主动托换法在动载下基础托换中的应用
[ 摘 要] 深圳地铁一期工程,老街至大剧院区间的桩基托换工程是国内铁路动载桩基托换工程的首例。基础上部结构是预应力连续梁,在列车动载作用下不间断运营施工,施工难度大。采用主动托换法进行施工,成功地完成了托换:采用托换梁结合托换新桩的方式,在托换梁与挖孔桩之间设置千斤顶加载,利用千斤顶使上部结构有微量位移,同时使新桩的大部分沉降通过千斤顶的预压来完成,从而实现原结构桩上的荷载经托换转移到新桩。
[ 关键词] 主动托换;顶升;监测
1 主动托换法概述满足的。但对于重要的建筑物有时还会提出不允许出现压
随着现代化城市的建设,建造城市地下交通设施是十分必要的。尽管地下交通线路的布置在原则上尽量利用现有道路干线下面空间,但实际上总会通到整个隧道或部分隧道要从现有建筑物下面或相邻通过,对于需要保护的地面建筑必须进行托换,而托换工程又是建筑工程中最困难的任务之一,必须精心设计、精心施工,对托换过程中通到的一系列技术难题进行合理解决[2 ] 。
主动托换法是在不断的设计和施工总结而得到的一种桩基托换方法。两三年来,它多次在深圳及广州的地铁施工中使用。它与托换技术中的预试桩法在本质上大同小异。预试桩法(Pretest piles) 是由美国Lazarus White & Edmund A. Prentis 在纽约市修建威廉街地下铁道时所发明,并于1917 年取得专利。预试桩的设计意图是要求阻止顶承静压桩施工中在撤出千斤顶是压入桩的回弹,而这个回弹会引起当建筑物的荷载正式传递到压入桩时产生一定量的沉降。尽管这个沉降量是很小的,对于一般被托换的建筑物因该都是能入桩回弹的要求[1 ] 。
主动托换法是采用托换梁结合托换新桩的方式,在托换梁与挖孔桩之间设置千斤顶加载,利用千斤顶使上部结构有微量位移,同时使新桩的大部分沉降通过千斤顶的预压来完成。
预试桩法解决的是静压桩在撤出千斤顶后产生的回弹, 而主动托换法是利用施工中的超载预压,完成新桩的大部分沉降,以避免在工后的沉降对建筑物产生不良的后果。基础上部结构是预应力连续梁,微小的变形即可产生很大的内力;列车动载作用下,动荷冲击作用力大。因而为了尽量减少施工后因为基础过大沉降的不良后果而采用主动托换法进行施工。
2 概况
2. 1 工程概况
广深电气化高速铁路桥21 号墩以北为四跨一联的低高度部分预应力混凝土连续梁,以南为低高度部分预应力混凝土预应力简支梁。21 号墩和22 号墩之间为跨径10.56 m 的简支梁。既有基础为<550 预制管桩,桩长16 m , 每个桥墩4 根管桩,桩端持力层为强风化层。
深圳地铁一期工程区间暗挖重叠隧道(SK2 + 035～055) 直接穿越广深电气化高速铁路桥,见图1 。需对桥梁中的21 号墩和22 号墩基础进行预防性托换。截断原承台与基础的联系,用托换大梁支撑原承台。托换梁的两端各设一根桩长为30 m , 直径为2 m 的挖孔桩,桩端持力层为微风化岩。
2.2 地质概况
由勘测资料表明本处的地质情况较为异常。地基上部13 m 左右土质松软,为素填土、砾沙和砾质粘土,砂成分多, 且存在有流动水。而地基下部为花岗岩、片麻岩,土质极硬。
图1 托换立面示意
3 方案设计及技术分析
3. 1 设计要求a) 施工期间必须保证广深线高架桥的铁路正常通车。b) 基础上部结构为预应力连续梁,向上顶升21 号墩梁端最大向上位移不大于2 mm ;21 号墩梁端下沉最大值位移值不大于2 mm 。
c) 严格限制降低21 号墩基础的工后沉降。
3.2 方案技术分析
由于广深线每9 min 就有一列高速列车驶过,整个托换工程需在动态中进行,这在全国尚属首次。整个托换工程于10 月7 日开始动工。此次托换,采用托换梁结合托换新桩的方式,在托换梁与挖孔桩之间设置千斤顶加载,利用千斤顶使上部结构有微量位移,同时使新桩的大部分位移通过千斤顶的预压来完成。为了减少由于桩在工后发生较大的沉降而使连续梁在21 号墩发生过大沉降,因此在托换施工中,利用千斤顶对托换桩进行超载预压。
在施工过程中,列车频繁穿梭对安全性的要求达到了苛刻的地步。施工时首先要实现对力的控制,工作人员在千斤顶和桥面上设置了压力表、传感器等仪器,通过24 h 实时监测保证高架桥的受力。在施工中要保持桥面的标高不变,最大误差不能超过2 mm 。必须要考虑到托换过程中列车动荷载作用对托换结构的影响,并且整个施工过程要进行信息化施工,对每个环节的监测数据进行分析、采纳,发现问题及时提出,并对有关托换和顶升参数进行修正。
桩基托换施工流程如下:建立既有桥梁结构沉降,变形监测系统→广深铁路桥状态评估→ 临时托换顶升钢支架的钢管装基础及支架施工→ 托换基坑的坑壁支护旋喷桩施工→托换新桩的桩周双液注浆止水帐幕施工→托换新桩施工, 桩顶扩大桩帽施工及机械安全自锁装置安装→ 托换基坑开挖,托换结构承台底面置筋,托换管桩表面凿齿槽→ 预应力托换大梁施工→托换新桩间加载千斤顶安装调试→ 建立托换体系应力应变及位移监测系统→分级加载顶升,对托换新桩施压,完成向新桩荷载的转换→ 托换大梁与新桩连接,截除旧桩,完成托换工程。
4 施工方案的实施
4.1 临时支墩顶升与桥梁扣轨
在托换大梁的基坑开挖过程中,既有管桩基础将会露出地面2.6 m 左右,原有的低桩在地表面以下的承台基础结构将会变成高桩承载;既有基础的承载能力会受到很大程度上的削弱,承载能力达到整个施工阶段的最低值。
为了补足这部分由于在托换基坑开挖中会损失掉的基础承载力,在被托换的桥墩两侧架设临时钢支架。钢支架基础采用<300 mm , 长18 m 的微型钢管桩,支架顶设置千斤顶。利用千斤顶在顶升的作用力将20 % 的恒载转接到临时钢支架上来。同时对托换处的桥梁股道进行抬梁扣轨,并对列车进行限速,通过实行动载、静载分离,从而减轻列车动载对连续梁以及托换大梁的冲击。
4.2 托换桩施工与托换基坑开挖
托换基坑的坑壁采用三排密布的高压旋喷桩进行支护, 托换桩为< 2 m , 长为30 m 的人工挖孔桩,桩端入微风化岩层7 m 由于本处的地质情况异常,上部土质极软,含动水、砂成分多。因此在挖孔桩施工过程中,在桩身上部采用袖阀管进行分层分段双液注浆,桩身下部采用微量微差控制爆破。
托换新桩离既有管桩不超过1.5 m , 深度5 m 为托换基坑开挖将减少既有管桩的摩阻力,同时,实行人工挖孔桩的托换新桩施工将不可避免地扰动周围上层,引起土层应力重分布和地下水位的降低。必将引起既有管桩、包括临时支墩钢管桩摩阻力损失,因此在本施工阶段内,须根据实际监测情况及时调整临时支墩千斤顶的顶力,保证梁端沉降不大于2 mm 。
在每根托换桩的桩顶设置一个长3.6 m 、宽2.2 m 、高1.2 m 的桩帽作为顶升施工平台。顶升平台与托换梁底面之间预留70 cm 的顶升空间,桩帽与托换梁之间的钢筋采用特殊加工的直螺纹连接器进行连接,既能满足托换顶升要求,又能保证钢筋连接需要。在每个桩帽上摆放2 个500 t 的托换顶升千斤顶与2 个可调传力钢支垫。千斤顶与可调钢支垫均设有安全自锁装置,并且可调钢支垫的可调精度为2 mm 。
4.3 托换大梁施工
托换大梁为预应力钢筋混凝土梁,混凝土强度等级为C50 , 采取托换基坑内现浇后张法施工,托换大梁外形尺寸为:长× 宽× 高= 22.7 m ×4.0 m ×2.4 m , 属大体积混凝土结构。混凝土浇注前,须进行多次配比实验,并在混凝土浇注过程中严格控制结构的水化热和梁内外温差。混凝土浇注完后,及时采取保温措施,加强对托换大梁的养护。混凝土浇注时在托换桩处的托换梁内预埋灌浆孔和二次注浆孔,便于托换完成后托换梁与托换桩的连接施工。
4.4 托换顶升施工
在动载下对连续梁的整个托换没有成功的先例可以借鉴,理论上也无法对托换过程中的各部位的受力进行准确计算。设计提供的顶升力作为顶升操作的参考值,顶升位移作为主要控制因素。
实际托换过程中,托换梁的顶升应当是一个双控过程, 顶升力与桥梁体、墩柱的原始标高及顶升位移值互为控制因素。顶升千斤顶的顶升力,应根据被托换建筑物的结构形式来分析计算取值。在静定结构中,可以稍大于其上部结构恒载重量,而在超静定结构中,则应根据上部的具体构造形式来决定顶升力取值。
应当注意桥梁上部的结构荷载有限,须防止在顶升的作用力下桥梁结构突然发生较大向上的位移从而造成结构破坏或铁路轨道的变形。因此在实际顶升过程中要求荷载分级要细,顶升加载过程要缓慢,并采用信息化施工,以监测数据指导托换顶升。为掌握托换大梁的受力情况,本次施工采取托换大梁钢绞线张拉与基础托换顶升相结合。托换梁横断面见图2 施工工序为:
a) 在托换顶升之前,将桥梁上部的扣轨解除并将临时钢支架上的千斤顶卸载,以满足设计顶升所要求提供的恒载,再将每根托换桩顶上的顶升千斤顶加载到100 吨顶力, 并锁定托换桩顶的可调传力钢支垫的安全自锁装置,千斤顶卸载,张拉托换大梁内的8 束钢绞线:1 -4 、1 -3 、2 -3 、2 -4 、2 -6 、2 -1 、1 -1 和1 -6 。
图2 托换梁横断面
b) 对托换桩与托换梁之间的支撑力进行测试,测得每端的支撑力均在90～120 t 之间。
c) 张拉托换大梁内的另2 束钢绞线1 -5 和1 -2 。
d) 托换桩顶上的每端千斤顶的顶力调整至100 t 后,在分级加载,每级50 t , 顶升至200 t ; 并锁定托换桩顶的安全自锁装置,张拉托换大梁内的另2 束钢绞线2 -2 和2 -5 。
e) 调整托换梁每一端千斤顶的顶力至250 t , 并锁定托换桩顶的安全自锁装置,再分级加载,每级50 t , 顶升至500 t 。千斤顶持载1 h 左右,待托换桩沉降稳定。
f) 千斤顶分级,每级50 t , 卸载至设计荷载400 t , 锁定托换桩顶的安全自锁装置。
g) 撤回顶升千斤顶,连接托换柱与托换梁之间的预留钢筋,灌注桩梁连接混凝土,进行连接顶面压浆。
完成整个顶升托换过程,实现了托换桥墩基础的受力转换。施工结束后进行持续一段时间的监测,整个桥梁系统工作正常,说明整个施工方案是成功的。本次托换新桩的安全系数有些偏大:当施加至设计提供的顶升力后,桩底的钢筋计反映出传至桩底的压力非常小, 表明整个桩的沉降发生并不是很明显。
5 托换顶升的位移监测
为了确保桥梁结构的安全正常运营,确保四跨一联的连续梁的安全,监控过程必须确定每个施工步骤对纵向位移所产生的影响;对托换中各个监测点的运动情况,整理出沉降与时间的关系曲线,并应用外推法预测最终沉降量;采用信息化施工技术,以信息指导施工,托换过程中对每个环节的监测数据进行分析、采纳,发现问题及时提出,并对有关托换顶升参数进行修正。考虑到上部轨道线路的关系,还必须对桥梁的纵横向位移进行监测。
5.1 监测的内容
为了确保被托换的桥梁的结构的使用安全,在托换或顶升过程中对被托换的桥梁结构的位移和托换新桩的沉降情况进行了严密监测。
a) 被托换桥墩21 号、22 号及其相邻墩20 号、23 号竖向位移采用“静力式水准沉降仪”,精度为0101 mm , 进行监测, 选取离托换较远的26 号墩,作为沉降参考点。
b) 顶升千斤顶在顶升和卸载过程中的同步性存在差异及托换大梁的挠度变形,均可能使托换桥墩产生倾斜。在被托换的桥墩顶安装纵横向“ 倾角仪”,精度为2″,对托换桥墩的纵横向倾斜进行监测。
c) 在新桩桩顶与托换大梁之间安装“电子位移计”,精度为0101 mm , 测量其相对位移,结合桥墩的竖向位移值可以计算出新桩桩顶的实际沉降值。
d) 在托换大梁的1/ 2 、1/ 4 及1/ 8 截面处贴应变片,对托换过程中的大梁中的内力变化进行严密监测,尤其是张拉过程中的托换大梁顶面以及顶升过程中的托换大梁底面,要求在这两个阶段中,托换大梁中不得有拉应力的存在。
e) 在托换新桩灌注之前,在桩身5 m 处、10 m 处、15 m 处、20 m 处及桩底预埋钢筋计,以监测在托换顶升过程中, 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。
5.2 监测的结果
整个托换过程中,桥墩的坚向最大上抬量仅为1.00 mm , 小于容许值2.0 mm ; 被托换桥墩的纵横向位移最大为0.61 mm , 也在允许范围之内。连接托换柱与托换梁、灌注桩梁连接混凝土前,托换新桩的累计最大沉降量为2.20 mm 。21 号墩梁端下沉最大值位移值不大于2 mm , 而托换新桩的累计最大沉降量为2.20 mm , 因此可知,此工程施行主动托换法是必须的。
6 结论
主动托换法是采用托换梁结合托换新桩的方式,在托换梁与挖孔桩之间设置千斤顶加载,利用千斤顶使上部结构有微量位移,同时使新桩的大部分沉降通过千斤顶的预压来完成。对于重要的建筑物的托换施工,应该考虑使用主动托换法以完成新桩的大部分沉降,避免在工后的沉降对建筑物产生不良的后果。
在不影响广深线列车正常运行的前提下,深土公司首次采用主动托换技术对铁路连续桥桥梁进行动载下基础托换, 成功攻克了这一技术难题,这在我国工程史上还属首例;其施工难度大,技术含量高,因此,该项施工技术对既有铁路、公路等交通设施在对以后动载下进行的托换施工,很有借鉴的价值。
参考文献
1 叶书麟等. 基础托换技术. 北京:中国铁道出版社,1998
2 谷伟平,李国雄. 广州地铁一号线基础托换工程的理论分析与设计. 岩土工程学报,2000 , (1)
3 地基处理手册编写委员会. 地基处理手册( 第二版). 北京: 中国建筑工业出版社
4 桩基工程手册编写委员会. 桩基工程手册. 北京: 中国建筑工业出版社,1995
