主動托換法在動載下基礎托換中的應用
[ 摘 要] 深圳地鐵一期工程,老街至大劇院區間的樁基托換工程是國內鐵路動載樁基托換工程的首例。基礎上部結構是預應力連續梁,在列車動載作用下不間斷運營施工,施工難度大。采用主動托換法進行施工,成功地完成了托換:采用托換梁結合托換新樁的方式,在托換梁與挖孔樁之間設置千斤頂加載,利用千斤頂使上部結構有微量位移,同時使新樁的大部分沉降通過千斤頂的預壓來完成,從而實現原結構樁上的荷載經托換轉移到新樁。
[ 關鍵詞] 主動托換;頂升;監測
1 主動托換法概述滿足的。但對于重要的建筑物有時還會提出不允許出現壓
隨著現代化城市的建設,建造城市地下交通設施是十分必要的。盡管地下交通線路的布置在原則上盡量利用現有道路干線下面空間,但實際上總會通到整個隧道或部分隧道要從現有建筑物下面或相鄰通過,對于需要保護的地面建筑必須進行托換,而托換工程又是建筑工程中最困難的任務之一,必須精心設計、精心施工,對托換過程中通到的一系列技術難題進行合理解決[2 ] 。
主動托換法是在不斷的設計和施工總結而得到的一種樁基托換方法。兩三年來,它多次在深圳及廣州的地鐵施工中使用。它與托換技術中的預試樁法在本質上大同小異。預試樁法(Pretest piles) 是由美國Lazarus White & Edmund A. Prentis 在紐約市修建威廉街地下鐵道時所發明,并于1917 年取得專利。預試樁的設計意圖是要求阻止頂承靜壓樁施工中在撤出千斤頂是壓入樁的回彈,而這個回彈會引起當建筑物的荷載正式傳遞到壓入樁時產生一定量的沉降。盡管這個沉降量是很小的,對于一般被托換的建筑物因該都是能入樁回彈的要求[1 ] 。
主動托換法是采用托換梁結合托換新樁的方式,在托換梁與挖孔樁之間設置千斤頂加載,利用千斤頂使上部結構有微量位移,同時使新樁的大部分沉降通過千斤頂的預壓來完成。
預試樁法解決的是靜壓樁在撤出千斤頂后產生的回彈, 而主動托換法是利用施工中的超載預壓,完成新樁的大部分沉降,以避免在工后的沉降對建筑物產生不良的后果。基礎上部結構是預應力連續梁,微小的變形即可產生很大的內力;列車動載作用下,動荷沖擊作用力大。因而為了盡量減少施工后因為基礎過大沉降的不良后果而采用主動托換法進行施工。
2 概況
2. 1 工程概況
廣深電氣化高速鐵路橋21 號墩以北為四跨一聯的低高度部分預應力混凝土連續梁,以南為低高度部分預應力混凝土預應力簡支梁。21 號墩和22 號墩之間為跨徑10.56 m 的簡支梁。既有基礎為<550 預制管樁,樁長16 m , 每個橋墩4 根管樁,樁端持力層為強風化層。
深圳地鐵一期工程區間暗挖重疊隧道(SK2 + 035～055) 直接穿越廣深電氣化高速鐵路橋,見圖1 。需對橋梁中的21 號墩和22 號墩基礎進行預防性托換。截斷原承臺與基礎的聯系,用托換大梁支撐原承臺。托換梁的兩端各設一根樁長為30 m , 直徑為2 m 的挖孔樁,樁端持力層為微風化巖。
2.2 地質概況
由勘測資料表明本處的地質情況較為異常。地基上部13 m 左右土質松軟,為素填土、礫沙和礫質粘土,砂成分多, 且存在有流動水。而地基下部為花崗巖、片麻巖,土質極硬。
圖1 托換立面示意
3 方案設計及技術分析
3. 1 設計要求a) 施工期間必須保證廣深線高架橋的鐵路正常通車。b) 基礎上部結構為預應力連續梁,向上頂升21 號墩梁端最大向上位移不大于2 mm ;21 號墩梁端下沉最大值位移值不大于2 mm 。
c) 嚴格限制降低21 號墩基礎的工后沉降。
3.2 方案技術分析
由于廣深線每9 min 就有一列高速列車駛過,整個托換工程需在動態中進行,這在全國尚屬首次。整個托換工程于10 月7 日開始動工。此次托換,采用托換梁結合托換新樁的方式,在托換梁與挖孔樁之間設置千斤頂加載,利用千斤頂使上部結構有微量位移,同時使新樁的大部分位移通過千斤頂的預壓來完成。為了減少由于樁在工后發生較大的沉降而使連續梁在21 號墩發生過大沉降,因此在托換施工中,利用千斤頂對托換樁進行超載預壓。
在施工過程中,列車頻繁穿梭對安全性的要求達到了苛刻的地步。施工時首先要實現對力的控制,工作人員在千斤頂和橋面上設置了壓力表、傳感器等儀器,通過24 h 實時監測保證高架橋的受力。在施工中要保持橋面的標高不變,最大誤差不能超過2 mm 。必須要考慮到托換過程中列車動荷載作用對托換結構的影響,并且整個施工過程要進行信息化施工,對每個環節的監測數據進行分析、采納,發現問題及時提出,并對有關托換和頂升參數進行修正。
樁基托換施工流程如下:建立既有橋梁結構沉降,變形監測系統→廣深鐵路橋狀態評估→ 臨時托換頂升鋼支架的鋼管裝基礎及支架施工→ 托換基坑的坑壁支護旋噴樁施工→托換新樁的樁周雙液注漿止水帳幕施工→托換新樁施工, 樁頂擴大樁帽施工及機械安全自鎖裝置安裝→ 托換基坑開挖,托換結構承臺底面置筋,托換管樁表面鑿齒槽→ 預應力托換大梁施工→托換新樁間加載千斤頂安裝調試→ 建立托換體系應力應變及位移監測系統→分級加載頂升,對托換新樁施壓,完成向新樁荷載的轉換→ 托換大梁與新樁連接,截除舊樁,完成托換工程。
4 施工方案的實施
4.1 臨時支墩頂升與橋梁扣軌
在托換大梁的基坑開挖過程中,既有管樁基礎將會露出地面2.6 m 左右,原有的低樁在地表面以下的承臺基礎結構將會變成高樁承載;既有基礎的承載能力會受到很大程度上的削弱,承載能力達到整個施工階段的最低值。
為了補足這部分由于在托換基坑開挖中會損失掉的基礎承載力,在被托換的橋墩兩側架設臨時鋼支架。鋼支架基礎采用<300 mm , 長18 m 的微型鋼管樁,支架頂設置千斤頂。利用千斤頂在頂升的作用力將20 % 的恒載轉接到臨時鋼支架上來。同時對托換處的橋梁股道進行抬梁扣軌,并對列車進行限速,通過實行動載、靜載分離,從而減輕列車動載對連續梁以及托換大梁的沖擊。
4.2 托換樁施工與托換基坑開挖
托換基坑的坑壁采用三排密布的高壓旋噴樁進行支護, 托換樁為< 2 m , 長為30 m 的人工挖孔樁,樁端入微風化巖層7 m 由于本處的地質情況異常,上部土質極軟,含動水、砂成分多。因此在挖孔樁施工過程中,在樁身上部采用袖閥管進行分層分段雙液注漿,樁身下部采用微量微差控制爆破。
托換新樁離既有管樁不超過1.5 m , 深度5 m 為托換基坑開挖將減少既有管樁的摩阻力,同時,實行人工挖孔樁的托換新樁施工將不可避免地擾動周圍上層,引起土層應力重分布和地下水位的降低。必將引起既有管樁、包括臨時支墩鋼管樁摩阻力損失,因此在本施工階段內,須根據實際監測情況及時調整臨時支墩千斤頂的頂力,保證梁端沉降不大于2 mm 。
在每根托換樁的樁頂設置一個長3.6 m 、寬2.2 m 、高1.2 m 的樁帽作為頂升施工平臺。頂升平臺與托換梁底面之間預留70 cm 的頂升空間,樁帽與托換梁之間的鋼筋采用特殊加工的直螺紋連接器進行連接,既能滿足托換頂升要求,又能保證鋼筋連接需要。在每個樁帽上擺放2 個500 t 的托換頂升千斤頂與2 個可調傳力鋼支墊。千斤頂與可調鋼支墊均設有安全自鎖裝置,并且可調鋼支墊的可調精度為2 mm 。
4.3 托換大梁施工
托換大梁為預應力鋼筋混凝土梁,混凝土強度等級為C50 , 采取托換基坑內現澆后張法施工,托換大梁外形尺寸為:長× 寬× 高= 22.7 m ×4.0 m ×2.4 m , 屬大體積混凝土結構。混凝土澆注前,須進行多次配比實驗,并在混凝土澆注過程中嚴格控制結構的水化熱和梁內外溫差。混凝土澆注完后,及時采取保溫措施,加強對托換大梁的養護。混凝土澆注時在托換樁處的托換梁內預埋灌漿孔和二次注漿孔,便于托換完成后托換梁與托換樁的連接施工。
4.4 托換頂升施工
在動載下對連續梁的整個托換沒有成功的先例可以借鑒,理論上也無法對托換過程中的各部位的受力進行準確計算。設計提供的頂升力作為頂升操作的參考值,頂升位移作為主要控制因素。
實際托換過程中,托換梁的頂升應當是一個雙控過程, 頂升力與橋梁體、墩柱的原始標高及頂升位移值互為控制因素。頂升千斤頂的頂升力,應根據被托換建筑物的結構形式來分析計算取值。在靜定結構中,可以稍大于其上部結構恒載重量,而在超靜定結構中,則應根據上部的具體構造形式來決定頂升力取值。
應當注意橋梁上部的結構荷載有限,須防止在頂升的作用力下橋梁結構突然發生較大向上的位移從而造成結構破壞或鐵路軌道的變形。因此在實際頂升過程中要求荷載分級要細,頂升加載過程要緩慢,并采用信息化施工,以監測數據指導托換頂升。為掌握托換大梁的受力情況,本次施工采取托換大梁鋼絞線張拉與基礎托換頂升相結合。托換梁橫斷面見圖2 施工工序為:
a) 在托換頂升之前,將橋梁上部的扣軌解除并將臨時鋼支架上的千斤頂卸載,以滿足設計頂升所要求提供的恒載,再將每根托換樁頂上的頂升千斤頂加載到100 噸頂力, 并鎖定托換樁頂的可調傳力鋼支墊的安全自鎖裝置,千斤頂卸載,張拉托換大梁內的8 束鋼絞線:1 -4 、1 -3 、2 -3 、2 -4 、2 -6 、2 -1 、1 -1 和1 -6 。
圖2 托換梁橫斷面
b) 對托換樁與托換梁之間的支撐力進行測試,測得每端的支撐力均在90～120 t 之間。
c) 張拉托換大梁內的另2 束鋼絞線1 -5 和1 -2 。
d) 托換樁頂上的每端千斤頂的頂力調整至100 t 后,在分級加載,每級50 t , 頂升至200 t ; 并鎖定托換樁頂的安全自鎖裝置,張拉托換大梁內的另2 束鋼絞線2 -2 和2 -5 。
e) 調整托換梁每一端千斤頂的頂力至250 t , 并鎖定托換樁頂的安全自鎖裝置,再分級加載,每級50 t , 頂升至500 t 。千斤頂持載1 h 左右,待托換樁沉降穩定。
f) 千斤頂分級,每級50 t , 卸載至設計荷載400 t , 鎖定托換樁頂的安全自鎖裝置。
g) 撤回頂升千斤頂,連接托換柱與托換梁之間的預留鋼筋,灌注樁梁連接混凝土,進行連接頂面壓漿。
完成整個頂升托換過程,實現了托換橋墩基礎的受力轉換。施工結束后進行持續一段時間的監測,整個橋梁系統工作正常,說明整個施工方案是成功的。本次托換新樁的安全系數有些偏大:當施加至設計提供的頂升力后,樁底的鋼筋計反映出傳至樁底的壓力非常小, 表明整個樁的沉降發生并不是很明顯。
5 托換頂升的位移監測
為了確保橋梁結構的安全正常運營,確保四跨一聯的連續梁的安全,監控過程必須確定每個施工步驟對縱向位移所產生的影響;對托換中各個監測點的運動情況,整理出沉降與時間的關系曲線,并應用外推法預測最終沉降量;采用信息化施工技術,以信息指導施工,托換過程中對每個環節的監測數據進行分析、采納,發現問題及時提出,并對有關托換頂升參數進行修正。考慮到上部軌道線路的關系,還必須對橋梁的縱橫向位移進行監測。
5.1 監測的內容
為了確保被托換的橋梁的結構的使用安全,在托換或頂升過程中對被托換的橋梁結構的位移和托換新樁的沉降情況進行了嚴密監測。
a) 被托換橋墩21 號、22 號及其相鄰墩20 號、23 號豎向位移采用“靜力式水準沉降儀”,精度為0101 mm , 進行監測, 選取離托換較遠的26 號墩,作為沉降參考點。
b) 頂升千斤頂在頂升和卸載過程中的同步性存在差異及托換大梁的撓度變形,均可能使托換橋墩產生傾斜。在被托換的橋墩頂安裝縱橫向“ 傾角儀”,精度為2″,對托換橋墩的縱橫向傾斜進行監測。
c) 在新樁樁頂與托換大梁之間安裝“電子位移計”,精度為0101 mm , 測量其相對位移,結合橋墩的豎向位移值可以計算出新樁樁頂的實際沉降值。
d) 在托換大梁的1/ 2 、1/ 4 及1/ 8 截面處貼應變片,對托換過程中的大梁中的內力變化進行嚴密監測,尤其是張拉過程中的托換大梁頂面以及頂升過程中的托換大梁底面,要求在這兩個階段中,托換大梁中不得有拉應力的存在。
e) 在托換新樁灌注之前,在樁身5 m 處、10 m 處、15 m 處、20 m 處及樁底預埋鋼筋計,以監測在托換頂升過程中, 托換新樁的實際受力情況,以此對托換新樁的沉降量進行判斷分析。
5.2 監測的結果
整個托換過程中,橋墩的堅向最大上抬量僅為1.00 mm , 小于容許值2.0 mm ; 被托換橋墩的縱橫向位移最大為0.61 mm , 也在允許范圍之內。連接托換柱與托換梁、灌注樁梁連接混凝土前,托換新樁的累計最大沉降量為2.20 mm 。21 號墩梁端下沉最大值位移值不大于2 mm , 而托換新樁的累計最大沉降量為2.20 mm , 因此可知,此工程施行主動托換法是必須的。
6 結論
主動托換法是采用托換梁結合托換新樁的方式,在托換梁與挖孔樁之間設置千斤頂加載,利用千斤頂使上部結構有微量位移,同時使新樁的大部分沉降通過千斤頂的預壓來完成。對于重要的建筑物的托換施工,應該考慮使用主動托換法以完成新樁的大部分沉降,避免在工后的沉降對建筑物產生不良的后果。
在不影響廣深線列車正常運行的前提下,深土公司首次采用主動托換技術對鐵路連續橋橋梁進行動載下基礎托換, 成功攻克了這一技術難題,這在我國工程史上還屬首例;其施工難度大,技術含量高,因此,該項施工技術對既有鐵路、公路等交通設施在對以后動載下進行的托換施工,很有借鑒的價值。
參考文獻
1 葉書麟等. 基礎托換技術. 北京:中國鐵道出版社,1998
2 谷偉平,李國雄. 廣州地鐵一號線基礎托換工程的理論分析與設計. 巖土工程學報,2000 , (1)
3 地基處理手冊編寫委員會. 地基處理手冊( 第二版). 北京: 中國建筑工業出版社
4 樁基工程手冊編寫委員會. 樁基工程手冊. 北京: 中國建筑工業出版社,1995
