深圳爱国路高架桥梁桩基托换工程设计

顾晓毅，林志雄

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

托换技术起源于旧建筑基础加固。直到20世纪30年代，美国纽约地下铁路建设，托换技术在既有桥梁桩基托换工程中得到推广应用；二战后，德国对许多城市进行重建，积攒了丰富工程经验。近年来，我国城市地下交通快速发展，地铁和隧道等地下构筑物与既有桥梁或建筑物桩基位置交错、重叠，下穿城市既有桥梁的情况常有发生，桩基托换技术成为解决这一矛盾的有效手段[1，2，5]。

“深圳东部过境高速公路连接线工程”隧道结构下穿既有爱国路高架桥梁（高架桥1999年建成），为不中断爱国路高架交通，采用桥梁桩基础托换设计、施工方案。本文以爱国路高架西侧3#墩桩基托换工程为例（平面、立面见图1），介绍桩基托换、顶升、施工监控及安全等方面设计要点。

1 桩基托换方案设计

1.1 场地情况

本工程沿线覆盖第四系土层，自上而下依次为人工填土、粉质黏土、粉细砂、中粗砂、黏土等；基岩层主要有震旦系花岗片麻岩、石炭系变质砂岩等，按其风化程度可划分为全、强、中、微四个风化带。勘探资料显示，上覆土层较薄，且位于隧道底板高程以上，故不宜采用摩擦桩，同时桩端应进入微风化花岗片麻岩不小于2 m且应进入隧道开挖底板以下足够深度。为降低托换桩基础结构受工程隧道开挖影响，托换桩应避开隧道洞身侧壁一定安全距离，本工程控制净距不小于2.1 m。

图1 桥梁基础托换平面、立面（单位：mm）

根据水文调查，沿线场地地下水主要赋存于第四系冲洪积粗砂层和细砂层中（埋深0.5 m以下），其含水性及透水性较好，含水较丰富。地下水在弱、强透水地层中对混凝土结构分别具有弱、中等腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋具微腐蚀性，在结构耐久性设计时予以考虑。

1.2 旧承台与托换梁连接设计

旧承台与托换梁连接处受力复杂，连接界面承受弯剪、收缩和徐变等复合变形，节点可靠连接是保证桥墩荷载有效传递的关键。对新老混凝土接触界面的处理方法，包括人工凿毛法、切槽法、植筋法、喷砂法、高压水射法等。

本工程新旧混凝土接触界面处理主要采用切槽法和植筋法。切槽法是通过人工凿槽对旧混凝土表面进行机械切割处理，形成规则的粗糙界面，有效提高新旧混凝土界面机械咬合强度和抗剪性能[3，4]；界面植筋是通过在新旧混凝土连接界面种植钢筋，增大界面抗剪承载力，提高界面的延性和耗能性能，减缓界面刚度的退化[6]。这两种方法，都必须采用合适的工艺工法，以最低限度减少对旧承台的损伤并增强连接界面的咬合力。

连接面切槽、植筋处理见图2，设计中，切槽的深度a、宽度b和c、间距ΔL等参数，需通过试验和有限元分析确定，钢筋种植深度参照相关技术规程确定。

图2 旧承台与托换梁连接设计（单位：mm）

同时，托换荷载转换过程中，传递路径为桥墩→旧承台、旧桩基新桩基，托换梁承受冲切荷载，需验算抗冲切承载能力，同时需验算正截面抗弯承载力、撑杆-系杆体系抗压和抗拉承载力等。

1.3 新桩基桩帽与托换梁连接设计

新桩基桩顶处，为提供千斤顶顶升施工操作空间，需设置桩帽作为顶升平台（见图3）。综合考虑千斤顶尺寸、顶升位移行程和自锁装置等因素，本设计桩帽采用倒T形截面，尺寸为2 800 mm（底宽）×2 200 mm（高），在桩帽顶部设置钢垫块，托换梁顶部设置竖向注浆孔。

图3 桩帽与托换梁连接节点（单位：mm）

该节点设计考虑以下要点：

（1）后浇带。后浇带是连接桩基、托换梁的关键节点，其混凝土浇筑质量、钢筋连接控制是关键工序。由于后浇节点位置狭窄且无法振捣，设计中考虑采用超高性能混凝土（UHPC）。UHPC是由水泥、矿物掺合料、高性能外加剂、粒径不大于5 mm的高性能细骨料、短纤维等以特定工艺混合而成的材料，其在施工现场按比例加水搅拌均匀后进行施工，凝结硬化后具有高强度、高耐久性、高流动性、高柔韧性、高极限拉应变等超高性能。UHPC具有自流平混凝土的流动特性，能顺利通过钢筋网，较好的达到施工致密性要求。

（2）千斤顶设置。千斤顶选型，需综合考虑顶升荷载大小、顶升位移行程、桩帽尺寸、自锁装置等因素。在本设计中，为避免不均匀沉降对桥梁上部结构产生二次病害，采用PLC液压同步顶升技术，实时数据的采集，实现多液压缸负载不均衡同步升降控制，同时设置钢支垫以实现位移跟随安全锁定。

（3）钢筋连接。由于采用了UHPC混凝土，利用其自密性和咬合力，大量减少了接头钢筋焊接工作量，提高了节点连接质量。

1.4 耐久性设计

结构所处环境是影响耐久性的外因，不同的环境类别采取不同的耐久性设计要求。根据水文调查，本工程地下结构的环境类别属于Ⅰ类一般环境，对钢筋混凝土结构中钢筋具微腐蚀性。耐久性设计主要包括混凝土保护层厚度、强度等级、预应力体系防护、抗渗要求等内容。

本工程耐久性设计中，由于预应力钢筋存在应力腐蚀、氢脆等不利于耐久性的弱点，且直径一般较细，对腐蚀比较敏感，破坏后果严重，重点予以考虑。对预应力钢筋、锚夹具、锚头等容易遭受腐蚀的部分采取有效措施，比如采用环氧预应力钢筋、锚头采用环氧混凝土做封锚防水处理、适当加大预应力钢筋保护层厚度等。

2 顶升设计

根据爱国路桥梁的结构特征和场地地质情况，桥梁上部结构对变形要求严格，属于位移敏感结构，本设计采用主动托换方式。主动托换的控制思想是：通过主动顶升、施加预应力等方式，提前施加反向位移，以消除新桩基与土体压缩变形、托换梁弯曲剪切变形与徐变收缩变形，使得托换后桥梁上部变形Δ≈0。

顶升设计重点是计算分析顶升施工工序的荷载位移效应。计算内容包括预应力钢束张拉、顶升荷载与位移、老桩基内力变化和工后沉降控制等。主要顶升工序见表1。

表1 主要顶升工序

本工程采用“Midas”、“桥梁博士”分别计算模拟上述施工过程。其中，工序2反向弥补了新桩基承载、土体压缩产生的变形，消除了有限元计算中新桩基周边土体模拟而产生的误差，但旧桩该误差依然存在。各阶段的内力见表2。

表2可见，通过张拉预应力（工序1～2），把旧桩约90%的荷载转移到托换新桩基；二次顶升后（工序3），旧桩基最大内力约为35 t，开始截桩；最后通过三次顶升，使托换结构满足各项位移指标。

在位移控制时，工序1～2主要是控制新桩基沉渣变形、桩身承载和土体压缩变形；并通过工序3～4，微调旧桩存留荷载、最终托换梁的工后变形（徐变、收缩）和其它不可预见变形。本设计中，基础托换梁在桥墩处的计算工后沉降约2.0 mm。

表2 各阶段内 t

在实际顶升设计中，由于新老桩基的土体力学参数和计算模型边界模拟具有近似性，顶升理论荷载必然存在偏差。因此，在实际顶升控制时，执行“以位移控制为主，荷载控制为辅”的指导原则。

3 监 控

监控包含施工控制与监测两部分内容。顶升过程中，虽然采用PLC液压同步顶升系统进行顶升操作，但各千斤顶的顶升速率仍有可能存在差异，这将导致梁体出现相对位移差，产生附加应力从而使结构受到损伤。因此，施工监控需贯穿托换顶升全过程。

（1）施工控制。施工控制是为了达成某种特定状态而采取的分析方法和措施。托换过程中，必须通过有限元和理论分析，结合既有桥梁的构造特点、维护和运营情况、土体参数等，建立一套位移控制目标（见表3），从而制定相应的施工措施、工序和方法。因此，设计时，托换顶升步骤、预应力张拉顺序、桩基持力层选择、托换梁刚度设计、横向限位措施等，是托换控制目标的具体分解。

表3 托换梁位移控制值

实际顶升设计中，由于千斤顶安装垂直误差或其他横向诱因影响，顶升过程中可能会出现微小的水平位移，为避免此类风险，需设置限位装置，以限制梁体可能发生的纵横向位移。

（2）监测。施工监测是采用监测仪器对关键部位各项控制指标进行监测的技术手段，在监测值接近预警值或控制值时发出警告，用来保证施工的安全，也可检验施工工序的合理性。

具体监测内容包括千斤顶位移及荷载监测、既有桥梁梁底面高程监测、托换梁竖向及横向位移监测、基坑土体变形监测、新桩基位移监测、旧桩基位移监测和临时钢支撑应力监测等。本工程监测点布置见表4。

表4 监测点布置

4 结 语

本桥梁桩基托换工程创造了国内单点基础托换吨位最大、托换梁跨径最大的记录，在托换过程中，实现了保通、可控和安全的目标。由于新老桩基的土体力学参数和计算模型的边界模拟具有近似性，顶升理论荷载可能存在偏差，因此在实际顶升控制过程中，执行“以位移控制为主，荷载控制为辅”的指导原则。施工监测数据显示，本工程实际竖向位移目标偏差成功控制在±0.5 mm以内。