環(huán)形高架橋盾構(gòu)區(qū)間下穿異形板塊樁基托換技術(shù)研究

環(huán)形高架橋盾構(gòu)區(qū)間下穿異形板塊樁基托換技術(shù)研究

1盾構(gòu)法施工線路石家莊地鐵2號線由長安公園站至綠地勝木站段組成，長764.6m，覆土10.8.15.2m，線距15.2.18.8m，鐵路縱橫斷面為“i”級。區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，由藍(lán)天圣木站始發(fā)，至長安公園站(PBA全暗挖車站)接收，平移至長安公園站北端風(fēng)井吊出，盾構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)+左右楔形環(huán)，環(huán)寬1.2m，外徑6.2m，管片厚度350mm。區(qū)間線路平面圖及剖面圖如圖1、圖2所示。1.1既有橋梁結(jié)構(gòu)建和橋于1996年建成通車，地面為一層，主要通行行人、非機(jī)動車和少量機(jī)動車；二層主橋面為環(huán)形結(jié)構(gòu)及東西南北4個引橋；三層為東西向和平路跨線橋，為三跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，橋梁現(xiàn)狀如圖3所示。既有橋梁設(shè)計采用公路85規(guī)范。建和橋二層環(huán)形橋主橋分為4個不對稱異形板塊，如圖4所示。梁高1.3m，變形縫位于橋梁支座外，懸臂3m，橋面板為多箱室異形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。40#～42#橋墩為南異形板塊中部一排橋墩，45#～46#橋墩為北異形塊中部一排橋墩，采用球形鋼支座。橋墩直徑1.2m，高3.6m，每根橋墩下為6.3m(長)×6.3m(寬)×2.0m(高)的4樁承臺，樁徑1.5m，樁長20.6m，按摩擦樁設(shè)計。荷載標(biāo)準(zhǔn)：汽—超20級，掛-120。地震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計行車速度為50km/h。根據(jù)工前檢測1.2托換結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜1)托換工程影響因素多。受地上二層環(huán)形橋和地上三層三跨連續(xù)梁橋橋樁的影響，區(qū)間需要對地上二層南、北異形板塊進(jìn)行樁基托換，同時地下管線較多，周邊房屋多且建成年代較久?，F(xiàn)狀橋梁交通壓力大且在橋梁樁基托換過程中交通不得中斷2)被托換結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，對變形敏感。南、北板塊均為異形板，且變形縫均位于橋梁非支座位置。工前評估對橋梁變形提出了極為嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)3)施工條件復(fù)雜。托換樁位于異形板橋下方，橋下凈空高度約3.9m，不滿足一般機(jī)械施工要求。存在地下水及卵石層，液壓反循環(huán)鉆機(jī)鉆桿易斷裂。在活載及恒載作用下，托換位置處的軸力較大，對受力轉(zhuǎn)換過程、截樁等均提出了更高的要求1.3項目所在地和水文條件根據(jù)勘察資料，自上而下的土層依次有雜填土(1)2強(qiáng)制維修設(shè)計2.1側(cè)托換承臺深入設(shè)計盾構(gòu)區(qū)間與南異形板塊41#橋墩下的樁基不沖突。如不考慮41#橋墩及樁基承載力影響，可采用分離托換方案，如圖5所示，西側(cè)托換承臺將深入到41#承臺下部，造成41#既有樁基礎(chǔ)與40#托換基礎(chǔ)混合受力。40#～42#為同一軸線上的橋墩，是一個穩(wěn)定狀態(tài)。僅對40#、42#橋墩進(jìn)行托換，托換過程及盾構(gòu)施工時將使同一軸線上3個橋墩的受力進(jìn)行重新分配，進(jìn)而影響此位置梁體的受力，41#橋墩基礎(chǔ)的承載力損失引起的沉降將會進(jìn)一步擴(kuò)大，故推薦對40#～42#橋墩下的樁基進(jìn)行整體托換。2.2托換承臺的布設(shè)托換體系由12根uf0661.5m的樁基和3m厚托換承臺組成。托換樁基與地鐵隧道的間距不小于1.0m。托換承臺平面尺寸為31.2m×13.3m。托換承臺在既有uf0661.5m樁位置設(shè)置uf0661.6m圓洞，澆筑托換承臺混凝土前在既有承臺外側(cè)包裹5cm厚的油毛氈。在新舊承臺之間預(yù)留0.8m的空間，用于布設(shè)托換千斤頂及托換完成后的截樁。托換樁采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，按摩擦樁設(shè)計，樁長42m，持力層為卵石(8)2.3預(yù)支頂設(shè)施設(shè)計根據(jù)變形計算及工前評估要求，除托換位置(40#～42#橋墩)需進(jìn)行預(yù)支頂外，由于異形板對變形要求嚴(yán)格，需要對臨近托換位置的南北側(cè)橋墩(22#、28#橋墩)進(jìn)行預(yù)支頂，如圖7所示。預(yù)支頂設(shè)施在托換承臺基坑開挖前布設(shè)完成，具有自動頂升功能，位移精度為0.1mm。在預(yù)支頂設(shè)施布設(shè)過程中，球型支座的上板螺栓需松開以適應(yīng)頂升位移。預(yù)支頂設(shè)施的鋼基梁、鋼管柱、墊塊、墊片等均進(jìn)行專項設(shè)計。千斤頂具有“自鎖”功能，鋼管柱縱橫向需設(shè)置可靠的連接結(jié)構(gòu)以保證頂升鋼支架的穩(wěn)定性。圖8為預(yù)支頂現(xiàn)場施工圖。2.4托換荷載的控制由于異形板橋梁在長期使用過程中的樁基沉降、混凝土徐變等因素，導(dǎo)致實(shí)際受力與計算不吻合。如果采用位移控制，托換荷載除橋面板傳來的恒載和活載外，還有橋墩、既有承臺、既有橋樁的自重以及既有橋樁與土體的負(fù)摩阻力，導(dǎo)致托換荷載很大，托換時對既有承臺受力不利，故采用以荷載控制為主、位移控制為輔的控制條件。托換荷載采用表1所列的“稱重”結(jié)果再加上橋墩和既有承臺的自重，同時考慮1.2的超壓系數(shù)作為最終托換荷載2.5沖切及局部壓實(shí)樁基按0.8倍樁徑的矩形計算，千斤頂考慮墊塊后按邊長0.4m正方形計算，同時考慮20%超頂。經(jīng)驗算沖切滿足要求，同理驗算局部承壓，滿足要求。計算模型如圖9～圖11所示。2.6托換承臺樁基礎(chǔ)強(qiáng)度樁基內(nèi)力計算采用MidasCivil軟件，樁基的實(shí)體單元與梁單元通過剛性連接。樁身采用“m法”彈簧約束，計算模型如圖12所示。樁基強(qiáng)度計算結(jié)果見表2。托換承臺東西方向中樁與邊樁樁頂力大小不同，因此考慮樁基不均勻沉降引起的樁基內(nèi)力變化影響。中樁樁頂力比邊樁樁頂力大，單樁沉降差值較小，偏于安全考慮，取沉降差5mm進(jìn)行計算，結(jié)果見表3。經(jīng)核算，采用32根直徑25mm的三級鋼筋可以滿足要求。2.7汽車荷載采用MidasCivil軟件對既有橋墩建立有限元模型，利用m法模擬彈簧約束，頂部4m按自由端考慮。主要荷載為自重、二期恒載、汽車制動力等。異形板中部支點(diǎn)均采用固定支座，考慮最大四車道制動力加載在全板范圍時，單支點(diǎn)分配到的最大制動力小于一車道，偏安全考慮一車道制動力全部加載在1個橋墩上，制動力大小取值為城-A級165kN，其墩頂最大位移為2.6mm，小于工前評估報告L/1000=3.6mm的限值。2.8計算橋樁負(fù)荷的方法2.8.1既有橋樁承載力復(fù)核在托換體系轉(zhuǎn)換前，基坑已經(jīng)開挖，既有橋樁樁長20.6m，樁頂暴露4m，需驗算此時的既有橋樁承載力是否滿足。根據(jù)計算，40#、42#橋墩單樁樁頂最大豎向荷載較41#橋墩大，既有橋樁采用C25混凝土，單樁樁頂最大荷載為2227kN，單樁軸向受壓承載力容許值為2760kN，樁基承載力滿足要求，富余度為11%。2.8.2樁頂荷載設(shè)計托換樁樁頂力采用實(shí)體單元計算結(jié)果，對樁頂單元積分得到樁頂荷載，并考慮水平制動力影響。托換樁按摩擦樁設(shè)計，考慮既有樁破除及盾構(gòu)隧道施工對樁基周圍土層擾動的影響，對盾構(gòu)隧道底板以上土層摩阻力按70%折減3既有橋樁托換與加固托換施工工序有監(jiān)控量測系統(tǒng)的建立、預(yù)支頂、稱重、托換樁和托換承臺的施工、受力轉(zhuǎn)換、截樁等1)建立橋梁結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力監(jiān)控量測系統(tǒng)。在承臺、異形板底、跨中及千斤頂處布設(shè)豎向及水平位移監(jiān)測點(diǎn)；在橋梁橋墩頂、底位置布設(shè)測點(diǎn)，監(jiān)測橋墩的垂直度變化；在異形板塊支座、跨中等位置設(shè)置結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測點(diǎn)；后期在托換樁樁頂、既有橋樁頂、異形板塊橋墩及對應(yīng)的板底布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，在托換承臺樁頂、跨中及千斤頂處布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)。2)地面預(yù)支頂及“稱重”。進(jìn)行地面預(yù)支頂架設(shè)，預(yù)支頂布置應(yīng)盡量靠近原支座位置并核算滿足橋梁受力要求?！胺Q重”時應(yīng)確保橋面板與支座脫開，“稱重”在早晚高峰時間段進(jìn)行，兩高峰段共進(jìn)行9次稱重，與設(shè)計計算結(jié)果對比，為后期頂升力的控制提供依據(jù)。3)施工托換承臺基坑，開挖至既有承臺底時進(jìn)行托換樁施工，為減少托換樁沉降，對樁底及樁側(cè)進(jìn)行壓漿?？紤]壓漿施工效果的不確定性以及壓漿后樁檢測實(shí)施難度，結(jié)合工期要求，計算時不考慮后注漿對橋樁承載力的有利影響。由于橋下凈空限制，施工采用液壓反循環(huán)鉆機(jī)，機(jī)械高4.5m，寬2.2～2.5m，如圖13所示。4)基坑開挖至托換承臺設(shè)計底標(biāo)高，在既有承臺底部和側(cè)向進(jìn)行植筋鉆孔，并施工托換承臺。承臺施工時應(yīng)對既有橋樁進(jìn)行磨圓處理并包裹油毛氈，同時在既有承臺四周埋入限位型鋼，型鋼應(yīng)密貼既有承臺，限制承臺水平移動的同時不影響限位型鋼與既有承臺的豎向相對滑動。5)安裝千斤頂并進(jìn)行分級頂升。根據(jù)設(shè)計計算及稱重結(jié)果，再加上橋墩及既有承臺自重，確定托換荷載。托換荷載取恒載+活載的1.2倍，托換過程中既有承臺上升不超過0.5mm，通過力與位移“雙控”進(jìn)行受力轉(zhuǎn)換。加載共分12級，每級加載時間約1min，加載持續(xù)時間為30min，自動化監(jiān)測每5min自動監(jiān)測1次。6)截樁。主動頂升完成且托換承臺變形趨于穩(wěn)定后方可進(jìn)行截樁，截樁前應(yīng)對千斤頂進(jìn)行泄壓，并將千斤頂鎖死。泄壓前應(yīng)適當(dāng)加壓以消除千斤頂自鎖裝置與千斤頂之間的空隙(一般小于0.2mm)。截樁應(yīng)逐根進(jìn)行，并進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后方可進(jìn)行下一根的截斷。每根樁截除比例按1/4樁—1/2樁—3/4樁—完全截除進(jìn)行，每次截除完成后應(yīng)及時塞入鋼墊片，截樁采用繩鋸施工，空隙為2cm，并塞入1.8cm鋼墊片。7)托換結(jié)構(gòu)封固。橋樁全部截斷后，調(diào)整墩頂標(biāo)高，補(bǔ)充和恢復(fù)施工引起的沉降量，并進(jìn)行既有承臺側(cè)面鑿毛、植筋、界面處理，托換承臺頂面封固層范圍鑿毛、界面處理，綁扎鋼筋，澆筑封固混凝土。8)既有橋樁破除。在托換承臺一側(cè)施工豎井，托換承臺下方施工橫通道，采用人工挖孔破除盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)的既有橋樁，人工挖孔樁護(hù)壁采用玻璃纖維筋，在人工挖孔樁范圍回填C15混凝土。本工程僅破除40#、42#橋墩下方的橋樁，41#橋墩下方的橋樁在繩鋸截斷后、混凝土封固之前采用2cm厚瀝青木絲板填塞空隙，以避免既有橋樁參與受力。9)盾構(gòu)通過。托換樁設(shè)計時已考慮盾構(gòu)施工對橋樁側(cè)阻力的影響，對橋樁適當(dāng)加長，并考慮盾構(gòu)對橋樁的水平作用力。10)拆除預(yù)支頂設(shè)施。長期監(jiān)測托換結(jié)構(gòu)位移，通過預(yù)支頂措施保持上部結(jié)構(gòu)的變形穩(wěn)定，待通車運(yùn)營后既有承臺沉降穩(wěn)定后，依次拆除預(yù)支頂措施。4橋梁應(yīng)力、裂縫及托換承臺應(yīng)力的監(jiān)測施工前對建和橋進(jìn)行了工前檢測監(jiān)測分4個階段、第1階段為托換承臺基坑開挖、托換樁及承臺施工，此階段需要對墩頂、墩底、橋面板進(jìn)行自動化監(jiān)測，并對橋面板應(yīng)力、裂縫以及托換承臺應(yīng)力進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測；第2階段為受力轉(zhuǎn)換至封固承臺完成以及既有橋樁破除，需要對橋墩頂、墩底、橋面板和托換承臺進(jìn)行自動化監(jiān)測，并對橋面板應(yīng)力、裂縫以及承臺應(yīng)力進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測；第3階段為盾構(gòu)穿越施工，監(jiān)測要求同第1階段；第4階段為工后4年，第1年每月1次，第2年2個月1次，第3年6個月1次，第4年1年1次，均為常規(guī)監(jiān)測。表4所列為南側(cè)異形板塊托換時的監(jiān)測項目控制值、預(yù)警值和監(jiān)測