0 引言

　　托换技术在发达国家已积累了丰富经验^[1,2]并形成了专项技术规范^[3]。桩基托换依据工作机理可分为被动托换和主动托换^[4]，主动托换指托换桩切除之前对新桩和托换结构施加荷载，通过预加载消除部分新桩和托换结构变形，使其可控制在较小范围内，因此主动托换的变形控制具有主动性，适用于托换荷载大、变形控制要求严格的结构;被动托换指依靠托换结构自身的截面刚度，在托换结构完成后将托换桩切除，直接将上部荷载通过托换梁传递到新桩，而不采取其他调节变形措施，被动托换适用于托换建筑物托换荷载小、变形要求不甚严格的结构。

　　随着我国地铁行业的发展，基桩托换技术得到广泛应用^[4,5]，应用最多的是区间隧道下穿桥梁及建筑基桩的托换，区间隧道截面不大，托换的跨度也不大，且布置灵活，宜处理;而在地铁车站上方的基桩托换国内尚未有工程实例，本项目托换桥墩位于车站上方，托换梁跨度大，且桥墩位置不在托换梁跨中，存在偏载;且托换梁的埋深影响车站埋深，环境非常复杂。

　　1 工程概况

　　将军衙署站为呼和浩特市城市轨道交通1号线一期工程车站，位于新城区新华大街与哲里木路十字路口以东，沿新华大街东西方向敷设。新华大街与哲里木路西侧为国家一级文物保护单位将军衙署，在十字路口上方为3层互通式鼓楼立交桥。

　　将军衙署站采用地下2层单柱双跨的结构形式。车站主体长度199.75m，标准段宽度19.7m，结构底板埋深约18.70m。车站主体采用明挖顺作法施工，基坑围护结构采用地下连续墙，由于鼓楼立交C匝道桥1号桥墩侵入车站主体，需对该桥墩实施桩基托换。

　　鼓楼立交桥为3层半定向加苜蓿叶组合型立交，其结构形式为现浇预应力混凝土箱梁。鼓楼立交桥于1997年6月竣工。鼓楼立交C匝道桥为环形7跨连续梁桥，跨度18～22m，箱形截面，桥面宽8m。1号桥墩墩身截面1.1m×1.1m，墩高9.09m，承台尺寸为5.2m×2.2m×1.5m，下设2根直径1.2m钻孔灌注桩，桩长25m(见图1)。

　　图1 总平面  

　　托换设计前委托专业检测单位对C匝道桥的现状进行了整体评估^[6]，评估结论为:根据沉降分析结果，建议1号墩桩基置换施工过程中沉降量控制在±3mm，且托换梁的布置影响车站结构埋深，直接影响整个工程造价，为减小托换梁埋深采用横跨车站的托换梁包裹既有1号桥墩、承台进行托换，托换方式为主动托换。

　　由于车站宽度较大，为减小托换梁的跨径，只能垂直于车站布置，在托换梁两端各设2根直径1.4m、长40m托换桩，布置在车站围护结构外侧，最终确定托换大梁的跨径为27.3m，桥墩位置不在托换梁的跨中(见图2)。

　　2 托换控制原则

　　托换过程中结构的变形和受力时刻在变化，理论上，体系转换时如果被截除构件处于“零应力”状态，那在截除过程中将不存在任何荷载转换和变形，结构托换过程最安全。但实际上“零应力”状态很难实现。目前只能根据设计和理论计算结果结合经验进行预判，在截除结构前通过主动调整位移及预顶力，使截除构件尽量接近“零应力”状态，使截除构件后跟截除构件前的状态基本不发生改变或变化非常小，整个结构在托换过程中就越稳定，就越有利于控制结构的变形和受力。

　　图2 基桩托换平、立面  

　　桥墩墩底荷载:二期恒载122.6k N/m，箱梁自重2 580.2k N，桥墩自重275k N。则墩底竖向荷载为5 050k N。

　　由于1号桥墩不在托换大梁的跨中位置，存在偏载，必须通过大量试算来确定托换梁两侧预顶力，确定预顶力时，保证位移的同时应尽量使墩底弯矩最小。施工时以预顶力为主，以位移控制为辅，实现预顶力和位移双控，待桥梁结构完全稳定后方可截桩。确定的预顶力及分步加载如表1所示。

　　表1 桥墩托换分级加载力 

　　k N

　　表1 桥墩托换分级加载力

　　千斤顶布置位置如图3所示。

　　图3 千斤顶布置位置   

　　3 结构计算及实测数据分析

　　3.1 结构计算

　　为保证桥墩顶部的位移，托换梁采用全预应力结构，预应力布置如图4,5所示。

　　图4 预应力布置立面  

　　图5 托换梁跨中预应力布置  

　　根据本工程特点，采用通用有限元软件MIDAS civil进行相关计算，建立结构的离散模型，如图6所示。

　　图6 结构离散模型  

　　3.2 实测数据与理论计算比较分析

　　本次设计在托换梁、桩顶、桥墩底、桥面均设有监测点，桥墩设有倾斜测点、托换梁设有应力测点(见图7与表2)。

　　表2 桥墩墩底测点时间对应工序 

　　表2 桥墩墩底测点时间对应工序

　　托换大梁及桥墩墩底实测挠度如图8,9所示。

　　由图8可得结论如下:张拉预应力前，理论分析时模板支架刚度按实际输入，托换大梁在自重作用下有较小下挠，而实测值下挠较大，说明施工前支架基础的预压不够，从而导致实测下挠值偏大。张拉预应力后的理论计算值比实测值要大，但考虑到初始阶段支架预压不充分的因素，里面计算值及实测值各减掉初始挠度之后的起拱值大致相等，说明理论计算值和实际值吻合较好;由于桥墩偏载于托换大梁而导致偏向侧数值小于远离侧的起拱数值。

　　图7 托换大梁应力、挠度测点布置  

　　图8 托换大梁沿跨度方向挠度对比曲线  

　　图9 桥墩墩底挠度随时间变化对比曲线 

　　由以上可知，托换大梁在张拉预应力后，梁体有起拱，起拱值跟理论计算起拱值基本吻合。由图9 可知，桥墩墩底位移张拉预应力(第42天)后也有明显起拱，跟实际情况相符。

　　托换完成后，托换大梁挠度基本在0.5～1mm，与墩底挠度数值(55d后数值)基本吻合。

　　桥墩的实测偏移曲线如图10所示。

　　图1 0 桥墩的实测偏移曲线  

　　由图10可知，桥墩的初始偏心值约10mm，倾斜率为0.21%;随着施工的进行，到托换完成后偏心值降至6mm，倾斜率为0.13%，均能满足规范规定。

　　4结语

　　1)桥墩托换设计前必须进行既有桥梁的现状评估，依据评估结论进行有针对性设计。

　　2)施工过程中，必须建立既有桥梁结构沉降、变形监测系统，以动态监控施工过程，保证施工及结构安全。

　　3)托换梁必须与既有桥墩或承台有效连接，凿毛、清灰、植筋等严格按规范要求执行，保证质量。

　　4)托换桥墩对托换梁有偏载时，必须详细计算各预顶力大小，以保证位移和墩底弯矩不至于过大，进而保证结构安全。这是整个托换设计最重要的内容，可按托换完成的状态将荷载按比例分配到各托换桩顶，然后按比例进行分级加载。经实际工程验证，根据这一思路得到的计算数据和加载方案有效控制了托换过程中变形，达到了主动托换的目的。

　　5)由于托换完成后进行基坑开挖，设计托换桩时务必要考虑托换桩到开挖面的距离对基桩承载力的影响，若不满足规范要求，需对托换桩的承载力进行折减。如本车站基坑开挖后托换桩中心到地下连续墙内侧距离为2.5m，虽然地下连续墙对地基土有约束作用，也不能完全按地质勘察报告提供的侧摩阻力计算，通过建立有限元模型计算分析，本工程托换桩的承载力采用0.7的折减系数。