深圳地铁皇岗站桩基主动托换施工技术.doc
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深圳地铁皇岗站桩基主动托换施工技术
张强
（中铁五局工程管理中心）
摘要本文结合深圳地铁桩基主动托换工程施工实例，简要介绍桩基主动托换施工技术，为类似工程提供参考。
关键词桩基主动托换施工技术
1前言
在城市地铁等地下工程建设中，线路走向常常要穿过既有建筑、桥梁等的基础，桩基托换是必须面对和解决的问题。
桩基的托换机理可以分为：
主动和被动托换技术。
主动托换技术是在原桩切桩之前对新桩和托换结构施加荷载，在托换梁与新桩之间设置千斤顶加载,利用千斤顶使上部结构有微量位移,同时使新桩的大部分沉降通过千斤顶的预压来完成，消除部分新桩和托换结构的变形，使得托换后桩和结构的变形限制在较小的范围，该技术运用于大吨位、结构物对变形要求严格的情况。
被动托换技术是在原桩切桩的过程中，将荷载传递到新桩，托换后的桩和结构的变形往往难以控制，该技术适用于小吨位和结构对变形不甚严格的情况。
本文以深圳地铁皇岗站福田保税区一号通道桥桥墩A4、B4桩采用二次主动托换施工为实例，介绍桩基主动托换施工技术以及取得的经验，为今后类似工程提供借鉴。
2工程概况
2.1工程简介：
皇岗车站位于深圳河北岸，与深圳河呈47.5°夹角，为一联接香港的口岸车站。
车站与通关联检楼合建，地下一层，地面四层，全长219.102m。
车站采用明挖法施工，围护结构以地下连续墙为主。
车站自有效站台端往北穿过保税区一号通道立交桥桩桩基，其中A4、B4两根桩基需进行托换。
2.2工程地质水文及水文地质条件
该段上覆第四系全新统人工堆积层、第四系全新统海积层、第四系全新统冲积层、第四系残积层、燕山期花岗岩。
第四系孔隙潜水主要赋存在第四系粘性土层、砂层（中、粗、狸砂）和残积层，砂层、圆砾为主要含水层，具有强透水性，具承压性；软土、粘性土、砾质粘性土具有透水性，为相对隔水层。
地下径流方向一般由北向南，透水层和附近的深圳河有一定的水力联系。
地下水埋深1.2~4.7m，水位高程-1.59~2.23m，水位变幅0.5~2.0m。
3桩基托换施工方案
车站与保税区一号通道平面交汇，一号通道A4、B4桥墩桩基侵入车站界限，设计每个桥墩有两根φ1200钻孔灌注桩,单桩承载力设计值[P]≥4000KN，施工发现A4桥墩有3根φ1200钻孔灌注桩，为保证一号通道桥的安全和车站主体的施工，采用二次主动托换方案对A4、B4桥墩桩基进行托换，采用人工挖孔桩和包柱式砼厚板组成托换结构做为第一次荷载临时转换承重结构体系，第一次荷载转换后再开挖车站基坑，凿除影响车站主体结构施工的原承台和桩，施工车站的主体结构，进行第二次荷载转移，以车站顶板做为荷载转移永久承重结构，截出临时承载桩。
在整个荷载转换过程中均通过主动加载千斤顶的预加载消除托换结构的变形，并通过高精密（全自动）的监测系统反馈凿除桥墩承台和桩过程中桥墩的沉降及桥面构件的应力、应变情况，根据监测情况调节主动托换千斤顶的顶力，使整个托换过程中被托换构件的沉降、应力、应变可控，确保被托换结构万无一失。
车站1/01-3轴桩基托换段总体施工顺序及步骤如图1所示：
施工范围临建设施拆迁
施工影响范围内的建构筑物现状调查
人工挖孔桩桩周止水帷幕及基坑周边
止水帷幕施工
托换人工挖孔支承桩施工
A4、B4桥墩临时托换结构施工
车站基坑开挖及内支撑架设
1/01-3轴托换段主体施工
顶板上设Q7~Q12千斤顶第二次加力
凿除侵入车站范围内的托换桩、临时托换板及托换桩处顶板、底板的处理
测理监测
B3、A5、桥墩拉结保护
旧箱涵拆除及回填填填
监测系统建立并进行全面监测信息化指导施工
防水施工
回填土方恢复路面
凿除原桥墩侵入车站主体的承台及承台支承桩
竣工交验
对 A4、B4墩临时连接保护
围护结构旋喷桩及钻孔桩
贯梁及第一道钢筋砼支撑
第一次加力Q1~Q6受力
A4、B4墩和车站顶板永久连接
桩基托换段总体施工顺序及步骤图1
4托换结构主要的施工方法及施工工艺
4.1托换支承桩施工
由于托换支承桩位于车站主体的隔墙位置，为保证不侵入车站净空和不在顶板和底板上开过大的孔洞，设计支承桩由φ1500人工挖孔桩和φ600钢管砼桩组成，底板以下为人工挖孔桩，以上为φ600钢管砼桩，人工挖孔桩砼标号C25，砼耐蚀系数0.8，φ600钢管砼桩标号C60，砼耐蚀系数0.8。
护壁采用钢筋砼，厚度200mm，桩底入微风化岩0.5m。
4.2托换板施工
托换板是桩基托换的关键结构，其强度、刚度、与新旧承重结构的可靠连接等都决定了桩基托换施工的安全和成败，施工中必须认真组织和精心操作。
4.2.1锚筋施工
桥墩柱截面凹槽施工,凹槽施工前进行放样划线，利用砼切割机在划线位置将砼锯入25mm，然后人工间隔将砼凿除25mm，形成凹槽，最后人工打毛处理，打毛深度为10mm，并修平清洗干净。
锚筋施工前对锚孔定位放样，桥墩柱的锚筋分侧面、分排进行，一个侧面锚筋锚完后再锚另一个侧面的锚筋，前一排锚筋锚好后才进行下一排锚筋的施工。
4.2.2托换厚板钢筋工程
钢筋安装前，先测量定位，制定托换厚板底模，在底模放样定出普通钢筋、预埋件分布大样，然后严格按设计及规范要求绑扎钢筋。
并保证钢筋有足够的保护层。
同时严格控制钢筋绑扎和焊接的质量
4.2.3托换厚板砼工程
托换厚板砼采用搅拌站制作的C40商品砼，砼坍落度控制在18±2mm。
搅拌运输车运输。
采用砼泵送浇筑，因托换厚板砼浇捣属大体积砼浇捣，在施工采取措施降低水化热和加强砼的养护以确保不出现温度裂缝。
4.2.4托换厚板预应力钢筋张拉
托换桩砼达到设计要求的强度及龄期后开始张拉预应力钢筋，预应力钢筋张拉时对称同时张拉。
预应力钢筋张拉时共分五级，各级荷载见下表
级数
荷载（KN）
备注
第一级
51.3
第一级张拉完后开始计录千斤顶行程初始值
第二级
205.2
每级张拉后计录千斤顶行程
第三级
102.6
每级张拉后计录千斤顶行程
第四级
102.6
每级张拉后计录千斤顶行程
第五级
51.3
每级张拉后计录千斤顶行程
预应力张拉时采用双控法张拉，其中张拉力误差不超过±2%，总伸长量不超过±5%，总伸长量的计算公式应为：
ΔL=Δ1+Δ2+Δ3+Δ4+δ1+δ2
其中Δ1、Δ2、Δ3、Δ4第一次至第五次加载时相邻两次千斤顶的行程连续之差
δ1为第一级加载推算伸长值，根据Δ1、Δ2、Δ3、Δ4和拉力线性关系推算。
δ2为两端锚垫板的内陷值，按规范一般为每端1mm
如总伸长量超限应查明原因再张拉。
预应力张拉完后用板手拧紧螺母，再分级对千斤顶卸载。
千斤顶卸载完成后注水泥浆封孔，水泥浆的水灰比为0.4~0.5，注浆压力一般为0.7~0.8Mpa，注浆时另外一端看到有浆液流出后再注浆1~2分钟才能停止注浆。
注浆完成后再进行两端封锚处理，封锚时先在预应力钢筋两端处的托换梁侧面凿毛，并充分湿润，再浇150~200mm厚的C20细石砼。
5托换实施：
5.1第一次主动托换
根据设计要求采取二次主动托换，施工的流程图前面章节已叙述，在施工中主要是以监测来信息化施工，因此试顶前的监测方案，监测控制标准及监测数据的传递和试顶信息化施工的要求。
先报经各相关单位审批完毕。
下图分别为托换支承桩的平面和立面位置图：
图中GZ1、GZ2、GZ3、GZ4、GZ5、GZ6为六根托换支承桩，其中GZ1、GZ2、GZ3桩封闭在车站主体隔墙内作为永久支承桩，GZ4、GZ5、GZ6桩待第二次主动托换完成后截出。
第一次主动托换（荷载转换）
下图为托换千斤顶布置示意图:
5.1.1千斤顶的安装
托换支承桩和托换厚板达到强度要求后开始安装Q1~Q6，实施第一次荷载转换，即将桥墩荷载通过千斤顶Q1~Q6转移到GZ1~GZ6六根托换支承桩上，经过监测分析认为可靠后实施开挖土方并施工主体结构。
5.1.2加载前准备工作
检查千斤顶油站、油管、压力表的安全可靠性，做到万无一失。
建立全方位的位移、沉降应变监测系统，并保证其数据的准确性。
对操作、监控及现场等有关人员进行充分的细致的技术交底和思想动员工作。
安排好各油站、千斤顶、监测组、记录组的人员并落实到位，由专人统一指挥。
事先计算好各千斤顶加载的压力及相对应的油压读数，定出每一级加载的时间，每级一般为2~3分钟。
5.1.3荷载转移实施
各次荷载转移顺序及方法如下：
千斤顶第一次荷载转换分二个步骤进行，第一个步先平衡掉托换板的自重，第二个步实现桥墩荷载的第一次转移。
托换板的自重平衡分三级进行，第一次桥墩柱的荷载转换分十五级进行，每级加载完成后，都要锚定千斤顶的机械锁，每次加载均按信息化施工流程图所示步骤实施，对加载全过程进行信息化控制直至加载完成。
第一级至第十一级每级加载完成后持续荷载稳压二分钟，每项监测数据达到监测控制标准后方才进行下一级荷载加载，第十二级至第十八级的荷载在每级加载完成后的持荷稳压时间为5分钟。
平衡托换结构自重时Q1~Q6千斤顶各级荷载详见下表
（第一级至第三级及各千斤顶的荷载值）
千斤顶编号
每级加载（KN）
备注
Q1
90.9
每级加载均同步同时完成
Q2
223.6
每级加载均同步同时完成
Q3
97.6
每级加载均同步同时完成
Q4
66.0
每级加载均同步同时完成
Q5
209.8
每级加载均同步同时完成
Q6
105.15
每级加载均同步同时完成
桥墩荷载第一次转换时千斤顶各级荷载详见下表：
（第四级至第十一级各千斤顶的荷载值）
千斤顶编号
每级加载（KN）
备注
Q1
134.11
每级加载均同步同时完成
Q2
299.07
每级加载均同步同时完成
Q3
81.59
每级加载均同步同时完成
Q4
70.77
每级加载均同步同时完成
Q5
315.53
每级加载均同步同时完成
Q6
136.96
每级加载均同步同时完成
（第十二级至第十八级每级及各千斤顶荷载值）
千斤顶编号
每级加载（KN）
备注
Q1
67.05
每级加载均同步同时完成
Q2
149.54
每级加载均同步同时完成
Q3
40.80
每级加载均同步同时完成
Q4
35.40
每级加载均同步同时完成
Q5
157.76
每级加载均同步同时完成
Q6
68.48
每级加载均同步同时完成
加载过程中各项监测数据的监测标准详见下表
项目
标准
新桩沉
降稳定
沉降速度小于0.1mm/h
新旧节点
出现滑移
滑移变形量大于2mm,滑移量和加载在线斜率出现突变；节点箍筋应变值达到（100με以上）锚筋应变有突变。
桥墩柱
受偏压
柱上四侧面上的应变不均匀，甚至出现拉应变
被托换柱
的上托量
3mm
停止加载标准按双控标准进行控制。
在加载过程中如桥墩柱的上抬量已达到3mm，但总加载级数未达十八级时即可停止加载；桥墩柱的上抬值未达到3mm，但总加载值级数已达到十八级时即可停止加载。
（总加载为14317.06KN）
如停止加载时总荷载级数未达到十八级时，桥墩柱的上抬值已达到3mm时，应持荷30分钟，并每隔5分钟，对桥墩柱的沉降及托换结构的应力进行监测，如在此过程过程中发现桥墩柱的位移有下沉，可以再对千斤顶进行加载，并循环监测和加载直至满足按条件。
如30分钟内监测的数据没有变化。
则可以开始卸载并锁定千斤顶。
卸载时可按原分级加载的要求对千斤顶进行分级卸载，卸载时应卸回到第八级荷载。
分级卸载时应保证三管垫块和托换板底部有一定空隙，并保证千斤顶上的机械锁处于打开状态，每级卸完后先锁定千斤顶的机械锁。
观察各项监测数据，对卸载过程进行信息施工直至卸载完成，每级卸载后稳压时间同相应级加载时的稳压时间，卸完荷载后可以锁定千斤顶的机械锁，并楔紧三管垫块，完成。
在Q1~Q6千斤顶加载完成，新桩沉降稳定后，车站基坑通过信息化指导进行基坑土方开挖到一定深度后，开始截除A4、B4墩墩柱，墩柱截除并开挖完后施工底板、侧墙和顶板。
逐级截除过程中同时进行严密连续的监测，按信息化截柱，并根据监测信息，适时调整加载系统，保证各项监控指标在允许范围。
5．2第二次主动托换的实施
车站顶板结构达到一定强度后，安装Q7~Q14千斤顶，在Q7~Q14千斤顶加载的同时给Q1~Q6千斤顶卸载，加载均匀分十级进行。
卸载分八级进行，每级卸载的荷载同第一次荷载转换时Q1~Q6加载的荷载相同，加载和卸载必须分级间隔进行，即先加载一级，观察监测数据达到控制标准后持荷2分钟。
再卸载一级同样观察监测数据达到控制标准要求后，再持荷2分钟，又再加载一级如此循环，直至加载卸荷完成。
加卸载的信息化施工要求相同，完成后进。
Q7~Q14各级荷载值详见下表
千斤顶编号
每级加载（KN）
备注
Q7
223.64
每级同步均匀施加
Q8
175.90
每级同步均匀施加
Q9
169.44
每级同步均匀施加
Q10
135.70
每级同步均匀施加
Q11
134.47
每级同步均匀施加
Q12
175.50
每级同步均匀施加
Q13
180.68
每级同步均匀施加
Q14
242.74
每级同步均匀施加
Q7~Q14加载和停止加载的条件也同第一次主动托换一样按双控标准进行控制。
实现桥墩柱与车站顶板的永久连接车站顶板达到强度后，可以实现桥墩柱和车站顶板的永久连接。
在顶板施工前，已将顶板钢筋与桥墩柱凿除的钢筋用冷挤压套筒连接，但未挤压，第二次主动托换实现后，通过主动调整桥墩柱的位置和一段时间的观测，在确认结构稳定后实施挤压套筒挤压，并浇灌连接砼。
桥墩柱和车站顶板永久连接砼达到强度要求后，卸载Q7~Q14千斤顶荷载，但不拆除千斤顶，接着拆除临时托换结构，最后修复桥墩柱，并拆除千斤顶。
6桥墩托换施工监测
深圳地铁皇岗站保税区一号通道高架桥墩A4、B4桩基托换是在一号通道桥正常使用的情况下截桩托换，为保证桩基托换施工过程中高架桥的安全，控制被托换结构的变形，必须采取严密的监控措施，对托换过程中主要构件的应力、变形、桥墩的沉降及环境状态进行跟踪监测，实施监控。
6.1托换施工过程的监测主要是以下几个方面：
一是托换新桩的监测，在托换施工中对托换桩的沉降进行监测；二是被托换桥墩及施工影响范围内桥墩的监测；三是在托换施工过程中对A3、B3、A4、B4、A5、B5桥墩进行沉降监测；四是在托换过程中对A4、B4桥墩柱在托换厚板顶面标高以上的部分进行附加应力监测。
五是在托换过程中，对托换厚板进行的全过程监测：
包括最大弯距截面的应力监测、斜截面应力监测、跨内最大挠度变形监测、托换厚板和被托换桥墩柱间节点滑移监测、被托换桥墩上高架桥箱形梁附加应力监测等
6.2监测方法
6.2.1在人工挖孔桩施工过程中，采用精密水准仪对A3、B3、A4、B4、A5、B5桥墩柱进行沉降观察并绘画出沉降曲线，并根据沉降量、沉降速度、沉降曲线是否收敛指导挖孔桩施工。
6.2.2在托换施工中采用百分表对托换支承桩的桩顶沉降进行监测。
并根据观察结果判断支承桩沉降是否稳定。
6.2.3在荷载转换和凿除原桥墩承台过程中，采用静力式水准仪监测A4、B4桥墩柱的沉降，静力式水准仪的测试精度为0.01mm。
6.2.4新旧砼界面的相对滑移监测，托换厚板和桥墩柱的板柱结点是整个托换结构的关键部位，整个托换过程中都要密切监测旧桥墩和托厚板间的可能滑移情况，方法如下：
在托换厚板的中性轴附近选一条箍筋，安置4个应变计，监测托换过程中箍筋对节点砼的约束，依据经验分析节点受力情况，预报滑移的可能性。
在托换板中轴线附近选四条TN胶锚筋，各安装布置一个钢筋应变计来监测销栓钢筋的应力状况，通过应力状态预报节点滑移的可能性。
在旧桥墩柱侧面与托换厚板顶面安装2个百分表监测节点滑移量。
6.2.5被托换桥墩柱的应力监测。
在托换板顶面标高以上桥墩柱选取一个截面，布置4个砼应变片，监控托换过程中桥墩柱的附加应力，根据应力监测情况，可以判断被托桥墩是处于均压还是偏压，如偏压严重则调整千斤顶加载消除偏压现象，以免墩柱受偏压过大产生开裂。
6.2.6托换板的应力监测
在托换板最大弯矩截面上，沿梁两侧面高度各布置5个砼应变片。
监侧托换厚板的工作应力状态和抗裂性能，通过梁侧的应力状态还可以判定托换板有否受到平面外扭矩作用，如有可通过调整千斤顶给予消除。
6.2.7托换厚板斜截面应力监测
依据以往的试验结果，托换厚板的破坏最大可能表现为桥墩柱附近板腹的剪切破坏。
在厚板侧面，沿厚板腹剪应力方向各布置四个砼应变片，监测大梁斜截面的应力变化。
6.2.8托换厚板挠度监测
托换厚板挠度的监测，采用在梁顶面双侧放置足够刚度的简支工字钢梁，每个钢梁与板面之间布置五个百分表，监测厚板的挠度变形，一边采用位移传感器，一边采用人工读数的方法监测，整个施工过程中，托换厚板的挠度应在安全范围内。
6.2.9千斤顶行程的监测。
在托换加载过程中，由于每个千斤顶下的支承桩沉降各有差异及被托换桥墩的钢筋可能由于冷挤压套筒的套住（套住钢筋接长在加载中未挤压）而和车站顶板有连接，造成各千斤顶的行程有差异。
如出现这种情况，在托换厚板有可能出现平面外扭转、倾斜，使桥墩柱产生附加压力。
通过监测千斤顶的行程并根据监测情况调整千斤顶顶力，可消除这一现象，共采用6个百分表对Q1~Q6千斤顶行程进行监测。
6.3监测控制标准
各项数据的控制标准见下表
项目
标准
新桩沉降稳定
沉降速度小于0.1mm/h
新旧节点出现滑移
滑移变形量大于2mm;滑移量和加载直线斜率出现突变;节点箍筋应变值达到100με以上;锚筋应弯有突变。
柱受偏压
柱上四侧面上的应变不均匀，甚至出现拉应变
被托换柱沉降范围
±5mm
6.4监测频率
各施工阶段的监测频率见下表
施工阶段
监测频率
钻孔桩、挖孔桩施工阶段
1次/天
凿除承台托换阶段
1次/30min
车站基坑开发阶段
1次/天
后续阶段
1次/5天
量测结果除钢筋应力测点在施工中被破坏，不能恢复，无监测数据外，各项测值均在允许值范围内，特别是量测的重点A4、B4墩，沉降控制5mm以内，偏移控制在3mm内。
7结论和体会
（1）主动托换方案比被动托换在动荷栽条件下更加安全、可靠，但主动托换的托换时间长，相应成本比被动托换也大一些。
（2）主动托换的关键一是支撑体系要牢固，特别是支撑桩设计一定要考虑周全，确保托换支承体系的受力和整体稳定性；二是托换结构体系设计要考虑充分，托换板的设计要考虑周边环境因素；三是要以监控量测指导施工。
（3）托换施工中要进行长期监控量测，以信息化量测指导施工，才能确保安全。
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