桥梁顶升技术在地铁下穿桥梁中的应用
［摘 要］通过实际工程介绍桥梁顶升技术在地铁下穿桥梁中的应用，采用主动防御控制桥梁沉降的思路，按照沉降变形的现状，动态调整千斤顶布置和顶力分布。同时，采取在地面对既有桥桩周边土体进行深孔注浆加固、梁底粘贴钢板等措施增强桥梁自身抵抗变形的能力，结合监控量测，对桥梁进行分级防护，并配以相应的梁底裂缝开裂整治方法，确保既有桥梁安全运营。
［关键词］桥梁工程; 地铁工程; 顶升; 沉降; 变形控制
随着我国地铁大规模建设，必然会遇到地铁近距离下穿既有城市主干道立交桥的实际问题，这些穿越问题直接关系到交通主动脉的通畅，在建工程的施工安全、工期等，对地铁建设和发展提出新的挑战。
地铁下穿桥梁常采用桥桩托换的加固处理方法，即在既有承台两侧施作深于地铁结构底板的新桩后将既有承台扩大，然后对既有承台和新承台之间进行植筋处理，组合成一个扩大了的新承台，提高了基础的整体承载力。由于需要疏导交通，且桥桩托换施工工期较长，对于工期要求紧的工程此种方法不太适用。
针对工期要求紧，且既有桥梁已经发生一定沉降的问题，通过实践探索出一套桥梁同步顶升技术。顶升控制的核心是“因势利导”，按照桥梁沉降变形的现状，动态调整千斤顶布置和顶力分布，主动防御控制桥梁沉降的发展; 同时，采取在地面对既有桥桩周边土体进行深孔注浆加固，梁底粘贴钢板等措施，增强桥梁自身抵抗变形的能力，结合监控量测，对桥梁进行分级防护，并配以相应的梁底裂缝开裂整治方法，确保既有桥梁安全运营。
1 桥梁顶升技术的工作原理及 PLC 液压控制系统
1. 1 桥梁顶升技术的工作原理
桥梁结构具有体积大、自重大且分布不均、有效面积大等特点，顶升点是否布置合理是结构能否整体、均匀顶升的关键。顶升时接触点会产生变形，多点决定一个变形的平面，顶升面会有多个稳定位置。当某个或某几个顶升点受外界扰动时，顶升面会由当前的稳定位置转移到另一个在误差容许范围内的稳定位置。顶升点越多，顶升面刚度越大，变形会越小，能稳定的位置就越多，稳定性越好。同时多点顶升时，刚性面会无法避免地出现“虚腿”，即某个或某几个顶升位置的千斤顶不能完全吃力，而顶升位置的千斤顶承受比预期大的力，在施工时需要采取措施消除“虚腿”现象。因此，顶升个数的选取既需保证顶升面达到足够的刚度，又需使各个顶升位置的千斤顶所承受的力在允许的范围内。
为了使桥梁顶升过程安全顺利，稳妥的做法一般为预顶升、称重、顶升、持荷和负载 5 个步骤。
1. 2 PLC 液压控制系统
PLC 液压控制系统是通过计算机软件控制液压泵站和液压元件，输入指令控制液压千斤顶，按照结构的实荷重，通过力的平衡自动调整各台千斤顶的顶升力，在施工过程中保持各顶升力的平衡，保证各顶升点所需的顶力值与实际提供值能够相符，使顶升过程中结构受到的附加内力最小。同时千斤顶根据分布位置进行分组，与结构各控制点的位移传感器组成位置闭环路，保证顶升过程各千斤顶的同步精度达到 ± 2mm。计算机屏幕上能实时监测到传感器反馈的千斤顶压力变化和顶升距离，便于技术人员及时调整控制结构的姿态和位移，是一种力和位移双闭环综合控制的顶升方法。
2 PLC 液压顶升技术在地铁近距离下穿桥梁工程应用实例
2. 1 工程概况
某南北向城市立交主桥为 3 跨预应力混凝土连续箱梁桥，跨径为( 32 + 37 + 32) m。全桥横桥向分为东、西两幅桥，全桥宽 28. 30m。上部采用单箱双室结构，纵向设有黏结预应力束; 下部结构采用柔性墩设计，盆式固定支座，桩基础，每墩设 4 根，桩径1. 2m，桩长 20m。该桥已运营 17 年，且位于城市主干道。
现需修建东西向布置的地铁车站正交下穿该桥，采用暗挖“PBA”法施工必须近距离下穿，其中主体结构外皮距离既有花园桥桥桩外皮 1. 53m，围护桩距离桥桩外皮 0. 68m，上层小导洞距离桥桩外皮仅为 0. 08m。桥梁断面以及与车站的位置关系如图 1 ～ 3 所示。
地铁站工程范围内地形基本平坦，主体结构主要位于卵石层，局部位于粉质黏土层和粉细砂层。地表以下赋存 2 层地下水，即层潜水和层间潜水。由于交通疏解等原因，原计划车站主体结构施工前采用的桥桩托换的桥梁保护措施工期较长，无法保证车站主体结构在预定期内完成施工，而且在远离桥桩的 1，2，5，6 号导洞先后穿桥后，发现梁体出现
较多底板横向弯曲裂缝、腹板斜向剪切裂缝以及局部网裂，近车站一侧 8 号墩出现一定的沉降，与远离车站的 7 号墩产生一定的差异沉降，为此，紧急采用了 PLC 液压顶升技术，同时采取梁底粘贴钢板等加固措施，结合监控量测对桥梁进行分级防护。
2. 2 地下施工前对桥梁保护措施
2. 2. 1 土体深孔注浆加固
在导洞施工前，为提高基础承载力，在地面对既有桥桩周边土体进行深孔注浆加固。注浆范围28m × 7m，注浆孔间距 0. 8m × 0. 8m。 为保证注浆效果，注浆顺序为先外后内，外侧形成止浆墙后方可进行内侧注浆。注浆液采用单液水泥浆，注浆压力控制在 1 ～ 2MPa。
2. 2. 2 加强围护桩
加强围护桩配筋，兼起隔离桩的作用。过桥桩段前后 5m 范围内取消下导洞施作，围护桩直接嵌入卵石层，嵌固深度 7. 2m，且围护桩施工隔 4 挖 1，围护桩浇筑完成后方可进行第 2 根桩的开挖。
2. 2. 3 近桥侧增设临时仰拱
近桥侧 3 号导洞为防止在导洞断面开挖过程中引起侧向土体松动，在导洞中部增设临时仰拱。临时仰拱采用 2I20a，弯成圆弧形，半径为 42m，通过设在工字钢中间的高强螺栓( 10. 9S) 拧紧对临时仰拱施加预加力。
2. 3 桥梁顶升设计和施工
2. 3. 1 顶升的作用
由于既有桥桩距未施工的 3，4 号导洞过近，且桩底位于待建车站基底以上，3，4 号导洞穿越及车站主体施工时桥桩必然还会产生沉降。为保证该桥 7，8 号墩处梁体安全，在桥墩基础已发生沉降的条件下，将 7，8 号墩处梁体先预支顶，使梁体的受力状态得到一定程度的恢复，为后续施工提供沉降储备，当后续施工中桥墩又发生沉降时，沉降多少顶起多少，尽量减少上部结构梁体受桥墩变位影响。
2. 3. 2 顶升设计
1) 顶升设计思路
总的设计思路是: 施工临时支撑→顶升梁体→梁体落至临时支撑→待沉降稳定后再进行支座复位施工。先对 7，8 号墩原桩承台进行植筋，扩大组合成一个新承台，在新承台上各浇筑 2 根哑铃形钢管混凝土柱，预先在临时墩上放置好支座垫石; 利用同步顶升系统将 7，8 号墩东、西两幅梁体同时顶升，使梁体原支座上、下盆脱离，顶升位置如图 1 所示; 当达到预计顶升量时，在临时墩垫石上放置支座，并垫钢板，然后卸载千斤顶、使梁体由临时支座支撑。临时支撑设计如图 4 所示。
2) 顶升设计
第 1 次顶升: 此次顶升桥梁上部需中断交通，对7，8 号墩梁底进行顶升，分 3 次顶升梁体至 8mm( 3，3，2mm) ，调平钢板调整到位后放松千斤顶，将梁安放在支撑立柱上，此时梁体提升大约 5mm。第 1 次顶升完毕后，应对桥梁加固，主要是梁体粘钢加固及裂缝封闭。
沉降超限后再顶升: 若施工过程中承台沉降 ＞3mm，需再次顶升，但循环次数应 ≤3 次，承台的总沉降应≤10mm。
待沉降稳定后再进行支座复位施工: ①原支座下填充钢板: 启动千斤顶，重新顶升箱梁，再用相应厚度的钢板填充原盆式支座下垫板下方的间隙。②下放梁体至盆式支座上，落梁，梁体复位。③梁体复位后的要求: 调整后的梁标高为 3 ～ 5mm( 地铁施工前的初始标高为 ± 0. 000) 。④支座复位完成后，应对钢板与墩顶之间的缝隙注入粘钢胶。⑤竣工收尾: 标高调整完成后，拆除临时支撑，拧紧下垫板地脚螺栓。
3) 顶升前的工作
桥梁现况调查: ①支座现况调查 经过支座调查和现场实际测量，支座上部钢塞塞入盆 内约30mm，上、下垫板厚 30mm，调查结果为盆式支座钢塞与盆体为脱离设计，在预顶升阶段进一步验证盆式支座钢塞与盆体是否脱离; ②清理边跨端部 连续梁两端为挂梁，检查牛腿与盖梁间的间隙，防止有杂物堵塞，若存在应进行清理。
梁体放置临时支撑上的相关计算: ①横梁计算梁体放置于临时支撑上时，预应力端横梁下缘为压应力，上缘产生拉应力，最大值为 1. 7MPa，但上缘设有双排 28 钢筋 40 根，故放置临时支撑上后，7，8号墩处的端横梁满足规范要求。②墩柱计算 墩柱由压弯构件变成纯弯构件，墩底抗弯承载力降低，经过计算水平制动力产生的弯矩小于墩柱底的抗弯承载力，满足规范要求。
2. 3. 3 顶升施工方案( 见图 5)
支座在顶升中应注意的问题如下:
1) 第 1 次顶升前，要用 Q235 钢筋或钢条将支座四角上、下垫板焊接，使盆式支座上、下部分连成整体，同时将下垫板上的地脚螺栓放松。
2) 顶升第 1 级完成后，千斤顶停止工作，观察下垫板是否已经脱离墩柱顶部的混凝土，若未脱离，要用绳锯切割下垫板底部的混凝土，使下垫板与墩顶脱离，同时应保证地脚螺栓不受损伤。
3) 顶升至最后一级完成后，千斤顶停止顶升，临时支座上调平钢板调整到位后放松千斤顶，将梁体落至临时支撑之上，同时在墩顶与盆式支座下垫板之间填塞钢板。
4) 待支座复位完成后解开连接上、下垫板支座的连接钢材。
2. 3. 4 顶升施工过程
考虑到安全储备及千斤顶的对称布置，每个墩柱两边对称布置 12 台 200 t 千斤顶。半幅整座桥共布置 24 台千斤顶，支顶位置如图 1 所示。
为了稳妥起见，必须测试顶升施工的效果，首先进行了一次试验顶升，于凌晨开始分 3 级顶升，分别为 3，3，2mm，一个墩柱的顶力控制值为11 000kN。8-1 号墩最大顶升量 5. 10mm，但卸载后由于支座压缩、钢板间空隙压缩等原因，绝对顶升量接近 0。本次试验顶升没有实现预定目标。
吸取第 1 次支顶的教训，对顶升位移进行了调整，分 4 级加载，7，8 号墩同时顶升，8 号墩顶梁体绝对标 高变化量在 第 4 级加载后升至 10. 94mm( 东、西幅平均) ，卸载后梁体置于临时墩后回落至5. 18mm( 回落接近一半) 。
2. 3. 5 顶升施工监测
通过对结构位移、应力、裂缝等项目严密监测，实时分析指导施工，避免由于结构理论与实际的偏差、顶升设备的失误等原因导致梁体产生超过控制值的应力、位移以及裂缝急剧发展、激增等现象。
监测内容包括: ①梁底绝对标高变化量监测;②墩底绝对标高变化量监测; ③梁底与墩顶相对位移监测; ④桥墩弹性伸缩量测量; ⑤梁体主控截面应力监测; ⑥墩柱应力监测; ⑦梁体结构裂缝监测 。
监测结果: ①8 号墩顶梁体绝对标高变化量在第 4 级加载后升至 10. 94mm( 东、西幅平均) ，卸载后梁体置于临时墩后回落至 5. 18mm( 回落接近一半) ; ②墩底绝对标高基本无变化; ③卸载后 8 号墩顶梁底与墩顶相对位移为 5mm 左右，表明梁体已经顶升到位，说明此次顶升到达预期目标; ④桥墩弹性伸缩量最大 0. 8mm，小于设计控制值 1mm; ⑤梁体主控截面应力变化微小，这是由于主跨两端顶升同步，结构受力较小，也表明桥梁结构受顶升影响较小; ⑥墩柱应力变化微小，＜ 10 个微应变( 约合0. 3MPa) ; ⑦梁体结构原裂缝开合变化较小，裂缝巡视未发现明显发展。
2. 4 支顶后梁体粘贴钢板加固
2. 4. 1 加固思路
1) 对已有裂缝注胶封闭。
2) 粘贴钢板增加桥梁极限承载力。
3) 为消除钢板的初始变形，在钢板带端部设置了锚固设施，用紧固器对粘贴的钢板带施加一定的预拉力后，再固定在锚固设施上，最后拆除紧固器。
4) 为提高抗剪能力，在中跨 L /4，3L /4 区域两侧腹板斜裂缝部位粘贴 L 形钢板。
5) 为防止桥下行车刮蹭粘贴的钢板，在外侧梁底设置防撞角钢。
2. 4. 2 加固施工措施
植入锚栓钻孔时可能碰到钢筋和预应力钢绞线波纹管，损坏钢筋或波纹管。为了避开这些位置，由于探测相当困难，采用地质雷达扫描和钢筋扫描仪结合的办法，对已经现场放线的锚栓位置附近区域进行钢筋探测，现场标注锚栓周边钢筋纵横分布网格。根据现场标注的钢筋网格，将锚栓位置作适当调整，避免钻孔时损坏钢筋和波纹管。钢筋和波纹管探测如图 6 所示。
2. 5 顶升施工后桥梁分级预警防护
顶升施工后对桥梁进行分级预警防护，当沉降过大时再次实施顶升。
1) 监测控制指标 ① 承台竖向不均匀沉降控制值 ＜ 5mm; ②纵桥向和横桥向基础平移及倾斜指标为5 516θ + Δx≤4mm。
2) 预警防护 ①超过控制值的 70% 时，黄色监测预警; ②超过控制值的 85% 时，橙色监测预警; ③超过控制值的 100% 时，红色监测预警。
2. 6 顶升施工效果
桥梁顶升完成后，8 个月内进行了 3 号导洞近距离下穿桥桩、地下土方开挖、主体结构施工等。桥墩沉降监测数据变化平稳，最大沉降 2. 08mm，1个月内的沉降速率均 ＜ 0. 04mm/d，已基本稳定，如图 7a 所示; 梁底标高数据变化平稳，8-1号墩顶支顶完成时标高 5. 640m( 地铁施工前标高为 ± 0. 000) ，监测标高为 5. 400 ～ 7. 150m，8-2 号墩顶支顶完成时标高 4. 70m，监测标高 4. 590 ～ 6. 160m，如图 7b 所示; 事先保留的 8 条封闭裂缝未进行涂刷，监测表明裂缝未重新开裂。待地下结构施工完毕，沉降稳定后，再将梁体落回已垫高的原盆式支座内。
3 结语
顶升技术是一种主动防御变形控制措施，按照桥梁的变形现状，动态调整千斤顶顶力，达到了控制沉降发展的效果。然而地铁紧贴桥桩下穿是一个特例，因破坏了桩侧摩阻力和桩底承载力造成墩台下沉而导致梁体开裂，虽然采用紧急顶升和梁体与基础加固等应急之策，但造成的损伤和日后沉降具有不确定性。因此，在地铁下穿施工前应超前规划，尽量减小对既有建筑的影响。
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