地铁盾构隧道下穿桥梁桩基的托换研究

地铁盾构隧道下穿桥梁桩基的托换研究

摘要：随着我国国民经济的快速增长，城市公共交通压力也随之增大。为缓解

地面交通压力，优化城市规划，方便市民出行，轨道交通被广泛应用于各大城市

之中。但由于既有建（构）筑物密集和现有城市道路的制约，地铁下穿建（构）

筑物的情况十分普遍。因此，必须根据盾构隧道与实际建（构）筑物的关系，采

取有效、安全的施工措施来保证隧道开挖与既有建（构）筑物的结构安全。基础

托换技术是一项难度较大、费用较高、工期较长和责任性较强的建筑技术。

关键词：地铁盾构；隧道下穿；桥梁桩基；托换研究

1托换施工对桥梁结构的影响

采用midascivil软件进行有限元计算，考虑结构自重、桥面铺装、主梁收缩徐变、各墩（桥面）沉降差及顶升力等荷载作用。支座及钢管立柱竖向刚度：考虑

单个支座竖向抗压刚度为1500kN/mm；由计算得到单个钢管立柱（高度按11m

考虑）竖向抗压刚度为600kN/mm，支座及钢管立柱竖向刚度均只考虑受压刚度，受拉刚度为0。根据检测，桥梁在托换施工前已存在一定的不均匀沉降。

在考虑支座、钢管立柱竖向刚度以及现状各墩沉降差的基础上，经过反复试算，理论上若使D9#墩两支座完全脱空，则两临时墩千斤顶顶升高度L1#墩为

4.1mm、L2#墩为

5.0mm，两数值包含了支座及钢管立柱的弹性压缩变形（若扣除钢管立柱弹性压缩变形主梁绝对位移变化小于此数值）。计算考虑D9#墩相比现

状高度（考虑了支座压缩）高出6mm，两临时墩千斤顶顶升的位移，经过试算

L1#墩顶升8.0mm，L2#墩顶升9.6mm，两数值均包括了钢管立柱的弹性压缩变形。 2桩基托换的施工方案

为了有效把控施工整体质量并确保桥梁桩基的顺利托换。首先应当认真做好

施工前的准备工作，针对现有桥梁结构，搭建沉降或变形的监测系统，对需要实

行托换施工的桥梁整体情况做全面调查了解，并一一记录，主要记录内容有沉降

情况、裂缝程度、变形状态、安设的测量点位置与数量，以此确保托换施工顺利

完成。

2.1施工流程

基于盾构影响范围假设原桩无效，分析托换梁、桩所需负担的上部建筑重量，从而达到盾构经过需要的水平。托换系统采取梁式托换方式加以处理，把桥墩下

方结构体使用植筋技术同大刚度托梁结合成为一个整体，安设千斤顶、钢支撑以

及机械式安全自锁设施，结合预顶与监测一同开展，直到托换系统足够稳定时，

再将桥墩上方重量移换到托换桩处，使新建设的托换梁桩和原有的结构体系构成

整体一同发挥作用。基坑使用φ800mm/φ600mm排桩来充当围护体系，并适当

设置内支撑，外围安设直径为600mm的旋喷桩止水帷幕。新建设的托换桩采取

冲孔桩；原有的桩基凿除使用稍大于原桩、直径为2000mm的人工挖孔桩充当围护，再安排施工人员除去进入隧道内的一部分桩基。

2.2施工策划

（1）冲孔桩施工及基坑开挖。当开展基坑开挖作业之后，旧承台以及桩基移除了一部分土体的结构作用力，冲孔桩的湿作业会对地下水造成侵扰，导致桥梁

整体的安全性下降，为防止发生施工事故，可先进行托换桩，然后再开展基坑开

挖作业。

在冲孔桩作业之前，需先定好桩基位置，由于受到现有桥梁净高的限制，钢

筋笼的安装无法一次性完全下放，而是需要分节吊装、下放，连接部分使用挤压

套筒做连接处理。浇筑混凝土时，需使用导管将其下移至桩孔底部，浇筑期间必

须注意把控好桩顶标高。开始基坑开挖作业之前，需要对挖掘地段做降水处理，

当水位下降到开挖面下方1m深度左右之后，再开始分层、分台阶地进行放坡开挖。当基坑开挖至目标深度之后，便可开展桩帽施工。

（2）托换梁。托换梁的主体为大体积混凝土，除了和旧承台相连接的部位，其他超出1m3的位置决定使用冷却管做冷却处理，尽量减少混凝土裂缝的形成。在进行托换梁施工之前，对其与新修建的桩基承台空隔部分使用黄砂做填充处理，以此充当底模基础。由于托换梁主要是由大体积混凝土构成，因此在施工作业期

间必须确保混凝土浇筑的连续性，并增强养护工作，减少混凝土水化热反应，以

免出现混凝土裂缝。

（3）桩基托换施工。为有效防止新桩基发生变形而对托换结构造成不良影响、避免新桩基出现桩顶沉降引起桥梁桩基沉降，应当对托换结构采取预顶处理。预

顶方案的内容：在承台顶和托换梁中间留出大约700mm的空隙，再安放千斤顶

与钢砌块，以此为托换梁、桩提供可靠的支撑力。托换预顶加载实行分级加载处

理法，将加载一共分成10级，每一级增加的荷载重量均为千斤顶加载最高值的

1/10，且需注意不能一次加载至最高值。每一级的加载维持10min，待到结构趋

于稳定状态之后方可增加下一级的荷载。旧桩基的上台程度不可超过1mm，当其超过控制值时要立即停止加载。在进行加载期间还需对托换梁裂缝的形成以及发

展情况进行密切观察，若最大裂缝超过0.18mm，需立刻停止加载。

预顶施工中，还需对千斤顶的顶升力以及托换梁两侧的移动距离进行严格把控，若是前者已经到达临界值而后者尚未达到调控范围，或者前者尚未达到调控

值而后者已经达到临界值时，则需对施工参数做适当调节。

（4）封桩与基坑回填。在进行托换梁施工作业时，可先在对应桩纵向钢筋处埋设钢筋，等到预顶作业完毕以后，在维持预顶力不发生变动的基础上对桩梁的

预留钢筋做焊接处理，其后再通过托换梁底部预留的3根导管来浇筑封桩混凝土，所用的混凝土型号为C35微膨胀砼。

待到桩基托换完毕之后，则需对临时基坑全部实施回填，所选用的回填材料

以砂石为主。所有砂石在使用之前都要先进行取样测试，对其干容重以及含水量

进行测定，确保其质量符合工程施工需求。此外，在回填施工作业时必须分层进

行压实，且每层的填充厚度以及压实变数都应当符合相关规范标准，其中压实度

不得低于90%。

3施工监测

由于托换施工对桥梁结构的应力、变形均有一定的影响，为确保桥梁结构的

安全，应加强施工过程的监测。当有异常情况时，需及时停工分析原因。1）墩

柱倾斜度监测。桥墩对桥梁结构受力有着最直接的影响。在施工过程中，临时墩、临近桥墩受到基坑开挖、拔桩等施工影响都可能出现变位，因此需加强墩柱倾斜

度的监测。2）主梁高程监测。本桥为连续弯梁桥，顶升、落梁等施工过程，桥

梁线性均会有一定变化，因此应对全桥进行高程监测。3）应力监测。施工中，

随着主梁的顶起、下落，主梁在顶板、底板均会有应力变化，因此应在典型截面

监测其应力变化。对于顶板，由于有沥青铺装的存在，可凿除部分铺装，漏出主筋，监测主筋应力。4）裂缝监测。在结构计算中，主梁可能出现裂缝，因此应

该加强施工过程中裂缝的观察。

4结束语

通过桩基托换能够充分解决地铁路线与城市繁华地段建筑体之间的冲突，使