大跨度桥梁桩基托换设计研究应用

大跨度桥梁桩基托换设计研究应用

摘要：在城市市政建设中，地面交通网建设到一定程度后，才开始考虑地下轨道交通网络的规划和建设，难免引起地铁的规划路线要跟地上桥梁和建筑结构重叠，当地铁上面建筑物基础为桩基时，会对地铁结构的施工形成了关键障碍，必须根据安全、适用的原则，对上部结构的桩基进行改迁或置换。近年来，桩基托换技术在地铁建设中逐渐应用，尤其针对于地铁直接通过桩基的情况，通过托换梁承托已建构筑物，荷载传递到“托梁--新桩基”承托系统上，进而截除影响地铁建设的原来桩基。这样就可以在满足地铁建设需求的同时，避免拆除既有建筑物

关键词：大跨度桥梁；桩基托换；设计研究

1、工程概况

呼和浩特市轨道交通1号线1期工程将军衙署站位于市中心附近，地处呼和浩特市新城区新华大街与哲里木路十字路口以东，沿新华大街东西方向敷设。车站主体总长199.75m，标准段宽度19.7m，为地下二层岛式车站。地面以下主要分布地层为（1）杂填土、（2）粉质粘土、（3）细沙、（4）中砂（镜透体）、（5）圆砾、（6）卵石。

车站周边建筑环境复杂，临近建构筑物众多，车站主体西侧下穿鼓楼立交桥，鼓楼立交桥为呼和浩特市地标性建筑，其中C匝道桥位于三层互通式鼓楼立交桥东南侧，为东西向主桥转向南北向主桥的转向联通桥，该线桥为连续梁桥，桥面宽8m，跨度18～22m不等，被托换桥墩为1号桥墩，墩身尺寸为1.1*1.1m，承台尺寸5.2*2.2*1.5（长*宽*高），下设两根直径1.2m，长25m的钻孔灌注桩基础。该处两根钻孔桩位于车站主体轮廓内，阻碍了地铁车站正常施工，须对桩基础进行托换处理，将原桥梁桩基荷载转移至新设托换桩基础上，原桩截除，整个施工工序既要满足车站主体施工，又要保证鼓楼立交Ｃ匝道桥行车安全。要求将对桥梁正常通行的影响降到最小。

图1 鼓楼立交站车站及桩基托换平面布置总图

2、方案研究

在设计方案研究阶段，对本车站设计方案进行全方位比选。先后研究了结构包桩方案、端头厅+暗挖方案、叠岛方案、侧站台方案、拆桥复建方案等多种比选。

其中结构包桩方案是在侵入车站主体结构内部的C匝道桥1号桥桩承台外围打一圈隔离桩，主体结构镂空将其包住。在方案研究过程中发现，其方案在公共区与设备区相交位置存在宽度约10m的包住桥桩的结构空洞，对车站内部建筑布置，特别是站厅层和站台层公共区与设备区联通，车站出入口布置和管线综合布置等方面影响巨大。

端头厅+暗挖方案是将车站分成两个端头厅分别放置于哲里木路两侧，两个厅之间横跨哲里木路段采用暗挖法施工，在方案研究过程中发现，此方案存在拆迁量较大，造价增加较大、施工困难且无法保证对路口西南侧将军衙署照壁文物的保护等问题。

叠岛和侧站台方案可局部避免对车站南侧建筑的拆迁，但还是需要对C匝道桥1号桥桩进行托换。研究发现这两个方案新带来车站加长、新华大街北侧拆迁增加、造价增加较大、建筑使用功能降低、施工风险增加等一系列问题。

考虑到工程建设风险与实施难度、对将军衙署文物保护、征地拆迁与经济性、交通组织

影响、建设工期等多方面综合因素，经过多次专家讨论、评审，最终决定进行车站施工前对

C匝道桥1号桥墩下桩基进行托换。

图2 鼓楼立交站车站桩基托换剖面示意图

3、计算分析

（1）现状评估

根据桥梁检测鉴定单位对鼓楼立交桥外观、材料强度以及承载力进行的综合评估报告可知，呼和浩特市鼓楼立交C 匝道桥上部结构为7×20m 现浇预应力混凝土连续箱梁，下部结构

为方柱式桥墩，桩基接承台，桩基按照摩擦桩设计。匝道桥总体评定为B级（良好状态），

C匝道桥承载能力满足现行规范城市-A级荷载等级要求，可以进行托换施工。评估单位根据

分析被托换桥墩的变形特征，得出了托换过程中1号桥墩桩基沉降量控制在±3mm以内，同

时给托换工程提供了警戒控制指标。但是在后续地铁施工过程中，开挖地表土阶段，以及开

挖地下车站空间阶段，会改变C匝道桥1号墩的墩高和有效桩长，从而影响C匝道桥整体的

刚度和稳定性。应采用考虑桥墩和托梁体系的整体结构模型进行重新计算。

（2）计算分析

将军衙署站桩基托换工程因为需要达到保证既有桥梁结构安全与正常通行的要求，托换

梁所承受荷载较大，变形要求严格，因此采用了主动托换技术进行预防性托换既有桥墩。在

鼓楼立交站桩基托换工程项目中，地铁站下穿城市立交桥，与C匝道桩基冲突。托换施工方

案包括以下几个步骤：（1）开挖地表，使既有桩基承台裸露；（2）施工地铁站台两侧围护

结构（地连墙）；（3）在地连墙外侧施工托梁下新桩基；（4）浇筑托换大梁横跨车站上部，大梁包裹住既有承台；（5）逐层开挖托换大梁下站台部分空间，上部荷载由新桩、旧桩共

同承担；（6）截除旧桩，将上部荷载通过托换梁传递至两侧的新桩上，完成托换。

整个设计过程中，应保证减小对上部桥梁的影响，桥墩不能有过大的沉降，并且过大的

沉降会引起更大冲击造成桥墩进一步沉降。所以本次主动的预防性托换，不仅要主动控制托

换体系的变形，还要实时监测托换体系转换阶段对上部桥梁结构动力性能的影响。

设计利用Midas GTS、ABAQUS等有限元软件，建立桥梁结构、托换结构、地连墙以及附

近土的整体有限元模型，根据开挖方案对基坑开挖全过程进行模拟分析。有限元模型中，不

同构件之间连接、桩土之间接触、桩和地连墙之间相互作用等关键部位的模拟对结构计算精

度影响显著，并且不同施工阶段的有限元模型边界条件也不同，根据施工方案对不同施工阶

段进行精确模拟，对计算分析结果的可靠性至关重要。

该站托换梁斜着横跨车站，跨度达到27.3m。新建桩基位于地铁站外侧，为增加托换梁

刚度，必须尽量减小新建桩基之间距离，故而新桩基与地铁站两侧地连墙距离较近。这样计

算新桩基础沉降时必须考虑地连墙和新桩基之间的互相影响，也要考虑新建桩基对地连墙后

期变形的影响。因此，在车站基坑开挖过程中，为保证基坑开挖和车站建设过程中桥梁结构

的正常使用和结构安全，需要对地连墙、托换结构以及桥梁上部结构进行现场监测。新老结

构在托换点处的连接问题，托换梁跨度大，跨中剪力非常大，采用了预应力抗剪措施。

为保障C匝道桥在整个施工过程中运营安全可靠，保证托换体系变形在可控范围内，通

过在预应力托换梁两端放置千斤顶装置，主动顶升桥墩完成荷载传递路线的改变。在主动顶

升过程中，我们不仅需要对桥墩位沉降和墩顶变形进行监测，还须对托换体系的结构位移和

应力进行监控。这就要根据施工方案建立合理的托换结构有限元模型，动态分析托换荷载加