复杂主动托换结构方案设计

黄思勇，罗昊冲，熊 刚

(天津市市政工程设计研究院 滨海分院，天津 300051)

0 引言

基础托换的目的是为了对既有建筑结构物进行加固、纠偏、加层、扩建、移位等，此项技术虽有实施难度大、费用高、施工周期长等特点，但有时非此举不能解决问题，故已广泛应用于地下建筑和地铁工程建设中［1］。

早期的托换技术一般分为补救性托换、预防性托换和维持性托换三种类型。早期的托换工程之一是英国的Winchester大教堂，在托换加固之前已经持续下沉了900年。由潜水员在水下挖坑，穿过泥炭和粉土而到达砾石层，用混凝土包填实而进行基础托换。近代托换技术则是在20世纪30年代兴建美国纽约市的地下铁路时得到迅速发展。

城市在走向大型化和现代化的进程中，为了解决交通压力，世界各地大量兴建城市轨道交通和地下隧道工程。这些地下建筑往往要穿越部分高层建筑或重要的历史建筑物，这就需要对既有建筑物的基础进行托换加固，以满足新建轨道交通或地下隧道的使用功能［2］。这种托换工程一般由托换大梁和托换桩基两部分组成，通常称为功能性托换。

1 外托换结构应用现状

1.1 典型工程示例

日本京都车站新干线区桩基托换工程，以及德国慕尼黑地铁双轨快速地铁线路依萨尔门建筑托换工程均成功实现了托换技术。

国内托换技术起步较晚，但近年发展迅速。典型的托换工程有广州地铁站、深圳地铁穿越百货广场和穿越广深铁路桩基托换工程等［3-4］。深圳地铁的百货广场托换工程，托换轴力达18 900 kN，为目前托换工程最大轴力［5］。

这几项托换工程所用托换结构均为简单的扁担式结构，即采用两根托换新桩和一根托换大梁托换一个墩柱或一组桩基，结构体为静定体系，受力明确，变形易于控制。见图1。

图1 典型的扁担式托换结构示意

1.2 基础托换分类

基础托换的主要机理体现在新桩和原桩之间的荷载转换，要求在转换过程中托换结构和新桩的变形限制在上部结构允许的范围内。基础托换通常有主动托换和被动托换两种不同的托换机理。

主动托换适用于需托换的建筑物荷载大、变形控制较严格的情况。这类被托换的结构往往需要通过主动的变形调节来保证变形要求，即在既有基础切除之前对新桩和托换结构施加荷载，使需要托换的桩或柱在上顶力的作用下，随托换大梁一起上升，从而克服由于托换大梁刚度不足可能产生的上部建筑物较大的沉降。同时也通过预加荷载消除部分新桩和托换结构的变形，使托换桩和结构的变形可以控制在较小的范围。由此可以看出，主动托换机理的变形控制具有主动性。

被动托换是指托换结构荷载小，变形控制要求不严格，依靠托换结构自身截面刚度消能的情况。可以在托换结构施工完成后再将托换桩切除，直接将上部荷载通过托换梁传递到新桩，而无需采取其它调节变形的措施。托换后既有建筑物及托换结构的变形不能再进行调节，上部建筑物的沉降由托换结构承受变形的能力控制，变形控制为被动适应。

2 工程概况

天津滨海新区中央大道工程是滨海新区中心商务商业区的南北向中轴线道路，设计标准为双向8车道城市主干道，新港四号路地道是中央大道贯通开发区和塘沽区的重要节点工程［6］。地道位于南海路和四号路交叉口，由北向南依次下穿新港四号路、津滨轻轨高架桥、进港二线铁路和大连东道，此四项被跨物间距均为30 m左右，地道全长629 m。地道东北侧为泰达时代小区，西北侧为华纳高尔夫球俱乐部，南侧均为天津碱厂卤水池。本工程的难点是对津滨轻轨高架桥的处理。

津滨轻轨是沟通中心城区与滨海新区的交通大动脉，四号路地道所在位置轻轨高架桥上部结构采用连续梁，基础为钻孔灌注桩接钢筋混凝土承台和矩形桥墩(图2)，梁底距地面约为7.3 m。因高架桥A339和A340墩的阻碍，地道无法正常穿越高架桥。

图2 轻轨现状位置示意(单位:m)

3 传统地道方案

因津滨轻轨的特殊性和重要性，穿越轻轨高架桥地道方案的前提条件是保证轻轨的正常运营不受影响。传统地道方案即采用简单的避让思路，地道将双向8车道分成四个分离的箱体分别由轻轨高架桥的4孔间穿越。该方案最大优点是对津滨轻轨没有影响，但其缺点也是很明显的。

1)受津滨轻轨高架桥现状墩柱的影响，传统地道方案需将双向8车道分为4个分离的箱体，即同一方向车辆行驶，也要分成两个箱体。这使得驾驶员在进入地道之前就需判断驶入哪一条地道，影响行车的连续性和舒适性，并且易于造成行车事故。

2)将双向8车道分为4个分离箱体占地面积大，需占用华纳高尔夫俱乐部9 861 m2，占用泰达时代小区3 118 m2，协调难度大，征地费用高。既破坏了周边环境，也会增加拆迁费用。

3)采用多个箱体同时下穿公路和铁路，箱体之间的空隙导致路基软硬间隔，易于产生公路和铁路下的不均匀沉降，影响使用功能。

4 基础托换方案

4.1 地道横断布置

托换方案不同于传统的地道方案，它将高架桥的A339和A340墩进行托换，地道采用整体式箱体下穿。托换结构由2跨连续格构式托换大梁和3排共9根钻孔灌注桩托换桩基组成。托换桩基从地道箱体顶、底板中穿过，之间设置间隙，使托换结构和地道箱体彻底隔离(图3)，确保结构各自受力明晰。

图3 托换方案横断面(单位:m)

4.2 格构大梁组成

托换大梁为两跨连续格构式预应力混凝土结构，跨径为2×18.75 m，梁高2 m，由2根纵梁、5根横梁和顶、底板组成(图4)。传力途径:津滨轻轨高架桥→轻轨墩柱→墩柱底的托换大梁横梁→格构大梁纵梁→桩顶横梁→托换桩基。同一横梁下桩基的布置应尽量使三根桩基反力趋于一致。

4.3 托换方案基础设置

图4 托换结构平面(单位:m)

托换结构共设置3排托换桩基，每排3根。边桩采用φ1.8 m钻孔灌注桩，中桩采用φ2.0 m钻孔灌注桩。因托换结构下需开挖地道，使得托换桩基外露12 m，故边桩有效桩长相应缩短。托换桩基与托换大梁之间预留适当千斤顶操作空间，并在桩顶设置桩帽，以安放顶升用千斤顶。

津滨轻轨高架桥墩柱的轴力大，梁柱接头承受的剪力大，且轻轨A339墩为制动墩，墩顶传递下来的水平力大，致使接头受力更为复杂，所以墩梁固结点的处理是托换工程的一个关键。

4.4 施工工艺与施工监控

确定科学的施工工序、施工工艺及实时监控措施是保证主动托换成功实施的关键因素。主动托换工艺配合实时监控，以使托换每一个托换结构在每一个阶段的受力和变形都处于可控状态之下。

整个的托换工程可分为3个施工阶段:第一阶段在地道施工前施筑托换结构;第二阶段进行桩基托换，将原结构桩基上的荷载经托换梁转移至新桩基;第三阶段组织地道的施工，待地道开挖、全断面通过桩基托换区且托换结构及周边环境的变形基本稳定后实现托换梁与托换新桩间的连接，使托换结构形成整体，完成基础托换。

4.5 托换方案技术特点

1)采用9根超长灌注桩承托两跨连续格构式大梁，同时托换两根轻轨墩柱构成的多次超静定空间结构体系，不同于传统的“扁担式”基础托换结构。结构力学模型复杂，给托换荷载的调整和位移控制带来很大的难度。

2)津滨轻轨 A339墩为制动墩，A340墩为连接墩，两根墩柱的受力特点相差较大，两个墩均在轻轨曲线上，托换结构受力性能复杂。

3)桩基托换轴力大，需要托换的两个桥墩的轴力共约14 000 kN，轻轨线路不设加固措施，列车动荷载对托换施工影响大，施工风险大。

4)津滨轻轨是天津中心城区和滨海新区重要的出勤工具，托换施工不能影响津滨轻轨的正常运营。因此托换施工必须始终在安全和可控的状态下进行，这就要求施工过程中需严格控制轻轨桥墩沉降值、上拱值、邻近墩沉降差及纵向位移值。横向位移差引起相邻墩柱桥面处轴线间的水平折角以及新桩间的沉降差限值也应严格控制。

5)采用的摩擦桩沉降缓慢，加上考虑混凝土的收缩徐变的影响，所以托换监测周期长，对托换结构监测系统智能化程度要求高，对数据采集存储分析的软件功能要求强。

5 结语

1)现代城市正在不断向地下空间发展，这必然涉及部分建筑物需要改扩建。在遇到大量复杂的桩基时，托换技术的应用表现出明显优势。而托换技术的广泛应用，又反过来推动基础托换设计和施工技术趋于规范化和标准化。

2)天津滨海新区中央大道四号路地道采用基础托换方案，可以避免地道箱体分离，提高了中央大道整体行车舒适度，缩小了征地面积，避免了对周边已有建筑的破坏，取得了经济效益和社会效益的双丰收。

3)格构梁体系托换结构不同于传统的扁担式托换结构，受力复杂，变形控制难度大。本托换工程需要同时托换津滨轻轨高架桥的一个连接墩和一个制动墩，且托换施工需在津滨轻轨正常运营的情况下进行，因此需要严格控制高架桥墩顶沉降值，给设计、施工和监测带来难度。

［1］卜建新，孙宁，柯在田.桩基主动托换技术进展［J］.铁道建筑，2009(4):73-77.

［2］王士哲，段树金，曹敬鹏.桩基托换结构的动力分析［J］.石家庄铁道学院学报，2009，22(3):53-56.

［3］柯在田，高岩，张澍曾.深圳地铁大轴力桩基托换模型试验研究［J］. 中国铁道科学，2003，24(5):15-22.

［4］杨虎荣，柯在田，邓安雄.大轴力桩基托换检测分析［J］.中国铁道科学，2004，25(3):44-49.

［5］高俊合，张澍曾，柯在田，等.大轴力桩基托换梁柱接头模型试验［J］.土木工程学报，2004，37(9):62-68.

［6］黄思勇，熊刚，罗昊冲，等.津滨轻轨基础托换桩基承载力的自平衡试验［C］//全国既有桥梁加固、改造与评价学术会议论文集，北京，2008:259-263.