5小时；

c、检查整个系统的工作情况，油路情况；

4.8.2 称重

a、为保证顶升过程的同步进行，在顶升前应测定每个顶升点处的实际荷载

b、称重时依据计算顶升荷载，采用逐级加载的方式进行，在一定的顶升高度内（1～10mm），通过反复调整各组的油压，可以设定一组顶升油压值，使每个顶点的顶升压力与其上部荷载基本平衡。

c、为观察顶升处是否脱离，需用百分表测定其行程。

d、将每点的实测值与理论计算值比较，计算其差异量，由液压工程师和结构工程师共同分析原因，最终由领导组确定该点实测值能否作为顶升时的基准值。

4.8临时支撑安装、拆卸

异形板底下的临时支撑采用直径600mm，壁厚14mm的Q235钢管做立柱，厚度为20mm的钢板焊接成箱形梁做主横梁，立柱之间采用直径219mm，壁厚10mm的钢管进行连接，焊缝高度8mm～10mm，钢管底面焊接有法兰，与老承台顶面采用M30化学螺栓进行进行连接，化学螺栓长度380mm，锚固深度300mm，法兰与老承台顶面之间采用灌桨料进行找平及调节高度，安装后临时支撑横梁顶面与异形板底面之间保持间距为540mm～560mm，以保证300吨带自锁千斤顶能够顺利安装。

T底下的临时支撑采用直径400mm，壁厚10mm的Q235钢管做立柱，立柱之间采用直径219mm，壁厚10mm的钢管进行连接，焊缝高度8mm～10mm，钢管顶底面焊接有法兰，与老承台顶面采用M30化学螺栓进行进行连接，化学螺栓长度380mm，锚固深度300mm，法兰与老承台顶面之间采用灌桨料进行找平及调节高度，安装后临时支撑横梁顶面与异形板底面之间保持间距为320mm～340mm，以保证100吨带自锁千斤顶能够顺利安装。

千斤顶下混凝土调整垫块：

混凝土垫块高25cm，长宽均为70cm，平面位置详见托换布置图，混凝土材料为C40，钢筋为不小于φ8的螺纹钢筋，钢筋布置如下图：

考虑到桥下拼装，一般的起吊设备无法使用，故临时支撑各杆件加工成型后在桥位置拼装焊接，可考虑采用5T叉车配合安装，叉车也无法到位的地方，可在远处拼装并作临时连接，倒链拉至设计位置，调整后再焊接横连接。千斤顶的安装也采用叉车配合，倒链拖就位。

安装临时支撑时，需使立柱下底面与承台顶保持20mm-30mm的间隙，然后采用化学螺栓进行锚固，临时支撑各部尺寸合适后，对主柱下底面与承台顶间隙进行灌桨，等强后拧紧化学螺栓。

支顶前需对支顶处梁底进行检查，千斤顶支撑位置需保持平整，必要时对梁底进行麿平处理，千斤顶加载前对临时支撑各部焊接部位进行全面检查，防止焊接缺陷致使结构存在薄弱环节。

千斤顶顶面与梁底之间垫一层10mm厚的橡胶板，以防止梁体底面局部受力过高，同时还可以起到平衡各顶间受力状态的作用。如果需在千斤顶顶面与梁底之间加垫钢板，钢板尺寸不得小于38cm×38cm。

首次加载应逐级加载，加载过程注意观察临时支撑及各部变化情况，防止突然加載产生意外结果。

按图示搭设作业平台，平台支架采用扣件式脚手架，保证梁底距作业平台顶面在1600mm-1700mm以利于预支顶施工作业，脚手架扶手高于1.4米，设置安全防护网。

由于夜晚工作的需要，需在各作业点及检修点设置足够数量的灯，以方便作业，保障安全。

拆卸时，本着与安装相反的顺序进行拆卸，首先拆除千斤顶，再分拆立柱之间的横向连接，最后拆除横梁与立柱。

4.9顶升装置构成

顶升装置主要由千斤顶、泵站及控制系统组成，液压系统额定工作压力为63MPa，电气系统动力电为三相380V，控制系统为直流24V，作业过程中控制好动力电的使用，可更好的保障安全。各装置在系统管理下以设定的逻辑按操作人员的指令进行工作。

（1）千斤顶：

千斤顶主要有三种规格，一种是顶力400t，行程100mm，数量为20个，备用2个用于桩基托换顶升。第二种是顶力300t，行程100mm，数量为44个，备用4个用于异形块下方的预支顶。第三种是顶力100t，行程100mm，数量为18个，备用2个用于T形梁下方的预支顶。总计需要90个各规格的液压千斤顶。三种规格的千斤顶均为带机械自锁的单作用千斤顶。在使用过程中，千斤顶顶升到设计位置后，需及时将螺母旋紧，每次起升距离一次不要太大，以防密封不严带来不良后果。此种型号的千斤顶不能处于全伸状态旋紧螺母，否则会出现拆不下来的情况，到时不能上也不能下，给自己增加麻烦。千斤顶基本结构如下图。

（2）泵站：

每个泵站主电机功能为2kw，21个泵站总功率约为40kw，考虑不太可能同时启动，因此备用50kw的三相电源就可以满足要求。28#、34#、40#-42#、45#-46#号墩每个墩预支顶设有4台300t千斤顶，这4台为一组共用一台泵站。其中40#-42#、45#-46#号墩每个墩还存在托换顶升，每个墩托换顶升设有4台400t千斤顶，这4台为一组共用一台泵站，考虑到预支顶与托换顶升不同时工作，故此处预支顶与托换顶升共用一台泵站。22#墩异形板侧每端设置4台300t千斤顶，分为3组，2侧每个为1组，中间2个为1组，每组1个泵站；22#墩T梁侧每端设置9台100t千斤顶，分为3组，每侧3个为1组，中间3个为1组，每组1个泵站；共计需要21个泵站。

4.10试顶升与正式顶升

4.10.1试顶升

（1）超载试验

试顶升施工前首先对调节块的承载力，支撑的可靠性，以及千斤顶与梁底支撑面进行可靠性试验。

分别单独顶升至设计计算值的1.1倍；以检验各承载结构的承载能力，设备的有效性，可靠性等。

（2）控制指令

各墩检查设备情况→各墩汇报检查结果（从L1～374顺序）→一键同步5Mpa接触→同步完成后按下起升指令→率先达到支反力限值的泵站停止→总控向各分控发出各自调整指令→各分控调整支反力至控制支反力值→顺序向总控报告反力控制情况

4.10.2正式顶升

（1）正式顶升必须按下列程序进行，并作好记录：

a、操作：按预设荷载进行加载和顶升；

b、观察：各个观察点应及时反映测量情况。

c、测量：各个测量点应认真做好测量工作，及时反映测量数据；

d、校核：数据报送至现场领导组，比较实测数据与理论数据的差异；

e、分析：若有数据偏差，有关各方应认真分析并及时进行调整。

f、决策：认可当前工作状态，并决策下一步操作。

（2）正式顶升施工工艺

a、判定需要顶升调整的墩位，计算调整量。

b、设定检查调整量，检测墩顶情况，作业人员到达工作位置。

c、启动调整，松果调整结果，合适后旋紧螺母。

d、系统转入自动模式状态。

（3）顶升注意事项

a、每次顶升的高度应稍高于垫块厚度，能满足垫块安装的要求即可，不宜超出垫块厚度较多，以避免负载下降的风险；

b、顶升关系到主体结构的安全，各方要密切配合；

c、顶升过程中，应加强巡视工作，应指定专人观察整个系统的工作情况。若有异常，直接通知指挥控制中心；

d、结构顶升空间内不得有障碍物；

e、顶升过程中，未经许可非作业人员不得擅自进入施工现场。

4.11落梁施工

顶升完成后，立即轉入落梁作业，首先调整各墩支反力及标高综合处于良好的状态，然后将调整垫板安装在支座上方，并按设计要求焊接完毕，注意垫完后各相临墩间隙差值不大于1mm。

起动千斤顶略向上顶，至螺母可以放松即可，螺栓向上拧2mm，打开卸荷阀，待梁下降1mm处停止，再依次下落其它墩，直至所有墩全部下落支撑在支座上为止。

5、桥梁监测

桥梁顶升过程是一个动态过程，为了保证施工过程的安全、桥梁结构的线形和受力在施工过程中和施工结束后能满足设计的要求，要设置一整套监测系统，并要设定必要的预警值和极限值，以便将姿态数据反馈给施工加载过程。

5.1 监测部位及监测内容

（1）承台沉降观测：设置承台沉降观测体系来反应承台沉降状况，及时做出相应的措施。

（2）桥面标高观测：桥面高程观测点用来推算每个桥墩的实际顶升高度。设置桥面标高观测点可以精确的知道每个桥墩的实际顶升高度，使顶升到位后桥面标高得到有效控制。因此，在施工过程中对结构的竖向位移进行测量是至关重要的。竖向位移的测量采用水准仪，测点设在桥面上，在每个盖梁位置的桥面两侧设置两个测点。通过顶升前后各测点高程的变化，掌握各点顶升高度是否达到设计要求，并判断高度的变化是否在结构中产生了过大的附加内力。

（3）盖梁底面标高测量：它是桥面标高控制和测量的补充，提供辅助的顶升作业依据。

（4）盖梁纵向位移观测：为了对顶升过程中盖梁纵向位移及立柱垂直度的观测，在外立柱外侧面用墨线弹出垂直投影线，墨线须弹过切割面以下，在垂直墨线的顶端悬挂一个铅球。通过垂球线与墨线的比较来判断盖梁的纵向位移及盖梁是否倾斜。

（5）支撑体系的观测

钢支撑在顶升过程中将承受桥梁的全部恒载和施工荷载，其强度和稳定性对施工的安全起着决定性的影响，也是施工监控的重点部位。计算表明，由钢支撑等构件组成的空间支撑体系受力较为复杂。若施工过程中各千斤顶顶升的高度产生差异，将使各钢支撑的轴力发生变化，通过观测，能及时掌握支撑体系的受力和变形情况及时采取措施控制支撑体系的变形量，使施工在安全可控的环境下进行。

（6）伸缩缝间隙观测

通过伸缩缝间隙观测得到的数据，及时采取措施使施工顺利地进行。

6、总结

目前在越来越多的地下工程施工中，隧道施工下穿桥梁等重大风险源的情况比比皆是，桩基托换保障盾构下穿建和桥一级风险源施工尚为某市首例，但随着此项技术在地铁施工中的不断运用，技术不断改进及完善，桩基托换将为保障路面交通，顺利下穿风险源最有利的措施。

参考文献

[1]《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166-2011）；

[2]《城镇道路路面设计规范》（CJJ 169-2012）；

[3]郑武奎 地铁工程施工中的桩基托换技术应用 建筑施工

（作者单位：中铁一局集团第二工程有限公司）