地铁盾构隧道下穿桥梁桩基的托换研究

□文 /何立忠

现代城市基础设施的发展是多方面的，在有限的空间内，道路、桥梁、地铁、管道等各种设施经常会相互影响。我国目前正处于地铁建设的高峰期，已拥有地铁和正在建设地铁的城市超过40个，此外还有超过30个城市正在规划建设地铁，地铁线路和里程每年都在增长。然而，由于大多数城市的市政建设普遍早于地铁建设，因此地铁施工时不可避免的会与既有建筑的基础设施交叉[1～3]，不仅给地铁施工带来较大困难，而且可能影响既有结构的运营安全。

针对此类问题，不少学者提出采用托换技术对既有建筑物进行改建、加固，取得较好效果。徐前卫等[4]结合上海地铁10号线穿越四平路沙泾港桥工程提出了扩大板式基础托换以及盾构机直接切桩的施工方案。唐新权[5]结合西安北客站至机场城际轨道项目，对地铁区间隧道下穿桥梁大轴力桩基托换设计与施工进行了研究。这些研究大多是针对托换本身，而托换过程对桥梁结构的影响研究较少。本文以天津地铁5号线下穿东风立交工程为背景，提出了托换方案并研究了托换对桥梁结构的影响。

1 工程概况

东风立交D6#～D12#墩为6孔22 m钢筋混凝土现浇箱梁桥，本联全长132 m，梁高1.80 m，桥梁全宽8.0 m，横桥向布置0.5 m防撞墙+7.0 m行车道+0.5 m防撞墙；下部采用独柱墩双支座结构采用板式橡胶支座，横向间距1.6 m。下部结构桩长48 m，直径1.2 m，承台厚1.5 m。

天津地铁5号线成林道站—津塘路站区间（以下简称“成津区间”）线路途经东风立交桥桥区，盾构线位与现状东风立交D匝道9#墩位的桩基冲突，见图1。

图1 地铁5号线箱体与东风立交桥D9#墩位位置关系

2 D9#墩柱托换施工

成津区间左右线盾构隧道在桥范围内与D9#墩桩基在平面及高程上发生冲突，为规避地铁盾构施工时的风险，在平面上与盾构冲突的D9#桩基需要拔除。为最大限度节约造价，托换方案为上部结构保持不动，仅更换桩基、承台、墩柱、支座垫石及支座。托换步骤为：

1）迁改现有区域内管线，开挖D9#墩位地面；

2）避开地铁盾构线位，施作新钻孔桩基础和部分承台；

3）在新施作的承台上方设置临时支墩；

4）通过千斤顶顶力的调整，将上部梁体荷载转换至临时钢支撑上；然后利用静力切割设备对原桥墩进行切割拆除，移除桩基础后填补夯实；

5）第二次浇筑将2个单独的承台连接起来形成四边形大承台；新墩柱施工完成后，进行落梁施工，将梁体荷载由临时钢支墩转换到新建的D9#桥墩上的受力转换调整，保证上部梁体荷载全部由新建D9#桥墩承受；

6）落梁施工完成后，拆除临时支架，恢复路面，完成D9#墩柱托换施工。

3 托换施工对桥梁结构的影响

采用midas civil软件进行有限元计算，考虑结构自重、桥面铺装、主梁收缩徐变、各墩（桥面）沉降差及顶升力等荷载作用，有限元模型见图2。

图2 桥梁有限元模型

支座及钢管立柱竖向刚度：考虑单个支座竖向抗压刚度为1 500 kN/mm；由计算得到单个钢管立柱（高度按11 m考虑）竖向抗压刚度为600 kN/mm，支座及钢管立柱竖向刚度均只考虑受压刚度，受拉刚度为0。

根据检测，桥梁在托换施工前已存在一定的不均匀沉降，见表1。

表1 各墩沉降差 mm

在考虑支座、钢管立柱竖向刚度以及现状各墩沉降差的基础上，经过反复试算，理论上若使D9#墩两支座完全脱空，则两临时墩千斤顶顶升高度L1#墩为4.1 mm、L2#墩为5.0 mm，两数值包含了支座及钢管立柱的弹性压缩变形（若扣除钢管立柱弹性压缩变形主梁绝对位移变化小于此数值）。

计算考虑D9#墩相比现状高度（考虑了支座压缩）高出6 mm，两临时墩千斤顶顶升的位移，经过试算L1#墩顶升8.0 mm，L2#墩顶升9.6 mm，两数值均包括了钢管立柱的弹性压缩变形。

3.1 托换前结构安全性验算

承载能力极限状态下，托换前，桥梁最不利荷载作用下最大正弯矩为12 121.1 kN·m，小于抗力值13792.26 kN·m；最大负弯矩为13 228.1kN·m，小于抗力值18 222.6 kN·m；剪力绝对值最大为3 365kN，小于抗力值7 952.6kN。

正常使用极限状态下，桥梁结构上下缘均出现了接近规范限值的裂缝，下缘最大裂缝宽度为0.213mm，上缘裂缝最大宽度为0.183mm，下缘主要出现在第7、11、12孔，上缘主要出现在D8#、D9#墩顶截面位置，导致出现较大裂缝的主要原因是桥梁发生的不均匀沉降。

3.2 施工阶段主梁承载力验算

各阶段最大正负弯矩及对应抗力值见表2。由表2可知，主梁抗弯承载力验算满足要求。

表2 各阶段最大正负弯矩及对应抗力值 kN·m

对各阶段主梁剪力求包络，可得到最大、最小剪力，见图3。由图3可以看出，主梁斜截面抗剪承载力验算满足要求。

图3 主梁斜截面抗剪承载力验算

各阶段主梁裂缝宽度见图4。由图4可以看出，顶升托换过程中，主梁裂缝始终控制在0.15 mm以下。

图4 主梁裂缝宽度验算

4 施工监测

由于托换施工对桥梁结构的应力、变形均有一定的影响，为确保桥梁结构的安全，应加强施工过程的监测。当有异常情况时，需及时停工分析原因。

1）墩柱倾斜度监测。桥墩对桥梁结构受力有着最直接的影响。在施工过程中，临时墩、临近桥墩受到基坑开挖、拔桩等施工影响都可能出现变位，因此需加强墩柱倾斜度的监测。

2）主梁高程监测。本桥为连续弯梁桥，顶升、落梁等施工过程，桥梁线性均会有一定变化，因此应对全桥进行高程监测。

3）应力监测。施工中，随着主梁的顶起、下落，主梁在顶板、底板均会有应力变化，因此应在典型截面监测其应力变化。对于顶板，由于有沥青铺装的存在，可凿除部分铺装，漏出主筋，监测主筋应力。

4）裂缝监测。在结构计算中，主梁可能出现裂缝，因此应该加强施工过程中裂缝的观察。

5 结论

1）针对地铁盾构施工与既有桥梁结构相交的问题，托换施工可避免拆除上部结构，节约成本。

2）计算结果表明，托换施工过程中，桥梁结构处于安全状态。

3）托换施工过程应加强对桥梁结构的监测。