孟磊
上海市隧道工程轨道交通设计研究院 上海 200235
摘要：随着经济社会的发展，国内越来越多的城市相继修建了城市轨道交通线路。市政基础设施建设密度越来越大，势必会更多地产生后续建设的地铁线路与既有市政设施冲突等问题。本文依托西南某地铁项目明挖区间实施过程中对与其冲突的桥梁下部结构进行托换的工程，介绍了桥梁下部结构托换技术，以便为后续类似项目提供参考。
关键词：地铁明挖区间、桩基托换、方案研究
1 工程概况
根据城市规划需要，某立交桥C1匝道0C#墩以东的匝道桥将永久拆除，接立交主线的第一跨匝道箱梁与主线是连成一体的叉形结构，箱梁支撑于0C#双柱墩盖梁上。地铁明挖区间隧道下穿立交桥。0C-2#桥墩和柱下独立基础侵入地铁明挖区间的隧道范围，与明挖区间隧道侧墙冲突，须对立交桥匝道桥下部结构进行托换，施工期间临时托换，最终与地铁明挖区间侧墙合建。
2 工程重点难点
保留的0C-2#桥墩对变形较敏感，0C#盖梁顶最大累积竖向变形不得超过2mm，需要通过合理的设计方案及有效的施工措施进行位移变形控制，同时在施工过程中须对桥梁进行严密的监控量测。
桩基托换施工工艺复杂，且与地铁明挖区间隧道交叉作业，对施工组织要求较高。须对施工工艺、工序进行合理考虑。
为有效减小托换梁的跨度，更有利于结构受力，须对明挖区间顶底板预留后浇孔，待桩基托换完成后，再凿除临时桩、梁，并浇筑后浇孔。
3 桩基托换设计思路
地铁隧道与既有建构筑物的冲突是地铁施工中常见的问题。为保障在地铁施工、运营期间既有建构筑物的安全和稳定，在工期、投资的允许下，托换是桩基处理的重要方式，旨在通过崭新的加固和改变支撑体系等措施处理基础，平衡既有建构筑物结构平衡和稳定。[1]
桩基托换技术是一种难度大、费用较高、工期较长、风险性极高的一种特殊施工方法，具有涉及专业类别多、科技含量高、环境安全保护问题突出的特点。[2~4]目前国内外对桩基托换技术的运用状况及其核心技术机理的不同，主要分为主动托换和被动托换两种。[5]
为追求方案合理且兼顾投资较省，考虑0C-2#桥墩与地铁区间侧墙合建，浇筑成整体，且本次需要托换的0C#墩盖粱对变形的要求较高，本次桩基托换方案拟采用主动托换的方式来完成，主动托换具有主动控制既有结构变形、托换荷载大等优点。
3.1主要设计思路
本方案的主要思路是将托换梁与桥墩通过企口、植筋浇筑成一体，桥梁上部结构荷载通过桥墩、托换梁、桩向下传递，完成托换后，将桥墩截断并与明挖区间侧墙浇筑成整体，然后拆除临时托换体系。 被托换桥墩、托换梁、托换桩、地铁区间平面位置关系，如图所示：
图3-1 托换体系平面示意图
托换桩的大部分沉降在预顶阶段完成，以消除后期托换桩沉降变形对既有建构筑物的影响，同时也检验了整个托换体系的承载能力，通过千斤顶的逐级加载，使盖梁、桥墩的荷载转换到了新建的托换桩上，达成整个体系转换的目的。
3.2托换工序
托换桩施工→被托换桥墩界面处理、植筋→施作托换梁、安装千斤顶→预顶→连接托换桩、托换梁→开挖地铁区间基坑→断桩→施作地铁区间主体结构并连接被托换桥墩→拆除临时托换梁、托换桩→基坑回填。
4 承载力验算
4.1 工程材料
1）托换梁：C40混凝土，HPB300、HRB400带肋热轧钢筋。
2）托换承台节点：C40微膨胀混凝土，HPB300、HRB400带肋热轧钢筋。
3）托换桩：桩芯C35混凝土，HPB300、HRB400带肋热轧钢筋。护壁C25混凝土，HPB300热轧钢筋。
4）植筋胶：采用改性环氧类或改性乙烯类基酯类（包括改性氨基甲酸酯）的A级胶粘结剂，锚固用胶结剂的质量和性能符合《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2013）有关要求。
5）植筋钢筋采用HPB300、HRB400，其性能指标满足《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2013）有关要求。
4.2 托换桩承载力计算
确定桩数和布桩设计时，采用传至托换梁底面的荷载效应标准组合，相应的抗力采用基桩的承载力特征值。
原有立交C匝道需拆除。拆除后，立交0C-1#、0C-2#桥墩基底荷载标准值如下表：
1）托换桩承载力计算
托换桩竖向荷载主要承受墩柱传来的竖向荷载（集中力）、托换梁自重（均布荷载）。由于托换梁、托换桩、既有墩柱关系较为复杂，计算托换桩设计承载力需考虑上部荷载作用位置及与托换桩的关系，施工阶段桥上无通行荷载，因此荷载不考虑桥面活载，考虑到后期基坑开挖对桩周土体产生的扰动，本次托换桩不考虑侧摩阻力，托换桩考虑为端承桩。
根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）5.3.9
Quk=Qsk+Qrk
Qsk=u·∑qsikli
Qrk=ζr ·frk·Ap
ζr=1.2
frk=26.6Mpa
Ap=3.14×1^2/4=0.785
嵌岩桩Quk=Qrk=1.2×26600kpa×0.785㎡=25057kN
单桩竖向承载力特征值Ra=Quk/K=25057KN/2=12528.6kN
根据《桩基规范》5.1.1 式5.1.1-1计算轴心荷载作用下桩顶全反力,式5.1.1-2计算偏心荷载作用下桩顶全反力
在轴心荷载作用下，桩顶全反力 Nk = 505.400(kN)
按《桩基规范》5.2.1(不考虑地震作用) 式5.2.1-1 (Nk≤1.00R) 验算
(Nk=505.400kN) ≤ (1.00R=12528.500kN) 满足。
在偏心荷载作用下,按《桩基规范》5.2.1(不考虑地震作用) 式5.2.1-2(Nkmax≤1.20R) 计算
桩号 1 : (N1k=555.940kN) ≤ (1.20R=15034.201kN) 满足.
桩号 2 : (N2k=454.860kN) ≤ (1.20R=15034.201kN) 满足.
桩号 3 : (N3k=555.940kN) ≤ (1.20R=15034.201kN) 满足.
桩号 4 : (N4k=454.860kN) ≤ (1.20R=15034.201kN) 满足.
(Nkmax=555.940kN) ≤ (1.20R=15034.201kN) 满足.
满足承载力要求。
2）桩身承载力验算
根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）5.8.2
N≤Ψc·fc·Aps
Ψc·fc·Aps =0.9×16.7N/mm²×3.14×1^2/4㎡=11798.55KN
N设计max=1951.51KN=（555.94+673.75+215.875）×1.35
故N设计＜Ψc·fc·Aps
桩身承载力满足要求。
3）托换桩沉降计算
本工程桩基托换为主动托换，桩基沉降通过调整千斤顶压力可以进行预先将很大一部分沉降先发生，考虑到桩端为基岩，后期沉降量小，故不对桩基沉降做专门的验算。
4.3 托换梁的承载力计算
1）计算模型
桩基托换方式为主动托换，在上部结构荷载传递至桩基前通过预压作用桩基变形已趋于稳定，因此可将桩基对托换梁作为支座考虑。
计算时将桩视为支座，托换梁上部荷载视为集中荷载，托换梁自重视为均布荷载，简化为二维模型进行计算。
2）内力计算
标准组合下弯矩图：
图4-2 标准组合弯矩图
标准组合下剪力图：
图4-3 标准组合剪力图
近端支座反力=1712.33kN；远端支座反力=1509.77kN
近端单桩千斤顶顶力参考值：856.17kN；远端单桩千斤顶顶力参考值：754.885kN。
4.4 新旧混凝土计算
既有桥墩桩基与托换梁的连接部位承受剪力、弯矩的作用，新老混凝土之间的连接问题是属于抗剪-滑移的问题，这种新混凝土握裹老混凝土形成抗剪接头的承载力问题，其抗剪滑移破坏机理目前尚无现成的结论可用，也无现成规范可套用。因此在本次计算中采用简化计算。
简化计算时按照以下原则进行是偏于安全的：
1）结合面的粘结力作为安全储备。由于理论研究的不成熟和实际工程的差异性，以及结合强度本身偏低，计算时不考虑结合面的粘结力，更为安全。
2）设置企口，使得桥墩与梁的剪切问题转换为企口处混凝土的冲切问题。锚筋的使用，主要作用是使接头混凝土在塑性变形后还具有一定的延性，不至于发生破坏性事故。
3）植筋连接仅作为构造措施。
新旧混凝土结合面的剪力分布到5个企口上。企口设置如下图：
图4-4 新旧混凝土处理措施图
当不考虑钢筋时，一个企口抗冲切承载力按下式计算：
受施工和界面处理的影响，新、旧混凝土结合面仍为本工程的薄弱点，仍需考虑其他抗剪措施。
5 施工要点
1）植筋和界面处理
植筋和界面处理是桩基托换的关键成败，必须严格控制施工质量，方可满足托换基本要求。
在旧桩上植筋，植筋采用HRB400直径25钢筋，植筋长度不小于480mm，不超过500mm。共设计不少于24根。其中竖向间距40cm，环向每个单元植筋8根，环向间距保证均匀布置下调整，各排植筋之间呈梅花形错开，保证在界面处理的凹、凸槽带上植筋数量相等。植筋胶采用A级胶钻孔孔径控制在28±1mm，植筋工艺及用胶量应严格按照国家有关规范、规程的要求进行。
需对既有桥墩外表面凿毛，后须在既有桥墩外表面上刻槽，刻槽的深度不宜小于3.5cm，并以主筋漏筋为深度控制原则。刻槽宽度20cm，槽带上下中心距为40cm，实施完成后将桥墩表面混凝土拉毛。并进行全面清理界面，禁止出现虚块、残渣、浮灰或其他杂质，在既有桩表面涂刷界面处理剂。待界面处理剂达到要求后方可浇筑托换梁混凝土。
2）新、旧混凝土结合面为本工程薄弱环节，已知既有0C-2#桥墩的保护层厚度仅为35mm，企口的抗剪-滑移能力有限；托换梁的尺寸为3.5m×2m×7m是大体积混凝土，对混凝土的降温和养护增加了难度；地铁施工开挖基坑会使托换体系临空，应尽量避免对托换体系的扰动；托换体系为临时结构，后期需拆除，为避免对已建成的地铁区间主体结构产生不利影响拟采用人工凿除。
6 结束语
随着地铁建设的进行，地铁工程下穿城市既有建构筑物的例子不胜枚举，特别是对重要建构筑物桩基础的托换，已经成为了大多数地铁线施工的无法避免的一环。只有合理的设计方案，施工工艺，监控量测等才能有效保障既有建构筑物的安全、稳定和地铁结构施工的顺利进行。本文所述桥梁下部结构托换工程的研究为后来的地铁隧道下穿既有桥梁提供了可供参考的工程经验。
参考文献
[1]吕启兵.地铁施工中桩基托换技术[J].城市建筑,2016,(9):74-74.
[2]卜建清,孙宁等.桩基主动托换技术进展[J].铁道建筑,2009(4).
[3]彭芳乐,孙德新等.地下托换技术[J].岩土工程界,12(6).
[4]谢婉丽,张洪林等.地基处理中的托换技术及应用[J].昆明理工大学学报,2001(2).
[5]张燕霞,郑七振等.地铁隧道穿越桥梁桩基的托换施工技术[J].工程施工技术,2009(12).
论文作者:孟磊
论文发表刊物:《防护工程》2018年第12期
论文发表时间:2018/10/18
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