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地鐵盾構法疊落區間穿越橋樁段樁基托換方案
2020-04-04 07:44:09   來源:焦作新礦機械

現在城市規劃建設已經非常成熟,地鐵線路選擇過程中,不可避免的與既有建構筑物基礎發生沖突,若大面積拆遷,工程造價不可避免的大幅增加,經濟性無法實現;若線路選擇繞避,站點設置可能與周邊客流、商業、規劃等不匹配,便利性與初衷不符。因此,必須根據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和建筑物結構安全。

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

1 工程概況

1.1 盾構區間概況

河梁街站~河松街站區間位于哈爾濱市道里區,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,后在哈藥路與前進路交叉口處右轉沿前進路下方鋪設,最終到達河松街站(地下三層明挖站)。區間進入前進路后,由于現狀道路較窄,區間左側為市政高架橋,右側為待開發地塊基坑(鋼板樁及錨索已實施),因此,區間左右線在前進路段由平行設置變為上下疊落,在里程CK35+347.577~CK35+352.789處正穿前進路高架橋D52’橋墩,該橋墩下方三根橋樁位于盾構區間結構范圍內,由于車站修建過程中,此區域內地面交通中斷,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行區域交通疏解,以此滿足附近居民生活需求。因此,需對區間正穿3根樁基進行樁基托換,并鑿除侵入盾構區間結構的現有橋樁(見圖1)。

1.2 既有前進路高架概況

前進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,交通設計使用年限為20年。本段橋梁橋寬13m,為單幅三車道,含兩側各0.5m防撞欄。采用三聯五跨橫向預應力鋼筋混凝土連續梁。下部均為樁柱式橋墩。區間在河鼓街與前進路交叉口正穿前進路高架橋D52’墩柱下橋樁,需對現有橋樁進行樁基托換。橋D52’墩柱下現有4根橋樁,樁徑為1.2m,樁長為33m,樁主筋為20@Φ28(為保證盾構刀盤安全,建議采用先截橋樁后推盾構)。已收集資料未說明該樁的類型,根據樁長、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)。

前進路高架橋橋設計荷載標準為: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。

橋樁托換是采用主動托換體系,托換時通過千斤頂對新樁和托換體系施加荷載,在外加力的作用下,使上部荷載分級、分步轉移到新加的托換樁上,同時通過預加荷載,可以消除部分新樁和托換體系的變形,使托換后樁和結構的變形控制在很小的范圍內。

為保證前進路高架橋橋樁的安全及正常運營,在盾構區間施工前,應對既有前進路高架橋現狀進行全面的調查評估,并據此制定安全的施工技術措施,嚴格按照“先加固、后施工”的順序進行。由于本區間為左右線上下疊落走行區間,施工時建議先施工下行區間,待下行區間施工完畢后,通過洞內預留注漿孔或地面加固的方式對上下區間層間土進行加固。后施工上行區間,上行區間施工過程中,為保證下行區間結構安全,建議在下行區間內采用移動式支撐臺車,隨上行區間邊施工邊保護方法保證既有結構自身安全。

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:新建承臺達到設計強度后,沿區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間范圍內樁體。

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。區間盾構掘進通過。待橋梁監測數據穩定后,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,開始進行支頂構件安裝。鋼管柱設立在原承臺上,支撐體系采用底部承臺,中部鋼管柱,柱上方架設工字鋼橫梁,橫梁上方架設支頂工具及測量工具的方式進行支頂施工。為確保鋼管支撐的穩定性,根據高架橋上部橋梁尺寸,沿道路縱向設置三根鋼管支撐,間距為1.95m,沿道路橫向在橋墩左右兩邊對稱設置鋼管支撐,每跟鋼管撐的長度為5.1m。

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

(2)頂升施工。頂升設備安裝調試完畢后進行頂升施工,按設計要求,同一蓋梁下箱梁同時進行頂升,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,采用計算機控制液壓系統達到同步升降。通過限位裝置控制頂升高度,采用位移傳感器監控頂升是否達到預計量,全過程作好頂力及位移的記錄,為保證頂升過程橋梁安全,需相關部門協調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 監測方案

為保證高架橋的安全,在箱梁支頂施工中,須制訂嚴格的監測方案,實施中根據需要加強監測,為箱梁支頂及區間開挖施工提供科學的依據,指導地下施工。

(1)箱梁、橋墩和地表監測。監測項目: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、箱梁撓度變形監測、橋墩周圍地表沉降監測。①墩身垂直位移監測。在車站基坑開挖施工期間對箱梁區域橋墩進行沉降監測。墩身上布設沉降觀測點。在箱梁支頂期間對原有監測點進行繼續觀測既可;②墩身傾斜觀測。每個墩身上布設4個點,監測點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于同一固定位置,分別對墩身4個方向進行傾斜觀測;③箱梁水平位移。為觀測箱梁在支頂后是否發生水平位移,在箱梁上貼反光片,用全站儀對其進行觀測。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出位置。箱梁調整的過程中,每天進行2次觀測,若發現裂縫有發展及時請三檢所進行裂縫寬度檢測;⑤箱梁撓度變形監測:在箱梁相應位置鑿出箱梁內部鋼筋,在鋼筋上布設鋼筋計,再用混凝土封閉,恢復原狀。通過對箱梁鋼筋受力情況的監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沉降點,在支頂完成后,加強對周圍地表沉降監測并與橋樁沉降數據對應分析來掌握箱梁區域沉降情況。

(2)支撐體系力學監測。支承體系力學監測項目:支頂點壓力、鋼管基礎沉降、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調機構和協調制度。并制定信息通報制度,提前發現危險征兆并積極采用應對措施。

(2)基礎托換及隧道穿越前,應積極與市政有關部門協調,充分做好穿越前的準備和保護工作,編制完善的施工組織方案和應急預案,且施工前應對施工穿越方案和應急預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生。在施工前,應請專業地下勘探部門對穿越地段做詳盡細致的勘探,徹底摸清地下障礙物的分布情況,做好充分準備,排除穿越過程中的意外因素。

(4)認真分析地質資料,做好超前預報:對地質情況不明的地段一定要進行補勘,進一步了解土層的情況,做到心中有數。

(5)施工前對橋梁現狀進行評估,并記錄原始資料。

(6)施工前必須進行現場試驗,以確定旋噴及凍結加固的各種參數;施工中嚴格按要求執行加固工藝。

(7)加強施工管理,嚴格按標準化、規范化作業,施工中要經常分析土質變化、圍巖參數,遇到可疑情況及時分析,不得冒進,加強地表沉降監測以指導地下施工,根據地表沉降情況,及時施工參數。

3 計算分析

根據勘察報告及相關規范,地層及結構參數取值(見表1)。

表1 圍巖物理力學參數表

地層編號巖土名稱重度kN/m3C(kPa)Φ(度)泊松比u 2-1粉質黏土18.619.013.40.31 2-2粉砂18.40.328.00.31 2-3細砂19.80.128.50.30 2-4中砂19.70.031.50.29 7-1粉質黏土19.425.510.60.32 7-2中砂20.00.033.10.28 8-1全風化粉砂質泥巖20.80.27 8-2強風化粉砂質泥巖21.20.25

根據《建筑樁基技術規范》(JGJ 94-2008)表5.3.5-1及表5.3.5-2,提供各土層泥漿護壁q鉆孔樁的極限側阻力標準值qsik、樁極限端阻力標準值pk 及抗拔系數λ的建議值,供設計時參考選用,樁設計參數(見表2~表3)。

3.1 單樁承載力計算

單樁豎向極限承載力標準值按《建筑樁基技術規范》(JGJ94-2008)公式5.3.5公式估算:

式中:qsik—樁側第i層土的極限側阻力標準值;

qpk—極限端阻力標準值。

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

即新建橋樁單樁極限承載力標準值為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,根據哈爾濱市市政工程研究院提供的前進路高架橋(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。

表2 樁基設計參數表

地層編號地層名稱泥漿護壁鉆孔樁極限側阻力標準值qsik(kPa)極限端阻力標準值qpk(kPa)抗拔系數λ 2-1粉質黏土630.73 2-2粉砂320.50 2-3細砂350.55 2-4中砂6010000.60 7-1粉質黏土644500.75 7-2中砂7015<L<30 16000.65 8-1全風化粉砂質泥巖10016000.76 8-2強風化粉砂質泥巖14022000.76

表3 結構參數表

砼標號密度(ρ)(g/cm3)彈性模量(E)(GPa)泊松比(μ)備注橋樁C302.5300.2既有樁C25噴射砼2.5230.2邊坡支護C30鋼筋砼2.5300.2托換樁、基礎C20素砼2.325.50.2回填部位

由于盾構區間及上部橋墩的原因,新建承臺為偏心受壓構件,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―荷載效應標準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,尚應滿足下式的要求:

式中:NKmax―荷載效應標準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強風化粉砂質泥巖層。區間為6m直徑盾構隧道,上行區間拱頂埋深約10.43m,下行區間拱頂埋深約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,地層計算設置大變形,三個模型整體網格劃分(見圖7),全部單元采用實體單元,土層參數根據地勘報告選取,土體采用摩爾-庫侖彈塑性本構模型,新建及既有結構均采用線彈性本構模型。

邊界條件的選取時除了頂面取為自由邊界,其他5個面均采取法向約束。

(2)計算分析。施工步序為先托換盾構后穿越,盾構穿越中,先施工下行區間,后施工上行區間。模擬計算嚴格按照施工步序進行。

從云圖上可以看出,隨著盾構區間下行線及上行線掘進,橋樁的最大主應力及最小主應力絕對值不斷增大。在初期下行線盾構掘進和上行線掘進后應力有一定的變化,后期施工應力增長較小。盾構區間掘進時,土體Y向位移變化數值較大,因此應嚴格控制盾構掘進速度。上下行區間均穿越托換體后,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監控量測,以現場監控量測知道施工、設計。

3.4 成功案例

廣州地鐵3號線瀝滘~夏滘區間樁基托換實例。廣州市軌道交通三號線瀝滘站-廈滘站區間經過部分民房。共有20根樁基礎進入隧道平面。本設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。在隧道結構線外1m范圍外設置φ800mm灌注樁。承臺兩側設置梁,承臺和梁之間進行植筋處理。目前三號線已運營多年,經長期監測結果表明,結構使用安全。

(1)采用基礎托換方法,可保證結構受力安全,避免了拆遷或線路繞避舉措,在不大幅提升造價及降低使用便利性的基礎上,有效解決了復雜環境中對盾構工程實施的限制,推動了盾構技術的廣泛應用。

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

(3)盾構疊落區間范圍內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土體進行加固,但由于此地操作空間較為局促,對于在狹小空間內如何保證加固體滿足設計要求及施工安全需要進一步研究。我公司生產制造建筑隧道機械、地鐵鋼管片。

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