公路快速通道下穿高速公路叉口处桥墩立柱托换施工技术

钟 猛,胡远新,卢赵伟

(浙江省隧道工程集团有限公司,浙江 杭州 310030)

随着城市建设的飞速发展，在实际工程中，经常会遇到待建工程需要下穿既有建筑物，或者从其影响范围内下穿的情况。为了保证既有建筑物的安全以及工程保质按时完成，需要采用一种可靠的技术措施。桩基托换技术的发展和改进，为城市中工程建设增加了许多便捷条件[1]。朱小藻[2]以广州市广园西路-机场西路交通改造工程为例，介绍了桩基托换施工技术及监控控制方法。罗鹏程等[3]阐述了在地铁车站基坑开挖过程中采用冲孔灌注桩+高桩承台托换体系对站内既有桥梁桩基进行托换的施工技术，并结合现场监测数据统计分析对托换效果进行了评价。赵纪丽[4]以某地铁工程为例，阐述了地面深孔注浆加固技术在下穿桥梁工程中的应用。柳宏伟[5]以天马山天桥工程为例，对天桥桥梁支架位置承载力要求以及支架施工方法进行了分析。采用桩基托换技术，可以减少工程整体建设难度，节约工期，降低工程中原料和能源的消耗，对绿色施工有重要作用[1]。

1 工程概况

余杭区东西向快速通道下穿杭徽高速段工程位于浙江省杭州市余杭区老余杭街道范围内，项目包括地面道路和下穿隧道。主路沿南北走向，经过一段地面后，以地道形式连续下穿荆余路、02省道(杭徽高速)以及蒋家潭河，至圣地路与规划杭州中环接顺。主路线全长2.528 5 km(ZK0+000～ZK2+528.5),为双向六车道布置，隧道暗埋段1 284 m(ZK0+604～ZK1+888)。工程线路示意图见图1。

图1 工程线路示意图

2 杭徽高速1#匝道桥3#桥墩混凝土立柱托换施工工艺

2.1 1#匝道桥3#混凝土立柱托换施工方案

本段分为左、右线隧道，其中左线隧道与1#匝道桥3#墩平面相扰，需要将3#墩的桩基清除。为确保杭徽高速1#匝道桥正常运行，工程拟对3#桥墩桩基础进行托换，凿除老承台,保留混凝土立柱，新建托换基础(含桩基、承台跨隧道结构和支护)，桥墩承载转移到托换基础上，分离原桥墩桩基、承台及少许立柱，其中涉隧部分破除。

2.2 桥墩托换施工流程

本工程桥墩托换施工流程包括以下步骤：1)施工准备(包括场地交付，原桥检测、鉴定、交通管制等)，施工基坑支护结构，并在老承台四周打钢管桩；2) 设置临时支墩，施工临时支墩；3) 施工托换桩基，布设上部梁体监测系统；4) 临时支墩顶升持力，使立柱处于零应力状态，通过临时支墩对立柱进行抱箍；5) 在老承台上表面400 mm处切除立柱，凿除老承台及与隧道结构冲突部分桩基，监测校对，第二次顶升匝道主梁到达预定位移量；6) 在设计托换承台上表面200 mm处对立柱进行水切割，保留立柱主筋，施工托换承台；7) 张拉托换承台内预应力钢束，受力体系转换，托换结构承载；8) 释放千斤顶，让托换承台及桩基持力，拆除临时支墩；9) 下穿隧道开挖，施工下穿主体混凝土箱涵通道；10) 基坑回填，应力监测，托换处上部梁体外观检修，桥梁检测鉴定，托换完成。

2.3 托换承台、辅助墩桩基设计

2.4 临时支墩设计

图2 匝道桥3#桥墩临时支墩结构设计图

为确保匝道桥混凝土立柱切割后不发生左右偏移，本托换施工方案在临时支墩钢管柱上设置钢抱箍限位和防坠落支撑体系。钢抱箍限位包括2只高50 cm的抱箍，内衬3 mm厚橡胶垫、M24高强螺栓，下设千斤顶；防坠落支撑体系，即在两个临时支墩承台上各设置两根D500钢管柱+贝雷片+工字钢，工字钢向上托住钢抱箍，以消除匝道桥混凝土立柱切割后的自重力，并且型钢左右紧固混凝土立柱，防止混凝土立柱偏移。

2.5 高架桥箱梁顶升

箱梁顶升采用PLC多点同步顶升系统，该系统主要由液压系统(油泵、油缸等)、计算机控制系统等几个部分组成。箱梁顶升工艺流程如图3所示。箱梁顶升分为初次顶升和二次顶升两个阶段。箱梁顶升前，根据支座规定位置进行布置，将支座垫箱与工字梁进行点焊连接，并准备好橡胶支座，支座型号为50 cm×40 cm×7 cm。所有准备工作完成后进行顶升，按初次顶升力进行控制，当顶升力达到要求后，立即安装橡胶支座，并在橡胶支座下面设置叠层钢板，使橡胶支座和箱梁紧密贴合。当匝道桥桥墩立柱切割后，临时支墩支撑体系会产生弹性变形，箱梁会产生微弱下沉，为了使箱梁恢复到原始标高，需要对箱梁进行二次顶升。在箱梁顶升受力转换24 h后，对箱梁进行监测，测得箱梁因临时支墩支撑体系弹性变形沉降量，依据结果采用PLC多点同步顶升法对箱梁进行再次顶升，使之恢复到原标高。箱梁顶升加载流程见表1。

图3 箱梁顶升工艺流程图

表1 箱梁顶升加载流程表

2.6 桥墩混凝土立柱切割

在临时支墩钢管柱抱箍限位装置施工好后，再进行匝道桥3#桥墩混凝土立柱切割施工。混凝土立柱切割采用水切法，先在老承台上方40 mm处切割，同时切割混凝土和钢筋；后在临时支墩托换承台上方20 mm处切割，切割过程中需保护混凝土立柱原受力主钢筋；切割过程利用临时支墩对混凝土立柱进行抱箍处理，减小扰动，增加其稳定性。

匝道桥混凝土立柱切割时间：临时支墩顶升持力，混凝土立柱处于零应力状态;临时支墩完全承受荷载并变形稳定后，根据监控系统指令，即可进行匝道桥混凝土立柱切割工作。

切割后，对混凝土立柱的垂直度进行检测，若垂直度偏差则需对其进行微调，满足规范要求，并将托换承台钢筋和混凝土立柱钢筋进行焊接固定，然后再进行托换承台钢筋和混凝土施工，最后再切割混凝土立柱端口涂刷界面剂，确保与承台有效粘结。

2.7 托换施工监测

杭徽高速余杭互通1#匝道桥3#桥墩立柱托换施工监测分3个阶段：

第1阶段：第1次顶升，当单个千斤顶力为50%设计值时，监测临时支墩支撑体系的沉降变化情况。

第2阶段：第2次顶升时(在箱梁桥墩立柱切割后)，监测高架桥箱梁的沉降量，用于指导箱梁的2次顶升，提升临时支墩高度，使混凝土箱梁达到立柱切割前的标高。

第3个阶段：托换梁与原立柱混凝土浇筑达到相应强度后，由临时支墩支撑体系应力转换至托换梁上的监测及后期的稳定监测。

临时支墩支撑体系监测布点与监测方法同建筑物。箱梁监测点高程通过地面固定沉降测点与箱梁之间的垂距间接计算可得，垂距可通过手持测距仪观测。

匝道桥墩立柱托换施工过程中应进行跟踪监测，并实时指导，维持箱梁原标高；后期稳定监测每周测1次，最后1个月平均变化速率不超过0.02 mm/d时停测，箱梁沉降量累计报警值为14 mm。

3 托换施工技术验算

为了确保杭徽高速余杭互通1#匝道桥3#桥墩混凝土立柱托换方案的安全性和可靠性，下面对临时支墩支撑体系主要组成部分和辅助墩钻孔灌注桩基础进行验算。

3.1 上横梁验算

本托换方案计划采用8个100 t千斤顶进行顶升，单个千斤顶受力为808.35 kN；千斤顶下由双拼I36a工字钢支撑，工字型下为贝雷梁，中距20 cm，工字钢长200 cm；按简支梁承受2个820 kN集中荷载(按4片贝雷片承受1个千斤顶，千斤顶位置中间)进行计算。

上横梁采用双拼I36a工字钢并排布置，支承在10片贝雷片上，贝雷片横向中距20 cm，上横梁可视作弹性支承在贝雷片上的连续梁。由于跨径很小，上横梁本身应力可忽略不计，只需进行上横梁腹板局部应力验算。

上横梁处承受千斤顶的集中荷载作用，该位置需要按照《公路钢结构桥梁设计规范》(JTGD 64—2015)第5.3.1条规定验算腹板的局部应力，其计算公式为

γ0δZ=γ0F/(twlx)≤fd

(1)

式(1)中:lx为有效分布长度，mm;F为局部集中应力,MPa；fd为腹板的抗压强度设计值，MPa；δZ为腹板的正应力，kN。在本工程中，结构重要性系数γ0=1.0，tw=2×10=20 mm，lx=230+2×15.8=261.6 mm，则γ0δZ=1.0×(820×103)/(20×261.6)=156.73 MPa

由式(1)可知，双拼I36a工字钢梁组成的上横梁在千斤顶反力作用下，千斤顶的支承宽度如为230 mm，则工字钢腹板局部应力为156.73 MPa，小于Q235受压设计强度190 MPa。为增加腹板承受力，在千斤顶下方的工字钢内增设加劲板。

3.2 贝雷片验算

贝雷片设置单层8排，中间采用150连接框连接成整体，跨径按12 m计算，下横梁作用位置位于梁底肋板正下方，距离跨中位置1.875 m，左右各一处；按千斤顶下传力及上横梁自质量计算，单处荷载为p=820 kN+1.3×0.6 kN=820.78 kN。本工程采用Midas Civil分析软件选取1#桥第一联4 m×25 m箱梁的上、下部结构进行建模，经过计算得到贝雷片承受内力的弯矩和剪力如图4～图5所示。由图4～图5可知：贝雷片承受的最大弯矩为3 458.62 kN·m，最大剪力为845 kN。贝雷片的物理力学性能如表2所示。

表2 贝雷片的物理力学性能表

由表2可知，单个千斤顶下单层五排加强型贝雷片承受的内力情况如下：

Fmax=845 kN<[F]=698.9+245.2=944.1 kN；
Mmax=3458.62 kN·m<[M]=4809.4 kN·m。

3.3 下横梁验算

下横梁采用双拼I36a工字钢，承受上部贝雷片下传力及自重，其下由钢管柱支撑，钢管柱顶设置20 mm钢板，柱顶单侧设置2根牛腿(0.5 m×1.0 m)，钢管柱采用直径1.0 m，厚度16 mm钢管。钢管柱内填砂，顶部1 m内设置十字形加劲板，故下横梁仅传递荷载和增加贝雷片横向稳定，剪力和弯矩均无需进行验算。

3.4 钢管柱验算

钢管柱承受千斤顶下传力以及上部各构件材料的质量，千斤顶下穿力按单根钢管柱1 200 kN计算。单根钢管柱上部材料质量分别为

上横梁：2.0 m×1.2 kN/m=2.4 kN

贝雷片：8×12 m×1 kN/m/2=48 kN

下横梁：2.0 m×1.2 kN/m=2.4 kN

钢管柱承受荷载P=上部匝道梁荷载+上部材料荷载=1 642+2.4+48+2.4=1 694.8 kN

此处取值P=1 700 kN。

钢管柱直径D1=1 000 mm，壁厚直径D2=2×16 mm，则回转半径i=(D12+D22)1/2/4=347.94 mm。钢管最大自由长度L=10 m,则柔度系数λ=L/i=28.74。

钢管柱壁截面积A=π×(0.5×0.5-0.484×0.484)=0.049 5 m2

查表可知折减系数为φ=0.9，则

[P]=φ[σw]A=0.9×188.5×106×0.049 5=8 397.69 kN>1 700 kN，满足要求。

3.5 辅助墩钻孔灌注桩基础验算

辅助墩采用C30钢筋混凝土灌注桩基础，直径为1.0 m，桩顶标高为2.47 m，桩底标高为-9.53 m，深入中风化粉砂岩层2.0 m，长度12.0 m。不考虑杂填土的摩擦力，中风化粉砂岩地基极限承载力标准值取800 kPa，按摩擦端承桩进行计算。

根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)规定，计算单桩竖向承载力特征值公式为

(2)

单桩承载力式(2)中，安全系数K取2.0。根据本工程勘察资料，各岩层厚度及特性如表3所示。

表3 工程岩层厚度及特性表

因钻孔灌注桩采用冲击钻机成孔，不考虑桩端土的阻塞效应，即λp=1,则单桩设计承载力为

0.787 5×800]=

2 497 kN>F=2 350 kN

由上述计算可知，满足承载力要求。施工时应按入岩深度和桩底标高进行双控，桩底标高暂定为-9.53 m，桩端部进入中风化岩不小于2 m。

3.6 验算结论

根据上述验算结果可知，杭徽高速余杭互通1#匝道桥3#墩承台托换临时支墩体系各构件在托换过程中能够满足应力应变要求，安全可靠[7-9]。

4 结 论

对既有建筑物结构托换墩柱或桩基都属于高难度、高风险项目，施工单位应该与其他各参建单位密切配合，采用Midas Civil 分析软件建立的模型应高度模拟施工过程。本工程桥墩托换在施工过程中要根据现场的实际情况随时调整施工方案，项目管理人员要全天候在施工现场组织,及时协调,推进各项工作的实施，要针对已出现或即将出现或可能出现的情况和问题及时做出反应，采取有力措施控制，以保证桥墩托换施工正常、有序、安全地进行。