目前，在地铁工程中，对于桩基托换保护的研究很多，主要集中在盾构区间穿越高层建筑地下室桩基础或盾构区间隧道穿越人行天桥桩基等桩基托换方面进行研究、总结。文章以北方某市在建地铁盾构叠落区间穿越三根市政桥梁桩基托换为例，提出基础托换、地面支顶、地基加固人工截桩的设计方案，对桩基托换施工步序及关键技术进行分析，为以后类似工程设计提供参考。
1 工程概况
1.1 盾构区间概况
河梁街站～河松街站区间位于哈尔滨市道里区，自河梁街站（地下二层明挖站）大里程端出站后沿哈药路下方向南敷设，后在哈药路与前进路交叉口处右转沿前进路下方铺设，最终到达河松街站（地下三层明挖站）。区间进入前进路后，由于现状道路较窄，区间左侧为市政高架桥，右侧为待开发地块基坑（钢板桩及锚索已实施），因此，区间左右线在前进路段由平行设置变为上下叠落，在里程CK35+347.577～CK35+352.789处正穿前进路高架桥D52’桥墩，该桥墩下方三根桥桩位于盾构区间结构范围内，由于车站修建过程中，此区域内地面交通中断，为不影响周围居民的出行，该市政桥梁须保持畅通并利用该桥进行区域交通疏解，以此满足附近居民生活需求。因此，需对区间正穿3根桩基进行桩基托换，并凿除侵入盾构区间结构的现有桥桩（见图1）。
1.2 既有前进路高架概况
前进路高架桥为城市快速路、城市A级桥梁，道路等级为城市快速路，始建于2000年，交通设计使用年限为20年。本段桥梁桥宽13m，为单幅三车道，含两侧各0.5m防撞栏。采用三联五跨横向预应力钢筋混凝土连续梁。下部均为桩柱式桥墩。区间在河鼓街与前进路交叉口正穿前进路高架桥D52’墩柱下桥桩，需对现有桥桩进行桩基托换。桥D52’墩柱下现有4根桥桩，桩径为1.2m，桩长为33m，桩主筋为20@Φ28（为保证盾构刀盘安全，建议采用先截桥桩后推盾构）。已收集资料未说明该桩的类型，根据桩长、持力层等判断该桩为端承摩擦型桩，持力层位于7-2中砂层。桥D52’墩柱下承台尺寸为5.4m（长）×5.4m（宽）×2m（高），埋深0.69m，承台底部土层为杂填土（见图2～图4）。
前进路高架桥桥设计荷载标准为：快车道，汽-超20、挂车-120；慢车道，均布荷载3kPa，汽-15验算；人群荷载小于3.5kPa。
桥桩托换是采用主动托换体系，托换时通过千斤顶对新桩和托换体系施加荷载，在外加力的作用下，使上部荷载分级、分步转移到新加的托换桩上，同时通过预加荷载，可以消除部分新桩和托换体系的变形，使托换后桩和结构的变形控制在很小的范围内。
为保证前进路高架桥桥桩的安全及正常运营，在盾构区间施工前，应对既有前进路高架桥现状进行全面的调查评估，并据此制定安全的施工技术措施，严格按照“先加固、后施工”的顺序进行。由于本区间为左右线上下叠落走行区间，施工时建议先施工下行区间，待下行区间施工完毕后，通过洞内预留注浆孔或地面加固的方式对上下区间层间土进行加固。后施工上行区间，上行区间施工过程中，为保证下行区间结构安全，建议在下行区间内采用移动式支撑台车，随上行区间边施工边保护方法保证既有结构自身安全。
2.1 桩基托换及截桩施工步序
第一步：施工围挡，管线改移后，浅挖小基坑至既有承台表面，清理平台表面，施工地面支顶。
第二步：施做托换桩，浇筑托换桩至新承台底面处，并预留钢筋接头.
第三步：采取旋喷桩加固及冷冻法加固既有桥桩周围土体（冷冻法只加固需截除桥桩的周围土体）。
第四步：开挖基坑，浇筑新建承台，完成新承台与既有承台的植筋、新建承台与新建桥桩的连接。
第五步：新建承台达到设计强度后，沿区间纵向方向开挖新施作承台下需截桩部分土体，并向下施工人工挖孔桩（孔壁采取玻璃纤维筋混凝土），从上向下依次截除区间范围内桩体。
第六步：采用C15混凝土回填人工挖孔桩、地面以及承台下基坑。区间盾构掘进通过。待桥梁监测数据稳定后，拆除地面支撑。
2.2 钢管地面支顶及顶升
开挖桩基托换基坑时，开挖至D52’桥墩下方承台位置，开始进行支顶构件安装。钢管柱设立在原承台上，支撑体系采用底部承台，中部钢管柱，柱上方架设工字钢横梁，横梁上方架设支顶工具及测量工具的方式进行支顶施工。为确保钢管支撑的稳定性，根据高架桥上部桥梁尺寸，沿道路纵向设置三根钢管支撑，间距为1.95m，沿道路横向在桥墩左右两边对称设置钢管支撑，每跟钢管撑的长度为5.1m。
（1）顶升设备安装。钢管支撑安装完成后，按设计要求在工字钢横梁上安装顶升设备，为保证顶升施工中箱梁结构安全，顶升过程控制采用计算机控制液压同步升降系统，安装的顶升设备主要有：千斤顶、限位装置、压力传感器、位移传感器及数据采集分析及备份系统。
（2）顶升施工。顶升设备安装调试完毕后进行顶升施工，按设计要求，同一盖梁下箱梁同时进行顶升，用钢板将箱梁与原支座位置空隙楔紧、千斤顶卸载。顶升施工时，各千斤顶同步施加顶力，采用计算机控制液压系统达到同步升降。通过限位装置控制顶升高度，采用位移传感器监控顶升是否达到预计量，全过程作好顶力及位移的记录，为保证顶升过程桥梁安全，需相关部门协调在异型板顶升过程中，对高架桥主路实施限载，减少车辆动载对顶升的影响。
2.3 监测方案
为保证高架桥的安全，在箱梁支顶施工中，须制订严格的监测方案，实施中根据需要加强监测，为箱梁支顶及区间开挖施工提供科学的依据，指导地下施工。
（1）箱梁、桥墩和地表监测。监测项目：墩身垂直位移（沉降）、墩身倾斜观测、箱梁水平位移、箱梁裂缝观测、箱梁挠度变形监测、桥墩周围地表沉降监测。①墩身垂直位移监测。在车站基坑开挖施工期间对箱梁区域桥墩进行沉降监测。墩身上布设沉降观测点。在箱梁支顶期间对原有监测点进行继续观测既可；②墩身倾斜观测。每个墩身上布设4个点，监测点所用材料为与全站仪相匹配的反光贴片。每次观测将全站仪架设于同一固定位置，分别对墩身4个方向进行倾斜观测；③箱梁水平位移。为观测箱梁在支顶后是否发生水平位移，在箱梁上贴反光片，用全站仪对其进行观测。观测方法与墩身倾斜观测相同；④箱梁裂缝观测：选几条裂缝宽度0.2～0.4mm进行观测，在每条裂缝上选三处抹石膏板，并且在裂缝端头用彩笔标出位置。箱梁调整的过程中，每天进行2次观测，若发现裂缝有发展及时请三检所进行裂缝宽度检测；⑤箱梁挠度变形监测：在箱梁相应位置凿出箱梁内部钢筋，在钢筋上布设钢筋计，再用混凝土封闭，恢复原状。通过对箱梁钢筋受力情况的监测来撑握箱梁的变形；⑥桥墩周围地表沉降观测：在桥桩承台周围地表布设沉降点，在支顶完成后，加强对周围地表沉降监测并与桥桩沉降数据对应分析来掌握箱梁区域沉降情况。
（2）支撑体系力学监测。支承体系力学监测项目：支顶点压力、钢管基础沉降、钢管挠度变形。
桥梁墩台允许沉降控制值小于等于10mm，纵向相邻桥梁墩台间差异沉降控制值小于等于5mm，横向相邻桥梁墩台间差异沉降控制值为2mm/d，承台水平位移控制值为3mm。
2.4 注意事项
（1）整合既有人力、物力资源成立必要的协调机构和协调制度。并制定信息通报制度，提前发现危险征兆并积极采用应对措施。
（2）基础托换及隧道穿越前，应积极与市政有关部门协调，充分做好穿越前的准备和保护工作，编制完善的施工组织方案和应急预案，且施工前应对施工穿越方案和应急预案召开专家审查会审查后再施工。
（3）做好地下勘探工作，防止施工过程中意外情况发生。在施工前，应请专业地下勘探部门对穿越地段做详尽细致的勘探，彻底摸清地下障碍物的分布情况，做好充分准备，排除穿越过程中的意外因素。
（4）认真分析地质资料，做好超前预报：对地质情况不明的地段一定要进行补勘，进一步了解土层的情况，做到心中有数。
（5）施工前对桥梁现状进行评估，并记录原始资料。
（6）施工前必须进行现场试验，以确定旋喷及冻结加固的各种参数；施工中严格按要求执行加固工艺。
（7）加强施工管理，严格按标准化、规范化作业，施工中要经常分析土质变化、围岩参数，遇到可疑情况及时分析，不得冒进，加强地表沉降监测以指导地下施工，根据地表沉降情况，及时施工参数。
3 计算分析
根据勘察报告及相关规范，地层及结构参数取值（见表1）。
表1 围岩物理力学参数表
地层编号岩土名称重度kN/m3C（kPa）Φ（度）泊松比u 2-1粉质黏土18.619.013.40.31 2-2粉砂18.40.328.00.31 2-3细砂19.80.128.50.30 2-4中砂19.70.031.50.29 7-1粉质黏土19.425.510.60.32 7-2中砂20.00.033.10.28 8-1全风化粉砂质泥岩20.80.27 8-2强风化粉砂质泥岩21.20.25
根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）表5.3.5-1及表5.3.5-2，提供各土层泥浆护壁q钻孔桩的极限侧阻力标准值qsik、桩极限端阻力标准值pk 及抗拔系数λ的建议值，供设计时参考选用，桩设计参数（见表2～表3）。
3.1 单桩承载力计算
单桩竖向极限承载力标准值按《建筑桩基技术规范》（JGJ94－2008）公式5.3.5公式估算：
式中：qsik—桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；
qpk—极限端阻力标准值。
根据已有勘察资料，查出各土层桩基设计参数。本次计算单桩承载力考虑到盾构掘进时对土体的影响，忽略了受影响土层的桩基侧摩阻力。桩基设计长度为50m：
即新建桥桩单桩极限承载力标准值为16067kN，单桩极限承载力特征值为8033kN。
3.2 桩基竖向承载力计算
计算过程中，取D52’桥墩左右各半跨桥梁作为研究对象，根据哈尔滨市市政工程研究院提供的前进路高架桥（延长段）资料，上部桥梁长度为24m，高架桥上部（桥面、桥墩、承台）荷载共37000kN，桥面车辆荷载为2747kN，人群荷载为75.28kN。计算新承台荷载为385kN。上部土体荷载为1693.8kN。即新建桥桩上部荷载为41901.08kN。
表2 桩基设计参数表
地层编号地层名称泥浆护壁钻孔桩极限侧阻力标准值qsik（kPa）极限端阻力标准值qpk（kPa）抗拔系数λ 2-1粉质黏土630.73 2-2粉砂320.50 2-3细砂350.55 2-4中砂6010000.60 7-1粉质黏土644500.75 7-2中砂7015＜L＜30 16000.65 8-1全风化粉砂质泥岩10016000.76 8-2强风化粉砂质泥岩14022000.76
表3 结构参数表
砼标号密度（ρ）（g/cm3）弹性模量（E）（GPa）泊松比（μ）备注桥桩C302.5300.2既有桩C25喷射砼2.5230.2边坡支护C30钢筋砼2.5300.2托换桩、基础C20素砼2.325.50.2回填部位
由于盾构区间及上部桥墩的原因，新建承台为偏心受压构件，因此计算桩基竖向承载力时要符合下列要求：
轴心竖向力作用下：
式中：NK―荷载效应标准组合轴心竖向力作用下，桩基的平均竖向力；
R―桩基竖向承载力特征值；
偏心竖向力作用下，除满足上式外，尚应满足下式的要求：
式中：NKmax―荷载效应标准组合偏心竖向力作用下，桩顶最大竖向力；
R―桩基竖向承载力特征值；
由此计算出NK=6983.5kN≤8033kN，满足要求。
偏心竖向力作用下桩基竖向力：由此计算出NKmax为9184.5kN≤9639.6kN，满足要求。
3.3 计算分析
（1）计算模型。桥D52’墩柱下承台尺寸为5.4m（长）×5.4m（宽）×2m（高），埋深0.69m，承台底部土层为杂填土，既有桩桩径1.2m，桩长33m，桩底持力层位于7-2中砂层。新承台尺寸为14m（长）×10m（宽）×4m（高），埋深4.69m，承台底部土层为2-3细砂层，托换桩为6根钻孔灌注桩，桩径0.75m，桩长50m，为端承摩擦桩，桩底持力层位于8-2强风化粉砂质泥岩层。区间为6m直径盾构隧道，上行区间拱顶埋深约10.43m，下行区间拱顶埋深约18.86m。
本计算采用Midas GTS NX软件建立计算模型，共划分了24318个实体单元，地层计算设置大变形，三个模型整体网格划分（见图7），全部单元采用实体单元，土层参数根据地勘报告选取，土体采用摩尔-库仑弹塑性本构模型，新建及既有结构均采用线弹性本构模型。
边界条件的选取时除了顶面取为自由边界，其他5个面均采取法向约束。
（2）计算分析。施工步序为先托换盾构后穿越，盾构穿越中，先施工下行区间，后施工上行区间。模拟计算严格按照施工步序进行。
从云图上可以看出，随着盾构区间下行线及上行线掘进，桥桩的最大主应力及最小主应力绝对值不断增大。在初期下行线盾构掘进和上行线掘进后应力有一定的变化，后期施工应力增长较小。盾构区间掘进时，土体Y向位移变化数值较大，因此应严格控制盾构掘进速度。上下行区间均穿越托换体后，引起托换桥桩水平方向的位移约4.32mm，竖直方向的位移约4.29mm，纵向相邻墩台间差异沉降约2.26mm。能够满足桥梁变形控制最小位移值。但施工过程中仍加强监控量测，以现场监控量测知道施工、设计。
3.4 成功案例
广州地铁3号线沥滘～夏滘区间桩基托换实例。广州市轨道交通三号线沥滘站-厦滘站区间经过部分民房。共有20根桩基础进入隧道平面。本设计采用主动托换体系。托换桩为钻孔灌注桩，托换梁采用钢筋混凝土梁。在隧道结构线外1m范围外设置φ800mm灌注桩。承台两侧设置梁，承台和梁之间进行植筋处理。目前三号线已运营多年，经长期监测结果表明，结构使用安全。
（1）采用基础托换方法，可保证结构受力安全，避免了拆迁或线路绕避举措，在不大幅提升造价及降低使用便利性的基础上，有效解决了复杂环境中对盾构工程实施的限制，推动了盾构技术的广泛应用。
（2）盾构叠落区间隧道按照施工工序建议先施工下行区间，待下行区间施工完成后再施工上行区间。上行区间施工前需对上下行区间间层间土进行预加固及对下行区间采取移动支架支顶保护措施能有效的保证结构安全，为以后其他工程提供了经验支持。
（3）盾构叠落区间范围内由于既有桩基钢筋直径较大，需采取人工截除。桩基位于托换体下方，截除前需对该范围内土体进行加固，但由于此地操作空间较为局促，对于在狭小空间内如何保证加固体满足设计要求及施工安全需要进一步研究。我公司生产制造建筑隧道机械、地铁钢管片。
