专利名称：隧道穿越河流上方桥梁桩基的箱-筏承压式基础托换及施工加固方法
技术领域：
本发明属岩土及地下工程技术领域，具体涉及一种隧道穿越河流上方桥梁桩基的
箱-筏承压式基础托换及施工加固方法。
背景技术：
随着城市化进程的加快，交通拥堵正成为制约其发展的瓶颈，不断增长的客流量 对上海城市建设的发展提出了更高要求。鉴于轨道交通作为大容量快速交通系统，在整个 城市客流运输中正扮演着越来越重要的角色，世界各主要城市已经把轨道交通网络建设作 为城市基础设施建设的重点，并且轨道交通的建设已经进入了集中发展期。以地铁隧道和 轻轨建设为代表，世界各主要城市轨道交通建设正在进入新一轮的高速发展期。新一轮轨 道交通网络建设的一个显著特点是施工环境日益复杂，新旧线、新建线路之间的交叉、穿越 以及盾构穿越既有构筑物等问题将更突出。尤其是当盾构穿越建筑物、桥梁等结构时，往往 会遇到打入深度较深的桩基，这对盾构推进形成障碍，增加了施工的难度。随着对施工技术 要求的提高，这些复杂问题的妥善解决及其相关关键技术的研究必然就显得格外重要且有 意义。 针对盾构施工穿越河流上方既有运营公路桥梁的案例，河流上方桥梁的桥墩、桥 台均采用桩基础支撑，桩的入士深度已经贯穿了地铁区间隧道断面，导致盾构在该处推进 时，故必须对桩基进行拔除或切断等处理，尤其是桥梁所在位置建筑物密集、施工场地有 限，加之施工期限颇为紧迫，故急需创造出一种新的施工方法，在确保既有桥梁结构安全营 的同时，保证工程得以安全、经济、高效地实施。 国内外在盾构施工中碰到类似情况时，往往采取整体拆除桥梁结构的方法，而为 了保证地面道路交通的顺畅，必须另外搭建临时替代桥梁。因此，通常的施工顺序为首先， 拆除旧桥，将桩基拔除；与此同时，搭建临时替代桥梁，将地面道路交通改道，然后实施盾构 推进；施工结束后，修建新桥，并最终拆除临时桥梁，以恢复原有交通。虽然该方法在施工规 模较小、影响交通时间较短时可行性较大，但是存在的不足之处为(l)对工期、造价以及 周围环境有较高要求；(2)需要拆除两座桥梁、建造两座桥梁，不但费时费力，造价也非常 昂贵；(3)对于要求交通不能受到影响的重要地段，该方法会对地面交通产生较大影响，带 来负面社会效应；或者当不能另辟空间新建临时桥梁的时候，使得该方法的应用往往受到 诸多限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种隧道穿越河流上方桥梁桩基的箱_筏承压式基础托 换及施工加固工法。 本发明提出的隧道穿越河流上方桥梁桩基的箱-筏承压式基础托换及施工加固 方法，包括桥梁两侧桥台地基加固、围堰施工及桥基范围外河床加固、桥下支撑加固、围堰内桥下基坑开挖、基坑内扩大板式基础及板下地基加固、盾构推进及障碍桩基切除；具体步 骤如下 (1)桥梁两侧桥台地基加固 通过地基加固形成重力式挡墙，地基加固采用三重管法的高压旋喷桩加固，在旋 喷桩挡墙内外排桩身内插H型钢，其中靠近桥梁的内排桩"每桩插一"、外排桩"跳一插一"， 为避免影响盾构掘进，在盾构隧道区域的内插型钢底标为盾构顶标高上方0. 50m ;H型钢上 部采用钢筋混凝土冠梁连成整体，内外排冠梁间每隔3. 6m设400X400系梁相连，内排冠梁 与桥台支座密贴，使桥面板梁能作发挥水平支撑的作用；
(2)围堰施工及桥基范围外河床加固 在河床上施作拉森钢板桩、在钢板桩之间回填土、待围堰合拢后铺设临时排水管、 抽水后对桥梁两侧河道内靠近桥边沿各布置两排高压旋喷桩、对桥梁四个角点处进行压密 注浆加固并形成闭合维护；
(3)桥下支撑加固 支撑施工前首先要在桥墩或桥台上安装支撑部位预先进行"植筋"(每根型钢每端 植入2根)先用专用钻机(何谓专用，不确定)在桥墩或桥台相应位置打钻孔洞，随后注 入胶水，最后将预先准备好的螺纹钢筋插入。待钢筋与桥墩或桥台完全粘结为一体后在外 露钢筋端焊接钢板。利用人工配合千斤顶将钢管吊装至预定位置，焊接到钢板上；
(4)为了保障筏板基础托换的施作空间并确保板下地基加固时机器设备的操作空 间，需要在围堰内桥下基坑开挖，并开挖到设计深度；
(5)基坑内扩大板式基础及板下地基加固 桥下基坑土体开挖到设计深度后，然后进行基坑内扩大板式箱筏基础及板下地基 加固，即可进行底板混凝土基础的施工，于此同时，也对桥墩和桥台下开挖暴露出来的桩基 包裹一层钢筋混凝土层形成隔墙，并与底板、上部桥梁结构形成箱形结构，构成新的受力体 系，实现将荷载由桩基转移到筏板基础上； (6)扩大基础底板及隔墙整体完成后，河床上软土的地基承载力较低，扩大基础底 板下的土基必须加固，桥下加固区域为桥面垂直投影范围，采用旋喷桩在该区域满堂加固， 同时，考虑到下一步盾构还需要从筏板下穿过并将障碍桩基切除，故扩大基础底板下的土 基必须加固，在施工筏板时，在其上还预留了相应的注浆孔；
(7)盾构推进及障碍桩基切除 底板托换完成并对筏板下土体进行加固后，盾构便可继续推进，直至遇到桥台下 桩基；桩基的切除可采取在盾构刀盘上安装相应的切削刀具，使得刀盘可直接切削桩基。
本发明针对盾构穿越桥梁桩基这一实际难题提出了新的解决方案——箱筏承压 式基础托换及盾构机内除桩的工法，即在保证既有桥梁结构使用功能的前提下，通过一系 列施工技术裁处桩基，达到盾构顺利推进的目的。新的解决方案的研究和实施不仅是对旧 的解决方案的突破和革新，而且也符合我国地铁建设新形势的需要，同时也有利于提高地 铁建设水平，对盾构穿桩时的地基加固技术、托换技术和除桩技术等都有较大的促进作用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是即在保证既有桥梁结构使用功能的前提 下，通过一系列施工技术裁处桩基，达到盾构顺利推进的目的。在整个施工过程中，能综合 考虑上部桥梁结构、基坑、围堰和隧道结构等几大体系之间的相互作用。并可有效降低施工风险、加快施工进度、降低造价和最大程度地减少对周围环境的影响。新的解决方案的研究 和实施不仅是对已有解决方案的突破和革新，而且也符合我国地铁建设新形势的需要，同 时也有利于提高地铁建设水平，对盾构穿桩时的地基加固技术、托换技术和除桩技术的改 进和综合有较大的促进作用。
图1为盾构穿越某桥梁桩基平面图。
图2为盾构穿越某桥梁桩基立面图。
图3为本发明的结构平面图。
图4为本发明的立面示意图。
图5为桥下支撑架设示意图。
图6为盾构穿桩示意图。 图中标号1为高压旋喷桩，2重力式挡墙，3为H型钢，4为内排桩，5为外排桩，6 为型钢，7为钢筋混凝土冠梁，8为桥台，9为桥梁面板，10为围堰，11为河床地基加固，12为 拉森钢板桩，13为系梁，14为回填土， 15为排水管，16为压密注浆加固，17为桥下支撑，18 为桥墩，19为钢板，20为千斤顶，21为钢管，22为筏板基础，23为桥下基坑，24为底板混凝 土基础，25为桩基，26为盾构，27为刀盘，28为支座，29为隔墙，30为隧道，31为河床，32变 形缝，33为桥梁垫层。
具体实施例方式
下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。 但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。 实施例1 : 本发明包括桥梁两侧桥台8地基加固、围堰10施工及桥基范围外河床加固11、 桥下支撑17加固、围堰10内桥下基坑23开挖、基坑23内扩大板式基础及板下地基加固 22、盾构26推进及障碍桩基切除。 (1)通过地基加固形成重力式挡墙2。地基加固采用三重管法的高压旋喷桩1加 固，水泥掺量25%，桩径①1600mm，桩与桩之间搭接300mm。为了增加重力式挡墙2的强度， 在旋喷桩1挡墙内外排桩身内插300 X 300 X 10 X 15的H型钢3，其中靠近桥梁的内排桩 4 "每桩插一"、外排桩5 "跳一插一"，为避免影响盾构26掘进，在盾构隧道30区域的内插 型钢6底标为盾构26顶标高上方0. 50m ;型钢6上部以600X400钢筋混凝土冠梁7连成整 体，内外排冠梁7间每隔3. 6m设400X400系梁13相连。内排冠梁7与桥台8支座28密 贴，以使桥梁面板9能兼作发挥水平支撑的作用。 (2)在重力式挡墙2完成后，进行围堰10施工及桥基范围外河床地基加固11。首 先在河床31上施作拉森钢板桩12、在钢板桩12之间填入回填土 14、待围堰10合拢后铺设 临时排水管15、抽水后对桥梁两侧河道内靠近桥边沿各布置两排高压旋喷桩1进行河床地 基加固11、对桥梁四个角点处进行压密注浆加固16并形成闭合维护。 (3)在围堰施10工同时进行桥下支撑17加固。支撑17施工前首先要在桥墩18 或桥台8上安装支撑17部位预先进行"植筋"，每根型钢每端植入2根先用专用钻机在桥墩18或桥台8相应位置打钻直径40mm孔洞(深约30cm)，随后注入胶水，最后将预先准备 好的直径32mm螺纹钢筋插入。待钢筋与桥墩18或桥台8完全粘结为一体后在外露钢筋端 焊接钢板19。利用人工配合千斤顶20将直径508mm钢管21吊装至预定位置，焊接到钢板 19上。 (4)为了保障筏板基础22托换的施作空间并确保板下地基加固时机器设备的操 作空间，其后需要在围堰内桥下基坑23开挖，并开挖到设计深度。 (5)桥下基坑23 土体开挖到设计深度后，然后进行基坑内扩大板式箱筏基础，即 板下地基加固22即进行底板混凝土基础24的施工，于此同时，也对桥墩18和桥台8下开 挖暴露出来的桩基25包裹一层钢筋混凝土层形成隔墙29，并与底板24、上部桥梁面板9形 成箱形结构，构成新的受力体系，从而实现将荷载由桩基转移到筏板基础22上。在施工筏 板基础22时，在其上同时预留相应的注浆孔。 (6)扩大基础底板22及隔墙29整体完成后，由于河床上软土的地基承载力较低， 同时，考虑到下一步盾构还需要从筏板下穿过并将障碍桩基切除，故扩大基础底板下的土 基必须加固。桥下加固区域24为桥面垂直投影范围，采用旋喷桩l在该区域满堂加固。
(7)底板22托换完成并对筏板下土体进行加固24后，盾构便可继续推进，直至遇 到桥台8下桩基25。桩基25的切除可采取在盾构26刀盘27上安装相应的切削刀具，使得 刀盘27可直接切削桩基25，即进行盾构26推进及障碍桩基切除。 将上述方法用于某轨道交通线路规划，某地铁线路需从一桥梁桩基间穿越。该桥 为三跨简支梁结构，跨径6m+13m+6m，宽度30m。共设置桥台8、桥墩18各两座，桥墩18、桥台 8分别采用23根和14根预制钢筋混凝土方桩25作为基础。此处隧道30顶标高约_6 -7m， 受影响的桩基25每个桥墩处约5根桩，每个桥台处约3 4根桩，共需处理约33根桩。
由于拆旧桥建新桥成本太高，本桥梁的基础托换采用箱_筏承压式基础22取代原 来的桩基25并进行盾构穿越。这种托换方式施工工艺较简洁、较容易实施，也能满足沙泾 港桥地基托换后的使用功能。本托换工程的具体施工步骤由桥梁两侧桥台背后地基加固、 围堰10施工及桥基范围外河床加固11、桥下支撑17加固、围堰10内桥下基坑23开挖、基 坑23内扩大板式箱筏基础及板下地基加固22、盾构26推进及障碍桩基25切除组成。
所述的桥台8背后进行地基加固是为了在桥台背后形成重力式挡墙支撑结构，确 保在桥梁下方进行基坑23开挖所需要施工空间的安全稳定。采用高压旋喷桩复合重力式 挡墙2的围支护方案。旋喷桩挡墙23宽6. 30m，高压旋喷桩1采用三重管法，水泥掺量25% ， 桩径①1600mm，桩与桩之间搭接300mm，旋喷桩桩长22. 7m，位于加固区内的旋喷桩1桩底 同加固深度底标高，正方形布置；在旋喷桩挡墙2内外排桩身内插300 X 300 X 10 X 15H型钢 6，其中靠近坑内的内排桩4 "每桩插一"、外排桩5 "跳一插一"，H型钢6总长12. 0m，在盾 构隧道30区域的内插型钢6底标为盾构26顶标高上方0. 50m ;型钢6上部以600X400钢 筋混凝土冠梁7连成整体，内外排冠梁7间每隔3. 6m设400X400系梁13相连。内排冠梁 7与桥台8支座密贴。 其后的河内围堰10修筑按如下顺序进行施工(1)桥梁两侧2/3部分围堰10施 工；(2)围堰内桥台8与桥墩18之间各敷设两根直径①700X6mm钢管，并与围堰10外河 流连通；(3)剩余1/3部分围堰10施工，并采用水泵(连接至预设钢管端头)抽水保证河 流水体流通；(4)待围堰10合拢后抽水，对主道路沿桥两侧河道内靠近桥边沿各布置两排
6高压旋喷桩l，桩径①1600mm，搭接300mm，桩底标高-16. 7m ; (5)对桥梁四个角点处进行压 密注浆加固16，形成闭合维护。围堰施工时，先用振动锤打设钢板桩12，小齿口连接。两侧 对称施打，当打完一段后，在钢板桩12顶部做一道围檩。围檩采用32#钢板桩，围檩的中心 标高在拉森桩12桩顶往下1. 5米左右。在围檩和钢板桩12上割洞，用25mm的螺纹钢贯穿 两侧的围檩和钢板桩12，将螺纹钢焊在两侧的型钢上，间距lm。 新填筑围堰10基础必须清理干净，围堰10两端与原河岸交界处应形成阶梯形接 台面。围堰10内积水排干后，及时对围堰10内坡进行修整并补土表面夯实。临时排水施 工过程中，在桥下基坑23内铺设4根①700mm临时排水钢管15，钢管12底标高+2. 5m，布 置于桥台8与桥墩18之间，在桥东侧上游方向配备4台功率为75KW的水泵，桥西侧配备2 台功率为75kW的水泵以满足在非汛期的临排要求。施工时在两侧围堰外1. 5m处、靠近两 侧防汛墙边各搭设2只墩台18，用60#槽钢架于墩台之上作为轴流潜水泵工作平台。围堰 内西侧、防汛墙边各搭设3只墩台，围堰内东侧、防汛墙边各搭设2只墩台作为钢管支撑，墩 台标高2. 5m，临排钢管15共设4道，9m —节、电焊连接，连接处另用钢套管加固。
桥墩18、桥台8间第一道支撑、第二道支撑17及系梁13施工与围堰施工交叉施 工，桥墩间第一、二道支撑17桥下抽水后施工。支撑17施工前首先"植筋":先用专用钻机 在桥墩18或桥台8相应位置打钻直径40mm孔洞，随后注入胶水，最后将预先准备好的直径 32mm螺纹钢筋插入。待钢筋与桥墩18或桥台8完全粘结为一体后在外露钢筋端焊接钢板。 利用人工配合千斤顶20将直径508mm钢管21吊装至预定位置，焊接到钢板19上。
所述的围堰内桥下基坑23开挖，由于作业面极其狭小机械设备无法使用，全由人 工进行，作业人员自最东侧开始，将渣土驳运至桥西侧由长臂挖机清运至土方车上外运，以 最快的速度完成土方开挖工作。在挖土过程中同时做好截水、排水措施。
在桥下基坑土体开挖到设计深度后，即可进行底板混凝土基础24的施工，于此同 时，也对桥墩和桥台下开挖暴露出来的桩基25包裹一层钢筋混凝土层形成隔墙29，并与底 板24、上部桥梁面板9形成箱形结构，构成新的受力体系，从而实现将荷载由桩基转移到筏 板基础上。综合考虑扩大基础底板下的土基的加固22和盾构26过桩基25工况土体加固 要求，桥下加固区域为桥面垂直投影范围，采用旋喷桩1在该区域满堂加固，桩径1500mm， 桩间距为1200 1300mm，旋喷加固标高为-16. 7 -2. 5m。同时在施工筏板22时，其上 需预留注浆孔。 在底板托换完成并对筏板22下土体进行加固后，盾构26便可继续推进，直至遇到 桥台8下桩基25。本次盾构26在桩基25间穿越，迎面共需处理约33根桩。由于桥基基础 土体虽经混凝土旋喷托换加固处理，盾构26穿越时，仍可能有地下水的渗透，并且如果采 用人员走出盾构机的头部刀盘外端到土舱开挖面中进行人工凿除桩基25作业，安全性难 以保障，故本工程采用盾构机直接切桩的办法。即盾构26继续推进，直至遇到桥台下桩基 25。桩基25的切除可采取在盾构刀盘27上安装相应的切削刀具，使得刀盘可直接切削桩 基25。 由于桥下桩基均为两接头桩，并且桩的接头部位几乎正对应在盾构刀盘27的中 心部位。当刀盘27在切桩时，如果接头部位松脱导致桩体倾斜，将会造成切桩困难，在盾构 切桩过程中需要加以注意。 在施工过程中，涉及到上部桥梁结构9、基坑23、围堰10和隧道30等几大体系之间的相互作用。本发明能够将原有桥梁结构的桩基25承载力顺利转移到箱筏承压式托换 基础22上，从而确保原有桥梁的正常运行，并能同时縮短工期、降低造价以及减少对周围 环境的影响。
权利要求
一种隧道穿越河流上方桥梁桩基的箱-筏承压式基础托换及施工加固方法，其特征在于包括桥梁两侧桥台地基加固、围堰施工及桥基范围外河床加固、桥下支撑加固、围堰内桥下基坑开挖、基坑内扩大板式基础及板下地基加固、盾构推进及障碍桩基切除；具体步骤如下(1)桥梁两侧桥台地基加固通过地基加固形成重力式挡墙，地基加固采用三重管法的高压旋喷桩加固，在旋喷桩挡墙内外排桩身内插H型钢，其中靠近桥梁的内排桩“每桩插一”、外排桩“跳一插一”，为避免影响盾构掘进，在盾构隧道区域的内插型钢底标为盾构顶标高上方0.50m；H型钢上部采用钢筋混凝土冠梁连成整体，内外排冠梁间每隔3.6m设400×400系梁相连，内排冠梁与桥台支座密贴，使桥面板梁作水平支撑的作用；(2)围堰施工及桥基范围外河床加固在河床上施作拉森钢板桩、在钢板桩之间回填土、待围堰合拢后铺设临时排水管、抽水后对桥梁两侧河道内靠近桥边沿各布置两排高压旋喷桩、对桥梁四个角点处进行压密注浆加固并形成闭合维护；(3)桥下支撑加固支撑施工前首先要在桥墩或桥台上安装支撑部位预先进行植筋，即每根型钢每端植入2根先用钻机在桥墩或桥台相应位置打钻孔洞，随后注入胶水，最后将预先准备好的螺纹钢筋插入；待钢筋与桥墩或桥台完全粘结为一体后在外露钢筋端焊接钢板；利用人工配合千斤顶将钢管吊装至预定位置，焊接到钢板上；(4)为了保障筏板基础托换的施作空间并确保板下地基加固时机器设备的操作空间，需要在围堰内桥下基坑开挖，并开挖到设计深度；(5)基坑内扩大板式基础及板下地基加固桥下基坑土体开挖到设计深度后，然后进行基坑内扩大板式箱筏基础及板下地基加固，即可进行底板混凝土基础的施工，于此同时，也对桥墩和桥台下开挖暴露出来的桩基包裹一层钢筋混凝土层形成隔墙，并与底板、上部桥梁结构形成箱形结构，构成新的受力体系，实现将荷载由桩基转移到筏板基础上；(6)扩大基础底板及隔墙整体完成后，河床上软土的地基承载力较低，扩大基础底板下的土基必须加固，桥下加固区域为桥面垂直投影范围，采用旋喷桩在该区域满堂加固，同时，考虑到下一步盾构还需要从筏板下穿过并将障碍桩基切除，故扩大基础底板下的土基必须加固，在施工筏板时，在其上还预留了相应的注浆孔；(7)盾构推进及障碍桩基切除底板托换完成并对筏板下土体进行加固后，盾构便可继续推进，直至遇到桥台下桩基；桩基的切除可采取在盾构刀盘上安装相应的切削刀具，使得刀盘可直接切削桩基。
全文摘要
本发明属岩土及地下工程技术领域，具体涉及一种城市地铁隧道穿越河流上方桥梁桩基的箱-筏承压式基础托换及施工加固方法。本发明方法包括桥梁两侧桥台地基加固、围堰施工及桥基范围外河床加固、桥下支撑加固、围堰内桥下基坑开挖、基坑内扩大板式基础及板下地基加固和盾构推进及障碍桩基切除。本发明在确保既有桥梁结构正常通行的同时，能够顺利完成施工并保证盾构的顺利掘进，还可以有效降低施工风险、加快施工进度、降低造价并最大程度的减少对环境的影响。
文档编号E02D5/00GK101761068SQ20091019850
公开日2010年6月30日 申请日期2009年11月10日 优先权日2009年11月10日
发明者刘朝明, 徐前卫, 杨洪杰, 王磊, 王秀志, 马忠政, 马险峰 申请人:同济大学;上海申通地铁集团有限公司