深圳市东部过境高速公路高架桥桩基托换工程设计

陈福斌

（深圳市交通公用设施建设中心，广东 深圳 518000）

1 工程概况

深圳市东部过境高速公路连接线工程（以下简称连接线）西起爱国路立交，东接东部过境高速公路主线隧道。连接线隧道下穿爱国路立交时，需下穿爱国路高架西侧3 号墩和东侧5 号墩。为不中断爱国路高架交通，地道穿越桥梁基础采用桥墩基础托换的设计、施工方案。

托换处爱国路高架的桥梁布置如图1 所示。

图1 托换处桥梁布置图（单位：mm）

2 桩基托换方案

该工程托换结构采用全预应力混凝土托换承台的受力体系。在托换承台两侧各布置直径为1.8 m的灌注桩（要求桩底注浆），并对现有承台进行接长、加宽、加厚处理，新托换承台支承于两侧新建的桩基上，并通过在桩帽上顶升千斤顶来控制既有老桥上部结构的变形，待结构预应力张拉后，锯除老桥桩基础，并利用千斤顶控制托换承台高程，稳定后浇注桩顶混凝土，完成老桥基础托换，如图2 所示[1-2]。

图2 西3 桥墩基础托换横断面图（单位：mm）

预应力混凝土托换梁的跨度为25.1 m，横截面尺寸：25.1 m（长）× 7.85 m(宽)×4.5 m（高）。为保证既有桥梁结构与托换梁之间的可靠连接和整体性，增强新旧结构之间的抗剪能力，托换梁和既有承台采用植筋连接并对既有承台表面和留在托换梁的既有桩表面进行界面处理。

在托换桩桩顶设置长7.85 m、宽2.8 m、高2.5 m的桩帽作为顶升平台，顶升平台与托换梁底面之间预留100 cm 的顶升空间。为将基础托换后桥墩及上部结构位移控制在允许范围内，在托换梁与托换桩之间设置千斤顶，利用千斤顶顶升使上部结构有微量位移，同时给新桩反压，以补偿部分沉降。

通过顶升及托换梁预应力张拉将被托换桩荷载转移到托换桩梁承力体系，观测变形稳定后，采用链锯切割法进行截桩，以安全为首要目的，同时达到无震动、低噪音、无粉尘污染等环保要求。

托换梁预应力张拉、截桩，以及最后顶升完成后，预留空间采用微膨胀混凝土灌注填充，使托换梁和桩帽形成刚性连接。

为确保桥梁结构及周边既有建(构)筑物的安全及正常使用，必须在整个托换过程中进行监控量测。同时根据监控量测结果指导后续工序。

3 托换施工流程

（1）开挖施工托换承台基坑的支护结构——托换基础的基坑；（2）施工托换桩和桩帽；（3）在老承台表面开槽口、表面处理并进行侧面植筋，定位承台的钢筋和钢束；安装桩帽上钢垫块、千斤顶；浇注托换承台；（4）布设上部梁体、托换承台沉降监测系统；张拉托换承台内预应力钢束；托换承台脱模；（5）根据施工监控指令，第一次顶升托换承台（使老桩基完全卸载），钢垫块锁定；（6）切除老承台桩基，根据施工监控指令，第二次顶升托换承台，到达预定位移量，钢垫块锁定；（7）拆除千斤顶，焊接托换承台与桩帽之间的钢筋；浇注桩、梁结合现浇段，形成托换桩与梁的固结节点；（8）根据监控情况，若托换基础尚有一定的工后沉降，辅助支墩顶升上部梁体至指定标高，并在支座锁定；（9）基坑回填；持续沉降、应力监测；托换处上部梁体外观检修；（10）托换施工完毕。

4 托换基坑设计施工

施工托换梁及梁下桩帽时，需进行基坑开挖，桩帽范围坑深8 m，其余位置深5 m。开挖采用桩帽范围坑深8 m，其余位置深8 m。基坑采用直径为800 mm钻孔灌注桩@1 000+高压旋喷止水，如图3 所示。

图3 西3 桥墩基础托换基坑横断面（单位：mm）

由于托换梁下方将新建隧道结构，因此在进行托换基础设计时应同时考虑托换基础范围各构件的施工工序问题。设计中提出，托换梁水平投影范围甚至工作面一定范围内的隧道基坑支护桩需在施工托换梁施工之前施工，隧道采用直径为1 200 mm 钻孔灌注桩@1 400+高压旋喷止水。

5 托换桩、梁体系计算分析

5.1 计算模型

用有限元软件模拟托换桩、梁施工及运营全过程的受力及体系转换，计算分6 个阶段，计算模型如图4（最后阶段）所示。

图4 西3 桥墩基础托换桩、梁模型示意图

（1）阶段1：施工新桩，支架上浇注转换梁；

（2）阶段2：张拉钢束；

（3）阶段3：千斤顶顶升，两端千斤顶受载；

（4）阶段4：锯断老桩，荷载转换；

（5）阶段 5：桩梁连接；

（6）阶段6：上部恢复运营。

5.2 反力情况

预应力张拉完毕阶段的支点反力见表1。

表1 预应力张拉完毕支点反力 单位：kN

由表1 可见，预应力张拉完毕后，托换桩桩顶反力即为千斤顶顶升控制值。千斤顶顶升到位后，老桩桩顶反力接近0，老桩基本完成卸载，此时即可截除老桩。

5.3 变形情况

计算变形：西3 承台对应位置的梁底变形应包含桩底沉渣引起的变形、桩身变形、托换梁体变形及墩柱变形。桩底沉渣引起的变形通过抽心检查及后期注浆予以消除，墩柱变形已经基本完成，因此计算中只考虑桩身变形和托换梁体的变形。

根据计算，托换梁对应墩柱位置在地面道路及桥面同时运营的状态下，托换梁跨中的最终变形——收缩徐变为1 mm。

为补偿今后期沉降及施工过程中不可预见的变形，在桩梁连接前采用千斤顶预顶措施，使托换梁跨中预顶值达到1 mm。

监测结果显示：托换完成后，上部结构在墩顶处的变形量小于1 mm。整个托换过程监测结果均表明，既有桥梁及托换结构的受力、变形计算理论值与实测值吻合程度较高，托换设计、施工有效。

6 新旧结构连接计算分析[3-5]

6.1 托换承台结合面抗冲切计算

托换新老结合面抗冲切计算按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）计算。

（1）最小冲切面要求：

式中：γ0为桥梁结构重要性系数；Fld为集中反力设计值，kN；βh为界面高度尺寸系数；ftd为混凝土收拉设计值，MPa；Um为破坏锥体截面周长，m；h0为有效高度，mm。

（2）配筋承载力要求：

式中：γ0为桥梁结构重要性系数；Fld为集中反力设计值，kN；βh为界面高度尺寸系数；ftd为混凝土收拉设计值，MPa；Um为破坏锥体截面周长，m；h0为有效高度，mm；σpc，m为混凝土有效应力，MPa；fsv为箍筋抗拉设计强度，MPa；Asvu为箍筋截面面积，mm2。

6.2 托换承台斜截面抗剪承载能力计算

托换承台的斜截面抗剪承载力计算按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）第8.5.4 条计算，同时可按5.2.7 条复核。

（1）承台斜界面抗剪承载力

式中：γ0为桥梁结构重要性系数；Vd为剪力设计值，kN；P 为纵向钢筋配筋率；fcu，k为混凝土抗压强度标准值，MPa；bs为截面宽度，mm；h0为有效高度，mm。

（2）受弯构件斜界面抗剪承载力

式中：γ0为桥梁结构重要性系数；Vd为剪力设计值，kN；P 为纵向钢筋配筋率；fcu，k为混凝土抗压强度标准值，MPa；bs为截面宽度，mm；h0为有效高度，mm；Vcs为混凝土箍筋共同承担剪力设计值，kN；Vsb为弯起钢筋剪力设计值，kN；Vpb为预应力剪力设计值，kN；α1为异号弯矩影响系数；α2为预应力提高系数；α3为受压翼缘影响系数；ρsv为箍筋配筋率；fsv为箍筋抗拉设计强度，MPa；fsd为普通钢筋抗拉设计强度，MPa；Asb为箍筋截面积，mm2；θs为弯起钢筋与水平夹角，rad；fspdd为弯起预应力设计强度，MPa；Aspdd为弯起预应力面积，mm2；θp为预应力钢筋与水平夹角，rad。

经验算，新老界面接触面满足抗冲切及抗剪承载力要求。同时为了保证新旧混凝土结构更好地共同协调作用，新旧混凝土界面要求处理：将旧混凝土表面凿毛，清理表面，去除混凝土碎块、浮屑，并用清水洗净。旧承台4 个侧面应分别植入直径为22 mm的HRB400 钢筋连接新旧结构。

7 施工措施

在桥墩托换施工过程中，为防止老承台基础沉降对上部结构产生不利影响，根据实际施工监控情况，可设置上部结构的辅助支墩，如图5 所示。临时支墩为应急措施，根据实际托换顶升情况确定是否设置。若托换基础尚有一定的工后沉降或施工误差，则上部梁体通过辅助支墩顶升至指定标高，并调整、固定支座的高度（正式施工前应检查测量老桥现状情况）。

图5 辅助支墩布置示意图（单位：mm）

8 监控量测

监控量测是托换工程的重点，贯穿整个施工过程，通过监控量测的结果动态反馈设计。监测主要内容包括：基准量测，基坑开挖对应的各项目监测，托换过程中桥梁上部结构、被托换桩、托换梁、托换桩等构件的内力及变形监测。

桩基托换监测点布置如图6 所示。监测结果显示：西3、东5 桥墩基础托换过程中，基坑周边位移、既有桥梁及托换结构的受力及变形均符合相关规范要求，托换取得圆满成功。

图6 桩基托换监测点布置图

8.1 顶升期间

在顶升期间共进行了10 次监测，顶升一级监测一次，当顶升力达到设计顶升力的107%时，桥墩出现上抬的趋势：

（1）桥墩上变化最大的监测点 X3-2 上抬了+0.3 mm，承台上布设了6 个沉降监测点（具体点位见布点图），变化最大的监测点G2 上抬了+0.3 mm；沉降均匀，无倾斜发生。

（2）托换桥墩的西侧二号桥整联（跨中及墩顶）共布设23 个监测点，监测桥墩在托换期间桥梁的变形，在顶升期间，桥梁及桥墩监测点变化最大的点是监测点TH10，X 方向位移了0.6 mm，Y 方向位移了0.5 mm，Z 方向上升了0.3 mm。其它点无明显变化。

（3）承台与新桩之间布设了8 个电子位移计（百分表），变化最大的是D1 号百分表，数据变小了0.35 mm，即承台底部上升了0.35 mm。

（4）新建承台及新桩受力无明显变化。

8.2 破桩期间

在破除旧桩表皮期间，每2 h 监测一次，随着破除旧桩的直径越来越小，监测频率调整为1 h 一次。在监测期间，数据较稳定，无明显变化。

8.3 断桩期间

截断旧桩及钢筋期间，监测频率调整为30 min一次。旧桩截断后各监测项目变形情况：

（1）桥墩上变化最大的监测点 X3-2 下降了0.3 mm，承台上沉降监测点，变化最大的监测点G5下降了0.3 mm；与初始值比较，未发生变化。沉降均匀，无倾斜发生。

（2）桥梁及桥墩监测点变化最大的点是监测点TH11，X 方向位移了 0.5 mm，Y 方向位移了 0.3 mm，Z 方向下降了0.3 mm。其它点无明显变化。

（3）承台与新桩之间布设了8 个电子位移计（百分表），变化最大的是D1 号百分表，数据增大了0.31 mm，即下降了0.31 mm。与承台顶部的变形数据吻合。

（4）新建承台及新桩受力无明显变化。

8.4 千斤顶卸掉期间

千斤顶二次顶升，然后在桩帽缝隙中塞入钢板，在顶升中：

（1）桥墩上变化最大的监测点 X3-1 上升了1.0 mm，承台上沉降监测点，变化最大的监测点G6上升了0.9 mm；沉降均匀，无倾斜发生。

（2）桥梁及桥墩监测点变化最大的点是监测点TH10，X 方向位移了 0.7 mm，Y 方向位移了 0.7 mm，Z 方向上升了1.1 mm。

（3）承台与新桩之间布设了8 个电子位移计（百分表），变化最大的是D8 号百分表，数据减小了1.15 mm，即上升了1.15 mm。

（4）新建承台及新桩受力变化最大的是“4298”号钢筋应力计，变化了10.45 kN。

千斤顶卸掉后，继续对其进行监测：

（1）桥墩上变化最大的监测点 X3-2 下降了0.9 mm，承台上沉降监测点，变化最大的监测点G1下降了0.8 mm；沉降均匀，无倾斜发生。

（2）桥梁及桥墩监测点变化最大的点是监测点TH10，X 方向位移了 0.5 mm，Y 方向位移了 0.2 mm，Z 方向下降了0.6 mm。

（3）承台与新桩之间布设了8 个电子位移计（百分表），变化最大的是D2 号百分表，数据增大了1.08 mm，即沉降了1.08 mm。

（4）新建承台及新桩受力变化最大的是“4116”号钢筋应力计，变化了9.41 kN。

根据以上数据分析，西3 号桥墩托换从顶升到千斤顶卸掉，最终数据稳定，和初始值相比，无明显变化。

结论：钢垫片从锁死到卸掉千斤顶后，一直是每小时监测一次，没有位移变化；与顶升前的初始读数对比：托梁、墩柱、箱梁最大位移为：上升0.2 mm。

9 结 语

西3、东5 桥墩桩基础采用桩梁托换体系。通过预应力张拉和千斤顶顶升，将被托换桩荷载转移到托换桩上，同时将桥墩和上部结构变形控制在允许范围内的思路是正确的；

托换梁和既有承台采用植筋连接，并对新旧结构面进行界面处理。这样，可保证既有桥梁结构与托换梁之间的可靠连接和整体性，增强新旧结构之间的抗剪能力；

为确保桥梁结构及周边既有建(构)筑物的安全及正常使用，必须在整个托换过程中进行监控量测，同时根据监控量测结果指导后续工序施工。