地鐵盾構(gòu)法疊落區(qū)間穿越橋樁段樁基托換方案
2020-04-04 07:44:09   來源：焦作新礦機(jī)械

現(xiàn)在城市規(guī)劃建設(shè)已經(jīng)非常成熟，地鐵線路選擇過程中，不可避免的與既有建構(gòu)筑物基礎(chǔ)發(fā)生沖突，若大面積拆遷，工程造價不可避免的大幅增加，經(jīng)濟(jì)性無法實現(xiàn)；若線路選擇繞避，站點(diǎn)設(shè)置可能與周邊客流、商業(yè)、規(guī)劃等不匹配，便利性與初衷不符。因此，必須根據(jù)隧道和建筑物的具體情況，對建筑物采取必要、有效的加固或托換措施，從而保證隧道順利掘進(jìn)和建筑物結(jié)構(gòu)安全。

目前，在地鐵工程中，對于樁基托換保護(hù)的研究很多，主要集中在盾構(gòu)區(qū)間穿越高層建筑地下室樁基礎(chǔ)或盾構(gòu)區(qū)間隧道穿越人行天橋樁基等樁基托換方面進(jìn)行研究、總結(jié)。文章以北方某市在建地鐵盾構(gòu)疊落區(qū)間穿越三根市政橋梁樁基托換為例，提出基礎(chǔ)托換、地面支頂、地基加固人工截樁的設(shè)計方案，對樁基托換施工步序及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，為以后類似工程設(shè)計提供參考。

1 工程概況

1.1 盾構(gòu)區(qū)間概況

河梁街站～河松街站區(qū)間位于哈爾濱市道里區(qū)，自河梁街站（地下二層明挖站）大里程端出站后沿哈藥路下方向南敷設(shè)，后在哈藥路與前進(jìn)路交叉口處右轉(zhuǎn)沿前進(jìn)路下方鋪設(shè)，最終到達(dá)河松街站（地下三層明挖站）。區(qū)間進(jìn)入前進(jìn)路后，由于現(xiàn)狀道路較窄，區(qū)間左側(cè)為市政高架橋，右側(cè)為待開發(fā)地塊基坑（鋼板樁及錨索已實施），因此，區(qū)間左右線在前進(jìn)路段由平行設(shè)置變?yōu)樯舷炉B落，在里程CK35+347.577～CK35+352.789處正穿前進(jìn)路高架橋D52’橋墩，該橋墩下方三根橋樁位于盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，由于車站修建過程中，此區(qū)域內(nèi)地面交通中斷，為不影響周圍居民的出行，該市政橋梁須保持暢通并利用該橋進(jìn)行區(qū)域交通疏解，以此滿足附近居民生活需求。因此，需對區(qū)間正穿3根樁基進(jìn)行樁基托換，并鑿除侵入盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有橋樁（見圖1）。

1.2 既有前進(jìn)路高架概況

前進(jìn)路高架橋為城市快速路、城市A級橋梁，道路等級為城市快速路，始建于2000年，交通設(shè)計使用年限為20年。本段橋梁橋?qū)?3m，為單幅三車道，含兩側(cè)各0.5m防撞欄。采用三聯(lián)五跨橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)梁。下部均為樁柱式橋墩。區(qū)間在河鼓街與前進(jìn)路交叉口正穿前進(jìn)路高架橋D52’墩柱下橋樁，需對現(xiàn)有橋樁進(jìn)行樁基托換。橋D52’墩柱下現(xiàn)有4根橋樁，樁徑為1.2m，樁長為33m，樁主筋為20@Φ28（為保證盾構(gòu)刀盤安全，建議采用先截橋樁后推盾構(gòu)）。已收集資料未說明該樁的類型，根據(jù)樁長、持力層等判斷該樁為端承摩擦型樁，持力層位于7-2中砂層。橋D52’墩柱下承臺尺寸為5.4m（長）×5.4m（寬）×2m（高），埋深0.69m，承臺底部土層為雜填土（見圖2～圖4）。

前進(jìn)路高架橋橋設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)為：快車道，汽-超20、掛車-120；慢車道，均布荷載3kPa，汽-15驗算；人群荷載小于3.5kPa。

為保證前進(jìn)路高架橋橋樁的安全及正常運(yùn)營，在盾構(gòu)區(qū)間施工前，應(yīng)對既有前進(jìn)路高架橋現(xiàn)狀進(jìn)行全面的調(diào)查評估，并據(jù)此制定安全的施工技術(shù)措施，嚴(yán)格按照“先加固、后施工”的順序進(jìn)行。由于本區(qū)間為左右線上下疊落走行區(qū)間，施工時建議先施工下行區(qū)間，待下行區(qū)間施工完畢后，通過洞內(nèi)預(yù)留注漿孔或地面加固的方式對上下區(qū)間層間土進(jìn)行加固。后施工上行區(qū)間，上行區(qū)間施工過程中，為保證下行區(qū)間結(jié)構(gòu)安全，建議在下行區(qū)間內(nèi)采用移動式支撐臺車，隨上行區(qū)間邊施工邊保護(hù)方法保證既有結(jié)構(gòu)自身安全。

2.1 樁基托換及截樁施工步序

第一步：施工圍擋，管線改移后，淺挖小基坑至既有承臺表面，清理平臺表面，施工地面支頂。

第二步：施做托換樁，澆筑托換樁至新承臺底面處，并預(yù)留鋼筋接頭.

第三步：采取旋噴樁加固及冷凍法加固既有橋樁周圍土體（冷凍法只加固需截除橋樁的周圍土體）。

第四步：開挖基坑，澆筑新建承臺，完成新承臺與既有承臺的植筋、新建承臺與新建橋樁的連接。

第五步：新建承臺達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，沿區(qū)間縱向方向開挖新施作承臺下需截樁部分土體，并向下施工人工挖孔樁（孔壁采取玻璃纖維筋混凝土），從上向下依次截除區(qū)間范圍內(nèi)樁體。

第六步：采用C15混凝土回填人工挖孔樁、地面以及承臺下基坑。區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)通過。待橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，拆除地面支撐。

2.2 鋼管地面支頂及頂升

開挖樁基托換基坑時，開挖至D52’橋墩下方承臺位置，開始進(jìn)行支頂構(gòu)件安裝。鋼管柱設(shè)立在原承臺上，支撐體系采用底部承臺，中部鋼管柱，柱上方架設(shè)工字鋼橫梁，橫梁上方架設(shè)支頂工具及測量工具的方式進(jìn)行支頂施工。為確保鋼管支撐的穩(wěn)定性，根據(jù)高架橋上部橋梁尺寸，沿道路縱向設(shè)置三根鋼管支撐，間距為1.95m，沿道路橫向在橋墩左右兩邊對稱設(shè)置鋼管支撐，每跟鋼管撐的長度為5.1m。

（1）頂升設(shè)備安裝。鋼管支撐安裝完成后，按設(shè)計要求在工字鋼橫梁上安裝頂升設(shè)備，為保證頂升施工中箱梁結(jié)構(gòu)安全，頂升過程控制采用計算機(jī)控制液壓同步升降系統(tǒng)，安裝的頂升設(shè)備主要有：千斤頂、限位裝置、壓力傳感器、位移傳感器及數(shù)據(jù)采集分析及備份系統(tǒng)。

（2）頂升施工。頂升設(shè)備安裝調(diào)試完畢后進(jìn)行頂升施工，按設(shè)計要求，同一蓋梁下箱梁同時進(jìn)行頂升，用鋼板將箱梁與原支座位置空隙楔緊、千斤頂卸載。頂升施工時，各千斤頂同步施加頂力，采用計算機(jī)控制液壓系統(tǒng)達(dá)到同步升降。通過限位裝置控制頂升高度，采用位移傳感器監(jiān)控頂升是否達(dá)到預(yù)計量，全過程作好頂力及位移的記錄，為保證頂升過程橋梁安全，需相關(guān)部門協(xié)調(diào)在異型板頂升過程中，對高架橋主路實施限載，減少車輛動載對頂升的影響。

2.3 監(jiān)測方案

為保證高架橋的安全，在箱梁支頂施工中，須制訂嚴(yán)格的監(jiān)測方案，實施中根據(jù)需要加強(qiáng)監(jiān)測，為箱梁支頂及區(qū)間開挖施工提供科學(xué)的依據(jù)，指導(dǎo)地下施工。

（1）箱梁、橋墩和地表監(jiān)測。監(jiān)測項目：墩身垂直位移（沉降）、墩身傾斜觀測、箱梁水平位移、箱梁裂縫觀測、箱梁撓度變形監(jiān)測、橋墩周圍地表沉降監(jiān)測。①墩身垂直位移監(jiān)測。在車站基坑開挖施工期間對箱梁區(qū)域橋墩進(jìn)行沉降監(jiān)測。墩身上布設(shè)沉降觀測點(diǎn)。在箱梁支頂期間對原有監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行繼續(xù)觀測既可；②墩身傾斜觀測。每個墩身上布設(shè)4個點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)所用材料為與全站儀相匹配的反光貼片。每次觀測將全站儀架設(shè)于同一固定位置，分別對墩身4個方向進(jìn)行傾斜觀測；③箱梁水平位移。為觀測箱梁在支頂后是否發(fā)生水平位移，在箱梁上貼反光片，用全站儀對其進(jìn)行觀測。觀測方法與墩身傾斜觀測相同；④箱梁裂縫觀測：選幾條裂縫寬度0.2～0.4mm進(jìn)行觀測，在每條裂縫上選三處抹石膏板，并且在裂縫端頭用彩筆標(biāo)出位置。箱梁調(diào)整的過程中，每天進(jìn)行2次觀測，若發(fā)現(xiàn)裂縫有發(fā)展及時請三檢所進(jìn)行裂縫寬度檢測；⑤箱梁撓度變形監(jiān)測：在箱梁相應(yīng)位置鑿出箱梁內(nèi)部鋼筋，在鋼筋上布設(shè)鋼筋計，再用混凝土封閉，恢復(fù)原狀。通過對箱梁鋼筋受力情況的監(jiān)測來撐握箱梁的變形；⑥橋墩周圍地表沉降觀測：在橋樁承臺周圍地表布設(shè)沉降點(diǎn)，在支頂完成后，加強(qiáng)對周圍地表沉降監(jiān)測并與橋樁沉降數(shù)據(jù)對應(yīng)分析來掌握箱梁區(qū)域沉降情況。

（2）支撐體系力學(xué)監(jiān)測。支承體系力學(xué)監(jiān)測項目：支頂點(diǎn)壓力、鋼管基礎(chǔ)沉降、鋼管撓度變形。

橋梁墩臺允許沉降控制值小于等于10mm，縱向相鄰橋梁墩臺間差異沉降控制值小于等于5mm，橫向相鄰橋梁墩臺間差異沉降控制值為2mm/d，承臺水平位移控制值為3mm。

2.4 注意事項

（1）整合既有人力、物力資源成立必要的協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)和協(xié)調(diào)制度。并制定信息通報制度，提前發(fā)現(xiàn)危險征兆并積極采用應(yīng)對措施。

（2）基礎(chǔ)托換及隧道穿越前，應(yīng)積極與市政有關(guān)部門協(xié)調(diào)，充分做好穿越前的準(zhǔn)備和保護(hù)工作，編制完善的施工組織方案和應(yīng)急預(yù)案，且施工前應(yīng)對施工穿越方案和應(yīng)急預(yù)案召開專家審查會審查后再施工。

（3）做好地下勘探工作，防止施工過程中意外情況發(fā)生。在施工前，應(yīng)請專業(yè)地下勘探部門對穿越地段做詳盡細(xì)致的勘探，徹底摸清地下障礙物的分布情況，做好充分準(zhǔn)備，排除穿越過程中的意外因素。

（4）認(rèn)真分析地質(zhì)資料，做好超前預(yù)報：對地質(zhì)情況不明的地段一定要進(jìn)行補(bǔ)勘，進(jìn)一步了解土層的情況，做到心中有數(shù)。

（5）施工前對橋梁現(xiàn)狀進(jìn)行評估，并記錄原始資料。

（6）施工前必須進(jìn)行現(xiàn)場試驗，以確定旋噴及凍結(jié)加固的各種參數(shù)；施工中嚴(yán)格按要求執(zhí)行加固工藝。

（7）加強(qiáng)施工管理，嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化作業(yè)，施工中要經(jīng)常分析土質(zhì)變化、圍巖參數(shù)，遇到可疑情況及時分析，不得冒進(jìn)，加強(qiáng)地表沉降監(jiān)測以指導(dǎo)地下施工，根據(jù)地表沉降情況，及時施工參數(shù)。

3 計算分析

根據(jù)勘察報告及相關(guān)規(guī)范，地層及結(jié)構(gòu)參數(shù)取值（見表1）。

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）表5.3.5-1及表5.3.5-2，提供各土層泥漿護(hù)壁q鉆孔樁的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik、樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值pk 及抗拔系數(shù)λ的建議值，供設(shè)計時參考選用，樁設(shè)計參數(shù)（見表2～表3）。

3.1 單樁承載力計算

單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94－2008）公式5.3.5公式估算：

式中：qsik—樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

qpk—極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值。

根據(jù)已有勘察資料，查出各土層樁基設(shè)計參數(shù)。本次計算單樁承載力考慮到盾構(gòu)掘進(jìn)時對土體的影響，忽略了受影響土層的樁基側(cè)摩阻力。樁基設(shè)計長度為50m：

即新建橋樁單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為16067kN，單樁極限承載力特征值為8033kN。

3.2 樁基豎向承載力計算

計算過程中，取D52’橋墩左右各半跨橋梁作為研究對象，根據(jù)哈爾濱市市政工程研究院提供的前進(jìn)路高架橋（延長段）資料，上部橋梁長度為24m，高架橋上部（橋面、橋墩、承臺）荷載共37000kN，橋面車輛荷載為2747kN，人群荷載為75.28kN。計算新承臺荷載為385kN。上部土體荷載為1693.8kN。即新建橋樁上部荷載為41901.08kN。

由于盾構(gòu)區(qū)間及上部橋墩的原因，新建承臺為偏心受壓構(gòu)件，因此計算樁基豎向承載力時要符合下列要求：

軸心豎向力作用下：

式中：NK―荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合軸心豎向力作用下，樁基的平均豎向力；

R―樁基豎向承載力特征值；

偏心豎向力作用下，除滿足上式外，尚應(yīng)滿足下式的要求：

式中：NKmax―荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合偏心豎向力作用下，樁頂最大豎向力；

R―樁基豎向承載力特征值；

由此計算出NK=6983.5kN≤8033kN，滿足要求。

偏心豎向力作用下樁基豎向力：由此計算出NKmax為9184.5kN≤9639.6kN，滿足要求。

3.3 計算分析

（1）計算模型。橋D52’墩柱下承臺尺寸為5.4m（長）×5.4m（寬）×2m（高），埋深0.69m，承臺底部土層為雜填土，既有樁樁徑1.2m，樁長33m，樁底持力層位于7-2中砂層。新承臺尺寸為14m（長）×10m（寬）×4m（高），埋深4.69m，承臺底部土層為2-3細(xì)砂層，托換樁為6根鉆孔灌注樁，樁徑0.75m，樁長50m，為端承摩擦樁，樁底持力層位于8-2強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖層。區(qū)間為6m直徑盾構(gòu)隧道，上行區(qū)間拱頂埋深約10.43m，下行區(qū)間拱頂埋深約18.86m。

本計算采用Midas GTS NX軟件建立計算模型，共劃分了24318個實體單元，地層計算設(shè)置大變形，三個模型整體網(wǎng)格劃分（見圖7），全部單元采用實體單元，土層參數(shù)根據(jù)地勘報告選取，土體采用摩爾-庫侖彈塑性本構(gòu)模型，新建及既有結(jié)構(gòu)均采用線彈性本構(gòu)模型。

（2）計算分析。施工步序為先托換盾構(gòu)后穿越，盾構(gòu)穿越中，先施工下行區(qū)間，后施工上行區(qū)間。模擬計算嚴(yán)格按照施工步序進(jìn)行。

從云圖上可以看出，隨著盾構(gòu)區(qū)間下行線及上行線掘進(jìn)，橋樁的最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力絕對值不斷增大。在初期下行線盾構(gòu)掘進(jìn)和上行線掘進(jìn)后應(yīng)力有一定的變化，后期施工應(yīng)力增長較小。盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)時，土體Y向位移變化數(shù)值較大，因此應(yīng)嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)速度。上下行區(qū)間均穿越托換體后，引起托換橋樁水平方向的位移約4.32mm，豎直方向的位移約4.29mm，縱向相鄰墩臺間差異沉降約2.26mm。能夠滿足橋梁變形控制最小位移值。但施工過程中仍加強(qiáng)監(jiān)控量測，以現(xiàn)場監(jiān)控量測知道施工、設(shè)計。

3.4 成功案例

廣州地鐵3號線瀝滘～夏滘區(qū)間樁基托換實例。廣州市軌道交通三號線瀝滘站-廈滘站區(qū)間經(jīng)過部分民房。共有20根樁基礎(chǔ)進(jìn)入隧道平面。本設(shè)計采用主動托換體系。托換樁為鉆孔灌注樁，托換梁采用鋼筋混凝土梁。在隧道結(jié)構(gòu)線外1m范圍外設(shè)置φ800mm灌注樁。承臺兩側(cè)設(shè)置梁，承臺和梁之間進(jìn)行植筋處理。目前三號線已運(yùn)營多年，經(jīng)長期監(jiān)測結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)使用安全。

（2）盾構(gòu)疊落區(qū)間隧道按照施工工序建議先施工下行區(qū)間，待下行區(qū)間施工完成后再施工上行區(qū)間。上行區(qū)間施工前需對上下行區(qū)間間層間土進(jìn)行預(yù)加固及對下行區(qū)間采取移動支架支頂保護(hù)措施能有效的保證結(jié)構(gòu)安全，為以后其他工程提供了經(jīng)驗支持。

（3）盾構(gòu)疊落區(qū)間范圍內(nèi)由于既有樁基鋼筋直徑較大，需采取人工截除。樁基位于托換體下方，截除前需對該范圍內(nèi)土體進(jìn)行加固，但由于此地操作空間較為局促，對于在狹小空間內(nèi)如何保證加固體滿足設(shè)計要求及施工安全需要進(jìn)一步研究。我公司生產(chǎn)制造建筑隧道機(jī)械、地鐵鋼管片。