臧一平，卜 成，邵蘇文，孫晉晶

（江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊(duì)，江蘇 鎮(zhèn)江 212001）

1 概述

盾構(gòu)施工中碰到既有樁基阻礙時(shí)，往往采取拆除－施工－修復(fù)的方法，此方法造價(jià)昂貴，工期較長(zhǎng)，同時(shí)還需考慮到拆除原橋?qū)煌?、周邊環(huán)境及管道線(xiàn)路所造成的壓力。因此，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)此類(lèi)工程施工時(shí)往往采用拔樁托換、樁基加固的方法［1－4］，與整體拆除相比，橋梁樁基托換，樁基加固的方法表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)越性，使得工期明顯減少，費(fèi)用也大大降低。

樁基托換改變了原橋的受力狀態(tài)，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的加固彌補(bǔ)了盾構(gòu)隧道穿越引起的承載力損失，在保護(hù)原橋結(jié)構(gòu)前提下實(shí)現(xiàn)地鐵盾構(gòu)隧道的順利穿越。楊光等［5］認(rèn)為深入研究盾構(gòu)穿越橋梁樁基時(shí)的樁基托換理論和保護(hù)加固措施是保障地鐵安全施工的重、難點(diǎn)。關(guān)于樁基托換、橋梁加固方面的研究，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者依托豐富的工程實(shí)例已經(jīng)做了大量的研究分析。呂劍英［6］簡(jiǎn)述了我國(guó)樁基托換的思路、方法和相關(guān)施工工藝，并通過(guò)對(duì)幾個(gè)典型實(shí)例的分析，重點(diǎn)闡述了樁基托換施工設(shè)計(jì)中的技術(shù)要點(diǎn)。黃巍［7］和張星［8］分別依托上海隧道某區(qū)間穿越既有樁基案例，依據(jù)實(shí)際工況、周邊環(huán)境和土層條件，分析了盾構(gòu)穿越可能引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，給出了合理的樁基托換方案，并提出了一系列風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施。宋南濤［9］依托深圳地鐵2 號(hào)線(xiàn)下穿某橋梁工程實(shí)例，對(duì)在隧道內(nèi)托換樁基施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與施工工藝進(jìn)行了詳細(xì)闡述。谷偉平等［10］結(jié)合廣州1 號(hào)某住宅樁基托換工程，提出了此工程的方案設(shè)計(jì)、選型與計(jì)算，認(rèn)為樁基托換具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。針對(duì)鄭州市某盾構(gòu)區(qū)間下穿立交橋樁基施工工程，周詩(shī)?。?1］分析樁基托換工程施工中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)類(lèi)似復(fù)雜條件下的樁基托換工程具有重要的參考價(jià)值。這些實(shí)例的應(yīng)用效果表明，托換后的樁基及其上部結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力得到有效控制，保障了施工過(guò)程中建（構(gòu)） 筑物的安全。

曾學(xué)藝等［12］以隧道盾構(gòu)穿越河西漫灘粉細(xì)砂層為工程背景，采取了地基注漿的加固方案。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)地基注漿后的土體承載力和穩(wěn)定性得到了明顯的改善，注漿后的地表沉降明顯減小。胡盛斌等［13］在分析對(duì)比土體注漿加固與不加固工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)時(shí)也得出了類(lèi)似的結(jié)果。

本文依托南京7 號(hào)地鐵隧道福建路站與城河村站區(qū)間下穿橋梁樁基工程為背景，為保證隧道正常施工與橋梁結(jié)構(gòu)安全，提出了以被動(dòng)托換為主、輔以地基注漿的加固方案，可為類(lèi)似盾構(gòu)隧道施工提供借鑒與參考。

2 工程概況

2．1 區(qū)間概況

區(qū)間隧道由西南方向往東北方向延伸，沿線(xiàn)主要為市政道路和沿線(xiàn)商鋪、居民小區(qū)。區(qū)間隧道底板埋深約22．0 m ～32．0 m，施工用盾構(gòu)法，上下行盾構(gòu)區(qū)間直徑6 200 mm。隧道走向與河流上部橋梁順橋向相同，隧道在盾構(gòu)施工過(guò)程中遇到橋梁的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)障礙，隧道頂板埋深距離橋面23．2 m。

2．2 橋梁概況

橋梁位于城市主干道上，跨越金川河，建于1999 年。橋梁總長(zhǎng)33．0 m，為兩跨式橋梁，橋梁與河道中心線(xiàn)夾角為40°。下部結(jié)構(gòu)為直徑1 000 mm 的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋臺(tái)樁長(zhǎng)37 m，橋墩樁長(zhǎng)44 m，橋臺(tái)和橋墩樁間距2 926 mm。上部為鋼筋混凝土簡(jiǎn)支空心板，每跨橫向有32 塊板梁及2 片裝飾拱片，空心板長(zhǎng)15．96 m。圖1 為福建路橋跨徑布置圖。

圖1 福建路橋跨徑布置圖

2．3 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地地貌類(lèi)型上屬秦淮河階地、漫灘地貌單元，現(xiàn)狀經(jīng)過(guò)城市改造，地勢(shì)起伏不大。一般現(xiàn)狀地面高程在10 m ～15 m 之間，場(chǎng)地內(nèi)土層主要為①素填土、②粉砂、③粉質(zhì)黏土、④粉質(zhì)黏土、⑤粉質(zhì)黏土，各層土力學(xué)性質(zhì)詳見(jiàn)表1。施工區(qū)域?yàn)榻鸫ê又髁骱拥?，除金川河主流外，施工范圍?nèi)無(wú)其他地表水體，金川河地表水對(duì)工程影響較大，需做圍堰抽水方可施工。地下水主要為孔隙潛水與上層滯水。上層滯水近地表分布，主要賦存于淺部①層人工填土中，孔隙潛水主要賦存于靠福建路車(chē)站一側(cè)②層粉砂中，②層粉砂透水性較好。

表1 福建路橋地層參數(shù)

2．4 盾構(gòu)與橋梁樁基相對(duì)位置

橋梁為兩跨結(jié)構(gòu)，兩邊橋臺(tái)、中間橋墩。實(shí)際工程中，盾構(gòu)隧道分為左線(xiàn)和右線(xiàn)兩條隧道。隧道頂板埋深27 m，隧道直徑6．2 m。隧道自西南方向往西北方向行進(jìn)，首先碰到切樁的橋臺(tái)為一號(hào)橋臺(tái)樁基，后經(jīng)過(guò)橋墩從二號(hào)橋臺(tái)穿出。隧道施工對(duì)隧道周?chē)耐馏w影響不同，對(duì)地層中不同位置的樁基受到影響也不同，本工程中樁基與隧道的位置如圖2 所示，鄰近樁的樁端位于隧道底部下方，兩根待切樁與隧道相交，位于隧道內(nèi)部。

圖2 樁與隧道相對(duì)位置示意圖

3 橋梁加固設(shè)計(jì)方案

3．1 橋臺(tái)注漿范圍設(shè)計(jì)

橋臺(tái)被截4 根樁基，注漿相關(guān)參數(shù)確定后，需要通過(guò)計(jì)算截樁后殘樁作用力組合最大值，再驗(yàn)算注漿后的承載力來(lái)確定注漿范圍，主要是注漿深度范圍與土層分布。橋臺(tái)截樁后，恒載、活載及荷載組合的最大值為1 547．8 kN。樁基截?cái)嗪蟛豢紤]樁端承載力，根據(jù)規(guī)范樁基豎向承載力按式（1） 進(jìn)行計(jì)算。

不做注漿加固時(shí)，β=1；注漿加固時(shí)，β=1．3；ψsi為側(cè)阻尺寸效應(yīng)系數(shù)，?。?．8/d）1/5，側(cè)摩阻力護(hù)坡底以上部分不計(jì)，截樁后，對(duì)橋臺(tái)做注漿加固，注漿范圍為標(biāo)高－12．75 m ～－2．75 m 土層范圍，進(jìn)入下部較好土層深度2 m。經(jīng)計(jì)算樁基承載力為1 593 kN，滿(mǎn)足要求，所以設(shè)計(jì)注漿范圍為標(biāo)高－12．75 m ～－2．75 m 土層范圍。

3．2 樁基托換設(shè)計(jì)

樁基托換根據(jù)托換原理的不同分為主動(dòng)托換和被動(dòng)托換（如圖3 所示） 。主動(dòng)托換通過(guò)預(yù)頂升法使被托換樁與托換大梁上抬，同時(shí)對(duì)新樁基預(yù)壓，在隧道施工的截樁過(guò)程中主動(dòng)控制沉降和變形。然而，被動(dòng)托換在托換前托換大梁與托換新樁節(jié)點(diǎn)固接，無(wú)頂升過(guò)程，被托換樁將荷載轉(zhuǎn)移至托換結(jié)構(gòu)上。使用被動(dòng)托換法時(shí)，原結(jié)構(gòu)的變形由托換梁（承臺(tái)） 與新樁基的沉降控制。

圖3 樁基托換形式

主動(dòng)托換雖然控制變形能力強(qiáng)，但主動(dòng)托換耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、成本高、操作復(fù)雜，主要用于大型結(jié)構(gòu)、需要嚴(yán)格控制沉降的工程。被動(dòng)托換操作簡(jiǎn)便，托換完成后即可截樁施工。因而被動(dòng)托換是目前類(lèi)似工程最常用的托換形式之一。由于橋下施工場(chǎng)地狹小，大型機(jī)械無(wú)法進(jìn)場(chǎng)，故采取新建錨桿靜壓鋼管樁托換待截樁基的被動(dòng)托換形式，并對(duì)錨桿、靜壓樁樁長(zhǎng)和相關(guān)承載力進(jìn)行驗(yàn)算。

3．3 總體加固方案

兩側(cè)橋臺(tái)處采用地基注漿加固，以橋臺(tái)樁基為中心，在2．5 m 范圍內(nèi)對(duì)其進(jìn)行土體注漿，注漿管管徑采用50 mm，設(shè)計(jì)注漿壓力為8．0 MPa ～10．0 MPa，注漿液采用普通型42．5 硅酸鹽水泥，水灰比（質(zhì)量比） 采用1∶1，同時(shí)為改善水泥漿液的性能加入3%的水玻璃（模數(shù)2．4 ～3．0，質(zhì) 量 濃 度30 Be ～45 Be） 。注 漿 范 圍 為 標(biāo) 高－12．75 m ～－2．75 m 土層范圍，進(jìn)入下部較好土層深度2 m。

對(duì)福建路橋與盾構(gòu)隧道相沖突的樁基進(jìn)行樁基承臺(tái)托換。分別制作兩個(gè)長(zhǎng)11 m，寬4．7 m，高2．5 m 的承臺(tái)，在承臺(tái)內(nèi)需對(duì)老樁做鋸齒槽，并對(duì)其植筋。再利用承臺(tái)進(jìn)行靜壓樁的施工，每個(gè)承臺(tái)施工10 根長(zhǎng)度為31 m和4 根長(zhǎng)度為15 m 的鋼管樁，鋼管樁直徑0．48 m。為提高蓋梁的承載能力，減少蓋梁變形，在蓋梁側(cè)頂面粘貼鋼板，蓋梁側(cè)底面全梁粘貼碳纖維布。整體加固方案如圖4 所示。

圖4 福建路橋橋臺(tái)樁基加固圖

4 橋梁加固施工方案

4．1 橋臺(tái)注漿施工

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，橋臺(tái)位置注漿范圍為以盾構(gòu)需穿越的樁基為中心，向四周擴(kuò)展2．5 m，注漿總高度為10 m（標(biāo)高－12．75 m ～－2．75 m） 。由于現(xiàn)場(chǎng)的施工空間有限，對(duì)壓力注漿設(shè)備進(jìn)行了改造，采用超高壓套管注漿，即錨桿鉆機(jī)+三重管高壓旋噴組合，注漿孔50 mm。注漿壓力為2 MPa ～3 MPa，具體的噴射壓力、噴射半徑需在施工前進(jìn)行注漿試驗(yàn)來(lái)確定。注漿所用漿液采用普通型42．5 硅酸鹽水泥，水灰比（質(zhì)量比） 可采用1∶1，為改善水泥漿液的性能加入3%的水玻璃（模數(shù)2．4 ～3．0，質(zhì)量濃度30 Be ～45 Be） 。圖5 為橋臺(tái)注漿示意圖。

圖5 橋臺(tái)注漿示意圖

對(duì)橋臺(tái)進(jìn)行注漿加固時(shí)，需將注漿設(shè)備移至橋下，因橋下施工空間有限，故對(duì)設(shè)備進(jìn)行了改造，鉆桿可以在垂直方向90°旋轉(zhuǎn)，來(lái)達(dá)到對(duì)橋臺(tái)內(nèi)側(cè)注漿的效果，在橋臺(tái)內(nèi)側(cè)注漿時(shí)，需對(duì)河道護(hù)坡根據(jù)實(shí)際注漿位置進(jìn)行開(kāi)孔，直徑7 cm。

為減少注漿給橋臺(tái)樁體周?chē)临|(zhì)帶來(lái)的影響，本次施工順序采用交錯(cuò)注漿法，即同一橋臺(tái)單排樁基每間隔1 個(gè)樁基進(jìn)行注漿，每隔2 個(gè)注漿孔進(jìn)行樁基注漿，待注漿土體穩(wěn)定后再進(jìn)行下一次注漿。這樣交錯(cuò)的注漿順序有利于橋臺(tái)樁基周?chē)馏w的穩(wěn)定，為樁基的安全性帶來(lái)了保證。

4．2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與托換承臺(tái)施工

本工程在窄橋下施工，大型機(jī)械無(wú)法進(jìn)場(chǎng)。施工材料需靠吊機(jī)下放，施工環(huán)境復(fù)雜，難以保證圍堰內(nèi)完全干燥。因本工程承臺(tái)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實(shí)需求，研發(fā)了一種狹窄橋下空間中自沉式裝配圍護(hù)結(jié)構(gòu)。相比傳統(tǒng)機(jī)械挖掘成槽的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，其利用高壓水射流形成水刀切削墻下土體并形成泥漿，利用圍護(hù)墻體自重下沉，無(wú)需成槽，解決了橋下小空間中大機(jī)械無(wú)法使用的難題。自沉性也降低了對(duì)橋下護(hù)坡穩(wěn)定性的影響，縮短工期，且綠色、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)。裝配式結(jié)構(gòu)根據(jù)需求預(yù)制特定尺寸墻體，批量生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定，避免水下灌注，降低成本和施工難度。該結(jié)構(gòu)有基礎(chǔ)單元、標(biāo)準(zhǔn)單元兩種結(jié)構(gòu)，其主體均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)； 所述標(biāo)準(zhǔn)單元頂部與底部分別設(shè)有對(duì)稱(chēng)預(yù)埋的槽鋼構(gòu)造，基礎(chǔ)單元底部通過(guò)角鋼和螺栓連接錐式鋼靴，鋼靴內(nèi)安裝有水刀激發(fā)裝置。水平向相鄰標(biāo)準(zhǔn)單元通過(guò)鋼槽連接固定； 各裝配單元均預(yù)埋有PVC管作為進(jìn)水管預(yù)留空間。整體自沉式圍護(hù)結(jié)構(gòu)拼裝完成圖如圖6 所示。

圖6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)拼裝完成圖

圍護(hù)結(jié)構(gòu)自沉試驗(yàn)采用轉(zhuǎn)角單元來(lái)完成自沉試驗(yàn)，試驗(yàn)采用分級(jí)加載，每級(jí)增加100 kPa，每級(jí)壓力下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的下沉過(guò)程中采用激光位移計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的沉降和位移變化，分析不同水刀壓力下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的下沉狀態(tài)。圖7 給出了各級(jí)水泵壓力下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的下沉速率。

圖7 各級(jí)壓力下下沉速率圖

結(jié)果表明，在300 kPa 前，圍護(hù)結(jié)構(gòu)下沉速率很小。試驗(yàn)過(guò)程表明，試驗(yàn)的轉(zhuǎn)角基礎(chǔ)單元在水刀壓力小于300 kPa 時(shí)不足以達(dá)到自沉目的。當(dāng)壓力達(dá)到400 kPa時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定下沉。結(jié)合本工程的地質(zhì)條件，在500 kPa ～600 kPa 下，下沉效果最好。

本工程共新建2 個(gè)托換承臺(tái)，尺寸為11 m×4．7 m×2．5 m。承臺(tái)施工工序主要為：測(cè)量放樣、承臺(tái)開(kāi)挖、鋼筋加工、鋼筋安裝、安裝模板、混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)及拆模、基坑回填。在承臺(tái)施工前，需進(jìn)行承臺(tái)基坑開(kāi)挖，基坑深度約2．7 m?；娱_(kāi)挖時(shí)，在開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格遵循分區(qū)、分塊、對(duì)稱(chēng)、平衡的原則，采用階梯式多級(jí)分層放坡開(kāi)挖，挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，澆筑200 mm 厚C15 素混凝土墊層。承臺(tái)采用C40 混凝土，主筋為HRB400。既有樁墩柱在承臺(tái)澆筑之前植筋，與托換承臺(tái)結(jié)合表面應(yīng)鑿成凹凸差不小于100 mm 的鋸齒面，并按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鋼筋連接（含植筋） ，使得舊樁與新建承臺(tái)咬合緊密，整體性強(qiáng)，構(gòu)造圖見(jiàn)圖8。

圖8 立柱表面構(gòu)造圖

4．3 錨桿靜壓樁施工

本項(xiàng)目采用壁厚10 mm 的Q235 鋼材，直徑400 mm的開(kāi)口無(wú)縫管鋼管樁。本次兩個(gè)承臺(tái)一共28 根鋼管靜壓樁，共有15 m，31 m 兩種規(guī)格。工藝流程如下：

預(yù)留壓樁孔→預(yù)留錨桿→就位壓樁機(jī)→壓樁→接樁→壓樁→焊樁帽鋼筋→封樁。

按設(shè)計(jì)軸線(xiàn)位置，預(yù)留壓樁孔。根據(jù)錨桿靜壓機(jī)結(jié)構(gòu)，固定位置，不得傾斜移動(dòng)，標(biāo)高要求預(yù)埋爪肢型錨桿或后埋鐓粗型錨桿，分別由混凝土錨固。壓樁機(jī)就位時(shí)，應(yīng)對(duì)準(zhǔn)樁位，保證樁架垂直穩(wěn)定，施工中不發(fā)生傾斜、移動(dòng)。施工現(xiàn)場(chǎng)如圖9 所示。

圖9 壓樁現(xiàn)場(chǎng)

樁入土一個(gè)行程后，再使樁穩(wěn)定垂直，可用線(xiàn)墜，雙向校正，垂直度偏差不得超0．5%。采用焊接接樁時(shí)，預(yù)制樁表面埋件應(yīng)清理干凈，上下節(jié)之間的間隙用鐵片墊實(shí)焊牢，焊縫應(yīng)連續(xù)滿(mǎn)焊。接樁時(shí)上、下節(jié)樁的中心線(xiàn)偏差不得大于10 mm，節(jié)點(diǎn)折曲矢高不得大于1%樁長(zhǎng)。壓樁孔需清理干凈，排除積水，再下入鋼筋籠。澆搗混凝土之前，先涂刷孔壁及樁頭面，使得純水泥漿增加黏結(jié)力，再澆搗摻有微膨脹和早強(qiáng)外加劑C40 混凝土，予以搗實(shí)。壓樁過(guò)程中記錄了每一節(jié)鋼管樁的壓力最大值，壓樁力隨深度變化結(jié)果如圖10 所示。

圖10 壓樁力隨深度變化圖

樁長(zhǎng)15 m 的鋼管樁最后一節(jié)的壓力最小值510 kN，最大值為780 kN，平均值670 kN。樁長(zhǎng)31 m 的鋼管樁最后一節(jié)的壓力最小值為1 290 kN，最大值為1 922 kN，平均值1 626 kN。上述鋼管樁均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)所需承載力，滿(mǎn)足錨桿所能提供的抗拔力上限。壓樁所需的力隨深度增加而增大，尤其是第十節(jié)之后壓樁力的值增長(zhǎng)較快。

兩種規(guī)格長(zhǎng)度搭配的鋼管靜壓樁擁有較好的承載力，能滿(mǎn)足被動(dòng)樁基托換的要求。在狹小空間下具有很強(qiáng)的可操作性、場(chǎng)地適應(yīng)性，使得橋梁加固方案的設(shè)計(jì)更靈活且經(jīng)濟(jì)性較好。

5 結(jié)論

1） 對(duì)于狹窄場(chǎng)地的工程，無(wú)法進(jìn)行傳統(tǒng)機(jī)械挖掘成槽現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的施工，本文研發(fā)了一種狹窄橋下空間中自沉式裝配圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)備，利用其高壓水射流形成水刀切削墻下土體并形成泥漿，利用圍護(hù)墻體自重下沉，無(wú)需成槽，解決了橋下小空間中大機(jī)械無(wú)法使用的難題。

2） 樁長(zhǎng)15 m 的鋼管樁最后一節(jié)的壓力平均值670 kN。樁長(zhǎng)31 m 的鋼管樁最后一節(jié)的壓力平均值1 626 kN。上述鋼管樁均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)所需承載力，滿(mǎn)足錨桿所能提供的抗拔力上限。兩種規(guī)格長(zhǎng)度搭配的鋼管靜壓樁擁有較好的承載力，能滿(mǎn)足被動(dòng)樁基托換的要求。在狹小空間下具有很強(qiáng)的可操作性、場(chǎng)地適應(yīng)性，使得橋梁加固方案的設(shè)計(jì)更靈活且經(jīng)濟(jì)性較好。