隧道下穿地铁既有桥梁的桩基托换技术

张希睿

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300451)

一些城市正在大力建设城市中心区与边缘组团的快速道路系统，地下公路系统是保证速度且不占据城市空间的最好选择。在地下公路修建的过程中，可能会与既有建筑物、桥梁等桩基础相矛盾，需要进行桩基托换[1-3]。因此，隧道穿越既有建筑结构物时，如何保证原有建筑的安全稳定[4-5]，对城市发展和地下交通建设具有重要意义。

1 工程概况

北京广渠路东延道路工程全长约7.6 km，道路按地面、地下两套系统设置，地下道路采取全线下穿方案，其中广渠路东延地下隧道与地铁八通线相交叉。交叉节点处隧道与跨通朝大街的(40.5+50+40.5)m三跨预应力混凝土连续梁中间两个桥墩矛盾，经核算中墩托换荷载达21 000 kN，托换荷载巨大，且连续梁体系自身对沉降变形非常敏感。为了降低风险，广渠路东延线路在穿越八通线节点处南北向分开，避开大跨连续梁中墩基础，隧道南北向分开后与地铁八通线既有5个墩基础矛盾。

八通线2001年开始建设，2003年正式运营通车，与广渠路东延相交段八通线线位沿京津公路路侧敷设。广渠路东延与八通线相交处为八通线果园-九棵树区间6#～12#墩桥梁。其中6#～7#墩为22 m预应力混凝土简支预制小T梁，桥墩为双柱圆墩，基础为6根1 m桩基，桩长30 m。7#～8#墩为18.284 m预应力混凝土简支预制小T梁，桥墩为双柱方墩，基础为6根1 m桩基，桩长30 m；8#～11#墩为跨现状通朝大街节点桥，为(40.5+50+40.5)m三跨预应力混凝土连续梁桥，中墩为独柱圆墩、基础为9根1 m桩基、桩长35 m，边墩为双柱圆墩、基础为6根1 m桩基、桩长为32 m。11#～12#墩为25 m预应力混凝土简支预制小T梁，桥墩为双柱圆墩，基础为6根1m桩基，桩长30 m。其中6#、7#、8#、11#、12#墩基础与隧道矛盾，需要进行桩基托换。

2 桩基托换设计

2.1 托换结构设计

托换梁长28～32.5 m,宽13.2 m，梁高4 m，为减轻托换梁自重效应，托换梁在条件允许的部位采取挖空处理，5 个托换梁均采用预应力混凝土结构。每个托换梁设置6 根桩基，桩基直径2 m，桩长约70～88 m，钻孔灌注桩。桩顶扩大头尺寸两侧各3.2 m×13.2 m。托换方案布置及托换结构如图1、图2所示。

图1 托换方案布置示意图

2.2 托换顶升系统设计

图2 托换结构示意图(单位：mm)

在每个桩帽对应托换桩位置各设置4个500 t液压双向同步顶升千斤顶设备，合计12个；每个桩帽上均布螺旋自锁式千斤顶同步顶升设备，合计16个。设计见图3、图4。

图3 桩基托换千斤顶设置断面图

图4 桩帽上千斤顶、螺旋自锁装置布置平面

桩基托换施工前需在现况八通线桥4#～14#轴设置同步顶升设备(见图5、图6)。当桩基托换、隧道施工中桥梁出现沉降时，在沉降值不超预警值前，及时通过顶升设备调整上部结构形态，以保证桥梁运营安全。

图5 4#～9#地面支顶系统示意图

图6 10#～14#地面支顶系统示意图

支架采用∅406 mm无缝钢管焊接，为1.5 m、2.0 m模数式，上下设法兰盘，并设耳板，以方便栓接，各节钢管之间用M24高强螺栓栓接，每组钢管间以角钢连接。顶升支架上方设置横梁，横梁上对应的每个T梁设置一个200 t千斤顶，对应的连续梁设置350 t千斤顶，千斤顶油缸鞍座上同心设置两块∅602 mm圆形钢板，每块厚度30 mm，以此增大受力面积，防止箱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。根据支架高度在现况承台上浇筑C40砼基础，现场需要开挖至现况基础顶面作为支顶系统基础。同步顶升设备同步精度小于0.5 mm且应满足检测方案提出的精度要求，千斤顶须具备机械锁定装置，具备同步顶升和同步下降要求。

2.3 基坑围护结构设计

桩基托换基坑开挖深度为7.0～7.5 m，基坑支护采用悬臂桩支护，围护桩采用∅800 mm@1 200 mm的钻孔灌注桩，桩顶设240 mm厚砖墙，桩底嵌固深度10.5 m。与地下道路基坑支护重合的位置桩径1.0 m，桩长26.5 m，后期作为地下道路基坑围护结构。托换承台下地下道路基坑开挖深度12.1～12.4 m，围护桩采用∅1 000 mm@1 300 mm的钻孔灌注桩，桩底嵌固深度5 m，竖向采用4道支撑，其中第1道支撑为混凝土支撑，支撑截面为0.6 m×0.6 m，长约15.5 m；其余3道为钢支撑，采用∅609 mm、t=16 mm钢管撑，支撑水平间距3 m。

邻近地铁桥桩段基坑开挖深度为19.5～20.2 m，围护桩采用∅1 000 mm@1 300 mm的钻孔灌注桩，桩顶标高为地面以下-0.5 m，桩底嵌固深度6.5 m，竖向采用5道支撑，其中第1道支撑为混凝土撑，支撑截面为0.6 m×0.6 m，长约15.5 m；其余4道为钢支撑，采用∅609 mm、t=16 mm钢管撑，支撑水平间距3 m。

基坑采用围护桩外侧旋喷桩止水帷幕和底板旋喷桩封底的封水措施。止水帷幕采用双排∅800 mm@550 mm，第1排与地下道路围护桩咬合，深度15.0 m，地下道路底板以下3.0 m处设置6.0 m厚旋喷桩封底。

3 主要设计重点、难点

3.1 托换期间须保证运营安全

地铁八通线连接北京中心城区及东部的通州新城，人员流动大、交通运输繁忙，工程下穿八通线，在桩基施工、土方开挖、隧道结构施工过程中有可能引起现况八通线桥梁沉降，施工中需要加强对现况桥梁的监测并与参建各方、地铁运营各单位紧密联系，及时启用支顶系统调整桥梁形态，托换期间必须保证八通线桥梁满足地铁运营安全[6]。

3.2 加强基坑防水措施

该段地下隧道底板位于地下水位以下，由于地下隧道下穿既有地铁八通线，且该段承压水水头较高，无法采用降水措施，因此需采用基坑围护桩外侧旋喷桩止水帷幕+底板旋喷桩封底的封水措施。止水帷幕采用双排∅800 mm@550 mm，第1排与地下道路围护桩咬合，深度15.0 m，地下道路底板以下3.0 m范围内设置旋喷桩封底。地下道路底板设置2根∅1 000 mm抗拔桩，桩长12 m。

3.3 桩基施工合理安排

桩基施工中共涉及托换桩、托换基坑围护桩、隧道围护桩、止水帷幕、封底桩、抗拔桩6类桩，需要合理安排不同桩的施工顺序。为了保证安全、高效、顺利的完成各种桩，工程采用以下方法施工：①先行施工可在地面进行的桩基，并对桩基施工范围土体进行处理，防止塌孔；②对现场合理安排并选用高效钻机，满足施工条件；③钢筋笼分节加工，孔口直螺纹机械连接。

3.4 桩基托换荷载体系转换

为了保证转换过程中地铁运营安全，桩基体系转换和桩梁固结全部安排在地铁夜间空窗期间进行，桩基托换采用PLC自动控制系统(主控台、泵站控制器、位移传感器、相应的信号电缆控制电缆组成)，来控制桩帽对应托换桩位置均布的4个500 t千斤顶(共12个)进行顶升。同时每个桩帽上均布16个机械自锁千斤顶，随液压千斤顶同步升降。在托换梁结构整体变形时，通过每个托换梁的24个千斤顶同步顶升(或卸载)来实现整体联动。地面支顶系统和地下托换顶升系统为两套独立系统，地上、地下系统不可同时进行，以避免相互制约。

4 施工监测

4.1 桩基托换施工监测

由于既有线桩基托换工程对结构受力和变形有特殊要求，桩基托换工程施工应通过全过程监测，及时反馈，并根据反馈信息进行调整， 监测内容包括桥墩位移、托换大梁的线形、位移、应力与应变，托换桩的轴力、应变及沉降，托换大梁与桥墩连接点部位应力、变形，梁体上部轨道设施等。

4.1.1 既有结构

既有桥墩上设置沉降测点、倾斜测点，对其竖向沉降位移和倾斜量进行监测。

4.1.2 托换桩

(1)在托换新桩灌注之前，在桩身5 m处至桩底位置每隔5 m预埋应力测量装置，用以监测在托换顶升过程托换新桩的实际受力情况，以此对托换新桩的沉降量进行判断分析。

(2)在新桩帽顶安装电子位移计，测量其相对位移，计算新桩沉降。

4.1.3 托换梁

(1)在托换大梁侧面1/2、1/4及1/8截面贴应变片，对托换过程中的大梁内力变化进行监测。

(2)在托换大梁的4个角安装倾角仪，对其在顶升过程中所产生的各项弯扭进行监测，确保顶升过程中整个大梁稳定。

(3)在托换大梁两端及中间位置设置位移计监测托换大梁挠度变形。

(4)在大梁与被托换墩的咬合处安装位移计，监测大梁对被托换基础的握裹效果。

(5)托换大梁内预埋小型管，内注清水，把温度计置入管内，监测托换大梁混凝土养护期内水化热的情况，指导混凝土的养护。

(6)浇筑托换梁时，在托换大梁顶底面筋布置区域内1/2、1/4及1/8截面处预埋应力测试装置，对托换过程的内力变化进行监测。

4.2 隧道基坑施工监测

为确保施工期间基坑围护结构、基坑附近沟渠、道路和其它设施的安全及正常使用，施工期间必须加强监控测量，做到信息化施工。通过施工监控量测掌握地层、支护结构、场区周围建筑物的动态，并及时分析、预测和反馈信息，以指导施工，确保工期和施工安全。具体监测项目见表1。

表1 隧道基坑监测项目

4.3 各阶段监控指标及预警值设计

各监测项目控制值按设计及评估要求确定。为保证地铁正常运营，轨道静态几何尺寸容许偏差满足《北京市地铁运营有限公司企业标准技术标准工务维修规则》线路整体道床线路综合维修管理标准。各阶段变形控制指标及预警值见表2、表3。

5 施工注意事项

(1)施工前要对托换桩、被托换桩的高程、坐标等参数进行测量，确保各参数与设计图一致，若测量结果与设计图纸有较大出入，应立即与业主、监理、

表2 高架桥区间结构及轨道变形控制指标 mm

注：变形速率0.5 mm/d。

表3 托换梁变形控制指标 mm

注：变形速率0.5 mm/d。

设计单位联系，沟通协商。

(2)基坑开挖后注意做好支护和挡水墙处理，墙外设置截流沟，严防地面流水沿坑壁进入坑内。

(3)在施工前需对原有承台钢筋进行探测和标记，避免植筋可能对承台造成的伤害。

(4)围护桩施工期间加强质量控制，预防断桩，基坑开挖前进行无破损监测，在基坑围护桩的冠梁上设置位移变形观测点，每天进行2次变形观测，发现沉降超过预警值，及时采用地面支顶系统调整梁体标高，防止托换基坑边坡失稳造成坍塌。

(5)地铁空窗期进行托换梁体系转换，转换过程中需要加强各单位的协调配合以及监测工作，避免因施工造成轨道下沉或隆起，保证线路安全。

6 结束语

桩基托换是一个风险较大的系统工程，要结合场地条件、原有建筑的稳定要求等因素，综合考虑选择适宜的设计和施工方案。该工程施工期间未中断地铁运营，桩基托换设计方案合理，希望能为相关工程提供借鉴。