古桥“架立”与“托换”

辛海京，吴佳顺

（1.中建一局华江建设有限公司，北京 100071；2.中交第一公路工程局集团喀麦隆总项目部，北京 100020）

0 引 言

近年来，建筑业发展迅猛，建筑物改扩建、改造项目明显增加。北京大学承泽园教学科研楼施工现场内有一座古桥，在古桥下要进行大开挖，建造地下车库。而应甲方及相关部门要求，古桥属于文物，不能拆除，需要加以保护。如何在保证古桥结构稳定的情况下通过采用新技术进行古桥下土方开挖和建造地下车库施工这是本文要讨论的课题，也是建筑物施工与文物保护冲突时出现的较为现实的问题。如果将施工区域绕过古桥，那样将使教学科研楼建筑面积明显减少，将影响所建建筑物使用功能。为此，需要将古桥“架立”起来，在桥下完成挖土和地下车库结构的施工等。

1 工程概况

所建工程位于北京大学校园承泽园内，在基坑北侧施工范围内，存在一座古桥。古桥由块石堆砌而成，东西宽约 10 m（基础宽度），桥面标高为 -1.120 m，底板顶标高为 -3.800 m，古桥板厚约 0.4 m；古桥北边基坑支护单位施工长螺旋钻孔灌注桩，古桥北边古桥下部为人工挖孔桩，长螺旋钻孔灌注桩和人工挖孔桩径为800 mm，古桥东西两侧为灌注桩，桩上部为水平钢管和工字钢斜支撑，桩顶为冠梁。古桥北侧为古庙门头，古桥距今有 300 多年的历史，是国家文物，要对古桥进行保护，由于古桥北边有一部分在基坑范围内，在开挖基坑前需要先对古桥进行“架立”及托换。古桥平面图如图1 所示，古桥立体图如图2 所示。

图1 古桥托换工程平面图（单位：mm）

图2 古桥托换工程立体图（单位：mm）

2 施工重点、难点分析

要“架立”的古桥为石块堆砌而成，结构松散，对基础变形十分敏感，根据本工程特点，对重点、难点分析如下。

1）托换钢管梁成孔施工。古桥基础位于级配砂石层上，古桥 400 mm 厚石板下部有木桩［1］（可能是古人为了防止古桥下沉而设置的竖向承重构件），要做水平向钢管梁成孔，需要穿过级配砂石层和木桩，古桥宽度为 10 m，钢管梁直径为 273 mm、长度为 12 m 左右，钢管成孔比较困难，对钢管梁水平度要求高，并且施工中对古桥允许沉降值仅仅为 30 mm，这是工程难点之一。

2）人工挖孔桩桩底标高在地下水位以下，层间地下水流入桩内难以成孔；此外，在古桥下空间仅有 3～3.5 m 高，桩深 12.3 m，无法吊装钢筋笼，施工难度大。同时，北侧边坡支护结构为钻孔灌注桩，但灌注桩距离古桥北侧过近，桩机械无法施工，因此古桥北侧采用人工挖孔桩施工，古桥两侧均为灌注桩。人工挖孔桩桩深很大，桩尖超过地下水位，地层中含有层间水，要防止周边地下水流入人工挖孔桩，可每次下挖 1 m，然后做混凝土护壁，并掺加速凝剂，同时将水泵放入桩内抽地下水，以免孔内发生塌方，对施工速度控制要求十分严格，以确保人工挖孔桩安全，这是工程难点之二。

3）古桥“架立”后，小挖土机要在钢梁下挖土、倒运土，作业空间高度只有 3 m，作业环境十分有限，施工较为困难，需要人工和挖土机配合，共同开挖，这是工程难点之三。

3 施工技术创新

3.1 古桥“架立”与“托换”的整体思路

要想保留有 300 多年历史的古桥，从而在古桥下挖土，进行地下车库的施工，就必须将古桥“架立”起来。架立结构承受古桥全部重量，架立结构体系将古桥整体“托”起来后，可在古桥下进行挖土方、地下车库基础和主体结构施工作业。本工程“架立”结构体系包括竖向灌注桩施工、水平向钢管梁施工、钢管梁上部南北向冠梁施工、钢管下部工字钢支撑焊接；“托换”结构体系包括古桥北端钢筋混凝土墙、钢格栅加固、古桥下人工挖孔桩施工、桩顶冠梁施工、古桥基础外侧锚索施工等。

3.2 古桥架立体系的施工步骤

在古桥两侧沿南北方向施工竖向灌注桩→水平方向东西向施工直径为 273 mm 钢管梁→钢管梁上部南北方向冠梁施工→古桥下部挖土方→焊接钢管下部工字钢支撑→古桥北端 750 mm 厚钢筋混凝土墙加固，内置钢格栅→古桥下北侧人工挖孔桩施工→人工挖孔桩桩顶冠梁施工→注双液浆加固桥底 3.5 m 范围土体→古桥基础外侧第一道锚索施工→第二道锚索施工→地下 3 层结构施工→架设水平剪刀撑→托换结构拆除。古桥托换结构体系如图3 所示。

图3 古桥托换结构体系图

4 具体施工措施

4.1 托换桩（灌注桩）施工技术要求

1）灌注桩施工参数。根据地质条件，优先采用长螺旋成孔工艺。桩身混凝土等级为 C25，混凝土坍落度为 160～220 mm。托换桩主筋采用φ22、φ16 钢筋，加强箍筋为φ16，螺旋箍筋为φ8@200。桩位允许偏差为 50 mm；桩垂直度偏差不宜大于 0.5 %；桩顶处钢筋锚入冠梁长度为 500 mm；混凝土保护层厚度为 75 mm。

2）长螺旋钻孔灌注桩。钢筋笼制作应符合 GB 50204－2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》［2］的规定，长螺旋钻孔灌注桩质量检验标准应符合 GB 50202－2018《建筑地基基础工程质量验收标准》［3］的规定。

3）钻孔弃土的清运。钻孔弃土应及时清运，以避免影响施工速度，弃土的清运应罐装外运，不得污染环境。钻孔弃土清运应采用小型机械，并应与托换桩施工配合进行。桩身弃土清运时应保护桩位放线点，避免桩点移位或破坏。

4.2 水平钢管梁（大管棚）施工工艺

1）开挖工作面。为了使钻机有工作面，土方开挖至托换梁标高下 1 000 mm 时，清理孔口，疏通套管。

2）钻机就位。调整钻机机身，确保钻杆水平放置。由于托换梁要水平穿过级配砂石和木桩，因此采用水平定向水钻套管跟进的方法钻孔。

3）套管准备。由于托梁直径较大，预先加工直径为273 mm 钢套管运至现场，按照水钻成孔工艺施工：先启动水泵，注水钻进，并根据地质条件控制钻进速度，接外套管时，要停止供水，把丝扣处泥砂清除干净，抹上少量黄油，要保证所连接的套管与原有套管在同一轴线上。

4）钻孔施工。钻进过程中随时注意速度、压力及钻杆的平直，直到钻通桥底板基础。

5）安装托换梁。托换梁采用直径为 273 mm 钢管，壁厚14 mm、长度 12 m。在拔出钻杆后，将钢管与外套管连接，将托换梁通过套管穿过桥底。要保证水平钢管梁水平度，施工难度较大，可使用改装后的水平套管钻机，采用少进尺、勤跟进的成孔方法，发现托换梁不水平应及时调整，每天施工完及时填充管内砂浆。

4.3 水平钢管梁下钢支撑施工工艺及措施

4.3.1 施工工艺流程

放线→开挖左侧导洞（北端按 1∶1 放坡留置）→架设左侧斜撑和纵梁→开挖右侧导洞（北端按 1∶1 放坡留置）→架设右侧斜撑和纵梁→开挖中间核心土→架设横梁→北端钢格栅封堵→开挖至人工挖孔桩施工作业面。

4.3.2 施工工艺及措施

1）放线。从古桥南侧向北侧土方开挖，确定导洞范围，靠近核心土侧采用 1∶0.5 临时放坡。

2）开挖双侧导洞。为了防止开挖土方过程中，土方坍塌，采用暗挖法依次开挖两侧导洞，开挖土方时，按照 3.2 m 步距，边开挖边架设工字钢斜支撑和纵横梁。挖到北端后，分步制作北侧 750 mm 厚的钢格栅封堵墙，开挖时尽量减少对中间土和上部托梁的扰动。

3）架设斜支撑和纵梁。水平钢管梁施工完毕并灌浆后，开始在钢管梁下焊接工字钢纵梁及斜向支撑。按设计要求在托换桩安装预埋件，如图4 所示。架设斜撑及纵梁：①斜撑间距 3.2 m，采用双 25 b 工字钢，与纵梁和托换桩连接牢固；②纵梁采用双 22 b 工字钢，纵梁紧贴托梁底部，南北通长布置。斜向支撑一端与钻孔灌注桩上预埋件焊接，另一端与钢管梁下纵、横梁焊接牢固。工字钢斜支撑如图5～6 所示。

4）分段开挖中间土，架设横梁。横梁采用 22 b 工字钢，水平方向东西布置，与纵梁焊接牢固。

图4 斜支撑与托换桩节点图（单位：mm）

图5 工字钢纵、横梁和斜支撑体系 1

图6 工字钢纵、横梁和斜支撑体系 2

5）古桥北端封堵。古桥北端采用 750 mm 厚钢筋混凝土墙加固处理，内置钢格栅，格栅主筋植入托换桩，深度不小于 15 d（d 为钢筋直径）；格栅加工如图7 所示。

图7 钢筋格栅加工图（单位：mm）

封堵施工时，格栅竖向间距 500 mm，分层进行封堵，直至人工挖孔桩开挖工作面为止。

4.4 人工挖孔桩施工工艺

古桥北侧桥下为 750 mm 厚的混凝土墙施工，内插钢格栅，从钢格栅混凝土墙往南 1 000 mm 为一排人工挖孔桩，共 6 根，桩直径 800 mm，深度 12.3 m。从古桥钢管梁下 3.5 m 开始挖，桩与桩中心线距离 1 600 mm。隔桩开挖，即采用跳桩法施工，以防土体产生水平力挤压相邻桩，并浇筑混凝土冠梁，张拉第一道锚索。继续开挖至第二道锚索，同时在中板以上 1 m 位置架设水平剪刀撑一道。开挖至第三道锚索，锁定后，开挖至基坑底部，施工地下结构部分。

4.4.1 人工挖孔桩施工重点和难点

1）人工挖孔桩施工的难点是对不明地质状况的处理，对于地质状况复杂的情形和桩内工作面小，为了安全起见可放慢施工速度。

2）在古桥下开挖人工挖孔桩，空间仅有 3.5 m 高，桩深 12.3 m，无法吊装钢筋笼施工。现场分 4 节制作，每节长 3.1 m，用吊链将钢筋笼放入后，焊接下一节钢筋笼，再人工放入。

3）挖出的土方运走难度较大，土石从桩内吊出后人工转运至场区指定场地。

4）人工挖孔桩桩底标高在地下水位以下，层间地下水流入桩内难以成孔，可每次下挖 1 m，然后做混凝土护壁，并掺加速凝剂，同时将水泵放入桩内，及时抽走桩内流入的地下水，以确保安全。控制人工挖孔速度和钢模板拆模时间，根据土层情况，每天单孔进尺不得超过 1 m。

5）护壁施工。人工挖孔桩护壁配筋与护壁如图8 所示。

图8 人工挖孔桩断面配筋与护壁图（单位：mm）

4.4.2 人工挖孔桩施工工艺要点

严格按照规范要求进行人工挖孔桩的施工，严禁超挖。北侧护坡桩采用人工挖孔桩，直径为 800 mm，护壁混凝土强度为 C 30 同桩身混凝土强度。挖孔时第一节孔圈护壁应高出现场地面 100～200 mm，上下护壁搭接长度不得少于 50 mm。为保证护壁混凝土的整体性，视护壁土质情况，上节钢筋进入下节护壁不得小于150 mm，以免脱节下沉。浇筑护壁混凝土时，用敲击模板及用木棒插实方法，不得在桩孔地下水淹没模板的情况下浇筑混凝土。当第一节护壁混凝土拆模后，即把轴线位置标定在护壁上，并用水准仪把相对水平标高画记在第一圈护壁内，作为控制桩孔位置和垂直度及确定桩的深度依据。施工中要密切注意土层的变化，当遇到流砂、大量地下水等影响挖孔桩安全时，要立即采取有效措施后，才能继续施工。终孔时，必须清理好护壁污泥和桩底的残渣杂物浮土，清除积水。成孔质量标准如表1 所示。

表1 成孔质量允许偏差

1）人工挖孔桩施工中，严禁在坑边堆放建筑材料，防止动载对土体的震动造成原土层内部颗粒结构发生变化。加强对土方开挖的监控。开挖后及时支护，不得在上一段护壁未施工完毕前开挖下一段土方。软土基坑必须分层均衡开挖，层高不宜超过 0.5 m。

2）加强对支护结构监测［4］。甲方请有资质的第三方监测机构对古桥板沉降和基坑北侧灌注桩进行监测，同时项目部内部也加强自测，确保古桥石板下沉量≤30 mm。

3）加强对地表水的控制。减少地表水渗入坑壁土体，基坑顶部四周应用混凝土封闭，施工现场内应设地表排水系统，对雨水、施工用水进行有组织排放。对采用支护结构的坑壁应设置泄水孔，泄水孔外倾坡度不宜小于 5 %，间距宜为 2～3 m，并宜按梅花形布置。

4.5 剪刀撑施工方案

为了防止灌注桩底部受到较大的水平荷载，在古桥下土方开挖至第二道锚索以下、地下 3 层顶板以上1 000 mm 处，设一道水平剪刀撑，起到拉结作用。剪刀撑采用 22 b 工字钢，隔桩布置，剪刀撑与托换桩连接牢固，焊缝高度不小于 6 mm，如图9 所示。

图9 地下 3 层顶板上 1 000 mm 架设水平剪刀撑

4.6 托换结构拆除施工方案

待古桥下地下 1 层顶板施工完毕，可用 C 20 混凝土填充地下 1 层顶板与钢管梁之间空隙，将古桥荷载由托换结构转换到地下 1 层顶板承受后，方可将托换桩进行拆除（托换梁可以保留）。施工顺序为先拆除托换体系钢结构，再切断托换梁和托换桩之间的连接，然后拆除冠梁，并分段拆除托换桩，钢管梁不拆除。

5 结 语

在当今深基坑开挖过程中，文物需要保护，这对施工单位提出了更高的要求，古桥“架立”与“托换”技术的成功应用，既符合文物保护的要求，又对施工过程中遇到问题进行了一次有益的探索和尝试，具有较好的指导作用和社会意义，还为类似工程施工积累了经验，值得进一步推广。