地铁区间穿越天桥的桩基托换设计与施工*

杨勇 杜斌 吴睿麒 肖翔

（1.北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082；2.北京市城市桥梁安全保障工程技术研究中心 100082）

引言

随着城市化进程的加快，城市交通压力不断加大，地下空间被不断开发进行地铁建设。根据北京市城市轨道交通第二期建设规划（2015—2021年），北京新建地铁共涉及12条线路，新增262.9km。在地下工程的建设实施中，地铁线位与现况运营桥梁桩基发生冲突的情况时有发生，桩基托换技术是解决此类工程问题的处理方案之一。桩基托换由于涉及到结构受力的体系转换，且多数是在不中断现况交通下进行的，所以其具有技术难度高、施工步序复杂、安全风险大等特点。因此，正确的体系转换受力分析、合理的托换设计方案是目前该类问题所要研究的重点。

1 桩基托换的概念及类型

桩基托换就是新建桩基和托换结构，将既有桩基承受的上部荷载有效地转移到新托换结构及新建桩基上。桩基托换技术的核心是新桩和老桩之间的荷载转换，要求在托换过程中托换结构和原有结构的变形、受力均在安全运营的允许范围内。目前国内的桩基托换主要有两种类型，即主动托换技术和被动托换技术［1，2］。

1.1 主动托换技术

主动托换技术是指在现况桩基截桩前，在托换梁与托换新桩之间设置顶升设备，通过顶升预加载，使托换主梁及托换新桩提前受力、变形；这个过程既能最大限度地避免既有结构发生过大沉降，也能消除新桩的部分沉降和托换结构的变形；主动托换的核心是利用顶升装置对结构采用主动调控的方式，将结构变形控制在最小范围，多用于托换荷载较大、变形控制要求高的工程。

1.2 被动托换技术

被动托换技术是托换完成时即进行截桩，上部结构荷载通过托换梁直接传递到新桩上，托换完成后，上部结构的变形无法进行二次调控。既有结构的沉降由托换梁的变形和新桩的沉降所组成；被动托换的核心是通过托换结构的刚度和新桩的刚度来抵抗变形，托换完成后无法对结构的变形进行调控，所以其多用于托换荷载较小、变形控制要求不严格的工程。

在桩基托换工程中，要结合原桩基的类型和受力情况、地铁穿越的位置及影响、水文地质情况、场地对施工工艺的影响等诸多因素综合考虑，以便确定合理的桩基托换设计方案。

2 工程概况

北京市南苑路和义南站天桥主桥为4跨连续钢箱梁，截面为单箱双室；梁高0.9m，跨度为12.85m ＋23.5m ＋23.5m ＋12.85m，八号线3 期和义南站～西洼地站区间下穿和义南站人行天桥，下穿段左线为矿山法施工，右线为盾构法施工；根据地铁区间线位与天桥现况的设计资料，八号线3期左线与和义南站天桥的Z3轴桩基冲突，Z3桩基需要进行截桩并进行桩基托换。桥梁结构示意及桥梁基础与地铁隧道的关系如图1、图2所示。

图1 桥梁结构示意（单位：cm）Fig.1 Diagram of the bridge structure（unit：cm）

图2 桥梁基础与地铁隧道关系（单位：cm）Fig.2 The position relations between bridge foundation and the tunnel（unit：cm）

3 桩基托换方案

3.1 桩基托换原则

1.体系转换受力明确，临时支撑体系稳定性、结构受力及临时支撑基底承载力满足规范要求；

2.隧道开挖期间，保证人行天桥上下部结构足够安全，天桥的沉降及变形满足规范标准要求［3］；

3.桩基托换完成后，上部结构恢复原桥高程，新托换下部结构及基础受力满足规范中正常使用和极限承载的要求。

3.2 场地地勘资料

根据地勘报告，场地类地质自上而下为杂填土、素填土、砂质粉土、细砂、卵石、细砂、粉质粘土、粉细砂层，8号线隧道位于细砂、粉质粘土、粉细砂层，现况天桥桩基桩底位于粉细砂层。

3.3 托换设计方案

本桥的桩基托换采用主动托换方案，即新建桥梁下部结构为扩大基础接墩柱，拆除原有桩接柱下部结构，新建扩大基础分两步施工，第一步施工扩大基础“外圈”部分，并施工临时支撑墩柱及支顶设备，然后拆除现况抗震锚栓、墩柱、盖梁及支座，再进行地铁隧道施工并截断原桩长，待地铁穿越且沉降稳定后，施工扩大基础“内核”部分及新建中墩、横梁、抗震锚栓及支座，最后拆除临时支撑墩柱及支顶系统，完成整个的桩基托换设计。

1.托换的具体步骤

如图3所示，具体施工步骤如下：（1）开挖基坑，施工扩大基础第一部分，基坑采用钢板桩支护；（2）施工临时支撑墩柱，新建扩大基础上安装顶升系统；断开支承处墩顶主梁铺装及栏杆扶手；测量主梁各支点处梁底高程，将主梁上顶3mm；拆除现况抗震锚栓、墩柱、盖梁及支座；恢复主梁高程至顶升前位置；（3）隧道施工，截断原桩长至地铁断面以上；当主梁相邻墩柱最大差异沉降超过5mm时，停止施工，顶升恢复主梁沉降差，顶升到位后，千斤顶锁死，确保主梁高程不变，顶升过程中需进行主梁底高程实时监测；（4）待地铁穿越且沉降稳定后，施工扩大基础第二部分及新建中墩、横梁、抗震锚栓及支座；拆除临时支撑墩柱及支顶系统。

图3 施工步序（单位：cm）Fig.3 The construction steps（unit：cm）

2.托换方案中的顶升设计

托换设计中，体系转换、主梁位移的调整都是依靠对主梁的顶升实现的，顶升设计是桩基托换的重点和难点，本次天桥的支顶支架采用直径为60cm的Q235B钢管柱（壁厚为1cm），内设纵向钢筋及螺旋筋，钢管柱内浇C30混凝土，底部通过锚栓、法兰盘、加劲肋与扩大基础相连。支顶千斤顶放置于支架顶端，千斤顶油缸鞍座顶底同心设置两块直径400mm的圆形钢板，每块厚度20mm，顶部钢板上放置两根点焊连接的32b工字钢，如图4所示。工字钢与主梁之间垫橡胶垫板，以此增大受力面积，防止钢梁底部局部受压过大，并且消除梁体坡度及不平度造成的应力集中。油缸用限位销卡住，使其不脱位、滑动，如图5所示。同步顶升设备同步精度0.5mm。

图4 桥梁支顶示意Fig.4 Diagram of the bridge s propping

图5 桥梁支顶局部大样图Fig.5 Diagram of the local details of the bridge's propping

3.托换方案中的施工监控

桩基托换实施过程中，需对现况主梁上下部结构、新增基础及临时支顶设备进行全过程的施工监控，监测内容主要包括：主梁、墩柱、新增扩大基础的竖向沉降；主梁各轴的差异沉降、新增扩大基础的不均匀沉降、墩柱的倾斜、主梁结构及附属构造（支座、锚栓、限位设施、伸缩缝装置）的外观、桥下道路的地面沉降等。施工过程中监测频次要求见表1。

表1 监测频次要求Tab.1 The demands of monitoring frequency

地铁施工过程中，当地层及桥梁基础沉降变形速度＞2mm／d时，应提高监控频次，每天至少2次。

4 桩基托换中的受力分析

4.1 主桥结构体系转换受力分析

天桥主桥为四跨连续钢梁，在进行Z3轴桩基托换时，采用双支点临时支承，受力体系有所改变，需对主梁的位移及应力进行验算，其不同阶段的受力体系见图6。

图6 不同阶段结构受力体系Fig.6 Stress system at different stages

根据设计图纸，以Midas／Civil 2015程序为平台，建立施工阶段空间结构模型。整体结构均采用梁单元模拟，其中主桥采用Q235钢材，旧墩柱采用C30混凝土，新建钢管混凝土墩柱采用C35混凝土及Q235钢材。全桥模型共计137个节点、77个单元，托换后模型见图7，计算结果见图8。

图7 托换后空间有限元模型Fig.7 FEM of the bridge after underpinning

4.2 主桥结构的基础受力分析

施工过程中桥梁基础由桩基变为扩大基础，扩大基础又分两次浇筑形成，基础形式的变化如图9所示，需要对结构的基底承载力进行计算复核。新增扩大基础基底埋置在砂质粉土中，临时支承阶段及托换完成后的使用阶段基底应力，计算表格见表2。

图8 不同阶段主梁应力（单位：MPa）Fig.8 Stress diagram of the girder at different stages（unit：MPa）

图9 不同阶段基础形式（单位：cm）Fig.9 Foundation at different stages（unit：cm）

表2 基底应力计算表Tab.2 Computation sheet of foundation stress

4.3 地铁穿越过程中的施工监控

根据施工单位及第三方监控单位提供的监控数据，桩基托换期间新做扩大基础处最大沉降为30.73mm，Z2轴处主梁通过千斤顶的主动支顶实现沉降位移补偿，保证主梁各轴之间的差异沉降不超过桥梁设计咨询中提出的沉降指标（桥梁设计咨询前评估中提出主梁各轴差异沉降最大为8mm），根据监控数据，主梁Z2轴与Z3轴之间最大差异沉降最大为5.79mm。根据最近的监控数据，桥梁各测点数据已趋于稳定。主梁各轴之间的沉降如图10所示。

图10 主桥各轴之间的沉降时程Fig.10 Time-history diagram of the settlement data of pile foundations

5 结语

桩基托换的设计是一个系统工程，要结合地质条件、施工场地条件、地铁施工工法、桥梁上部结构形式、桥梁基础形式等综合因素选择适宜的设计方案。同时，应对托换方案中的顶升设计、施工监控提出明确要求。本文以北京地铁8号线3期穿越和义南站天桥桩基托换的工程实例，阐述了一个四跨连续钢箱梁的桩基托换设计。根据施工期间的监控数据来看，主梁各轴的差异沉降满足设计咨询提出的沉降控制指标，主梁在桩基托换过程中处于受力安全状态。该天桥施工期间未中断现况天桥交通，体系转换及桥梁支顶均顺利实施，该桩基托换设计方案合理、体系转换明确，可为今后的类似工程提供参考。