近年来，城市轨道交通快速发展。为了降低新建地铁的安全风险及造价，地铁线路通过城市人口聚集区时多位于既有道路下方，导致新建地铁不可避免地下穿道路上的既有桥梁，尤其是新建地铁车站下穿城市快速路上立交桥桥群时，加大了既有桥梁运营的安全风险，因此，从设计到施工必须采取多项桥梁保护措施。

　　当在建地铁隧道或车站侵入既有建(构)筑物的桩端或邻近桩端时，为保证上部结构安全使用，严格控制桩基础沉降，常用桩基托换的方法对既有建(构)筑物的基础进行加固处理，并在实践中取得了良好的效果。张怀清等首次将“复合锚杆隔离桩”隔离技术应用于北京地铁10号线国贸站换乘通道近距离下穿既有国贸桥桩基础的施工中，成功实现了开挖空间与既有桥桩的加固隔离。北京西三环花园桥在地铁6号线车站穿越施工时应用了地表深孔注浆技术、隔离桩技术和桥梁主动同步顶升技术进行了应急性保护，确保了花园桥在出现大量受力裂缝情况下的安全运营，但上述措施属于事后应急之策，由于桩基础沉降而造成上部结构预应力箱梁开裂已成遗憾，后期桥梁加固的费用不菲，因此该经验教训值得总结。

　　本文以北京地铁16号线万泉河车站和区间隧道下穿万泉河立交Z4匝道桥为例，阐述在地铁下穿城市既有桥梁时，尤其是需要对桥桩采用主动桩基托换的“换肢”手术时，在施工前需做好的桥梁安全风险防控。

　　1 工程概况

　　万泉河Z4匝道位于北四环西路。桥梁全长154.5m，桥梁上部结构为5跨预应力混凝土连续箱梁。桥梁跨径组合为30m+31.5m+24m+39m+30m，桥梁面积为1 421.4m²。下部结构为钻孔桩基础，上接承台及墩柱，桥台为轻型桥台，桥面采用沥青混凝土铺装。

　　根据万泉河Z4匝道桥与地铁16号线万泉河桥车站、2号活塞风亭施工竖井及车站东侧区间的相对关系，对Z4匝道桥产生影响的地铁16号线构筑物包括万泉河车站和车站东侧区间隧道。车站东侧区间右线隧道从万泉河Z4匝道(1)～(2)号轴跨斜交下穿，外边线距万泉河Z4匝道(1)号轴桩基础最近为1.667m，距离(2)号轴桩基础最近为4.953m。万泉河车站B出入口及车站东侧区间左线隧道从万泉河Z4匝道(2)号轴斜交下穿，与(2)号轴桩基础边相距1.613m，其中B出入口与(2)号轴桩基础结构中线相距1.287m，车站结构外边线距离万泉河Z4匝道(2)号轴桩基础最近为4.775m，区间左线隧道结构底高于(2)号轴桩底2.822m，车站结构底高于(2)号轴桩底2.115m。车站及车站东侧区间左线隧道从万泉河Z4匝道(3),(4)号轴南侧平行下穿，万泉河站结构外边线距离万泉河Z4匝道(3)号轴桩基础最近为5.239m。(2)号排风亭结构外边线距离万泉河Z4匝道(3)号轴桩基础最近为3.343m，车站结构底高于万泉河Z4匝道(3)号轴1.993m,(2)号排风亭结构底高于万泉河Z4匝道(3)号轴10.411m。

　　新建地铁工程所涉及的地质主要为粉细砂层，粉质黏土层，卵石、圆砾层，黏质粉土、砂质粉土等。水文地质主要受潜水影响。

　　地铁16号线万泉河车站及车站东侧区间隧道与万泉河Z4匝道平面和立面位置关系如图1～4所示。

　　2 既有桥采取的安全防护加固措施

　　2.1 对Z4匝道桥2号墩进行桩基主动托换

　　由于地铁16号线万泉河站B出入口及车站东侧区间均侵入2号墩北侧桩基，空间位置发生冲突，需截断该桩。

　　

　　图1 地铁16号线与万泉河Z4匝道平面关系 

　　 

　　

　　图2 地铁16号线隧道与万泉河Z4匝道桥(1)号轴相对位置立面(单位:cm) 

　　 

　　本工程采用主动托换法施工，即采用托换承台结合托换新桩的方式，桩基和承台各自独立施工，待加速托换桩基沉降稳定后，使得新桩基和新承台再组成刚性整体结构。当托换桩、新承台混凝土达到设计强度时再进行加载托换施工。托换时，在新承台和钻孔桩间设置千斤顶(预顶承台)加载，使新桩的大部分位移通过千斤顶的预压抵消，从而通过主动加载实现钻孔桩代替原桩受力。

　　桩基托换方案为新建3根直径1.5m钻孔灌注桩作为托换桩基，桩长50m，分别在现况承台西北设置1根及东南侧设置2根，浇筑完成后凿除桩头混凝土至设计高程，在托换桩基顶部设置千斤顶，并现场浇筑异形3桩预应力混凝土承台，承台厚3m，托换承台采用C40补偿收缩自流平混凝土，14d水中限制膨胀率≥0.015%。将既有2号墩承台包在托换承台中，新旧承台结合面通过深度凿毛、植筋、涂界面胶等方法牢固接合，确保新旧承台混凝土良好结合。待新建托换承台强度及弹性模量达到100%后，切断新桩基钢筋，顶升千斤顶，当顶升力达到10%的设计顶力时千斤顶锁死;然后对称交替张拉新建托换承台预应力钢束，孔道灌浆。预应力钢束采用16根8φ^s15.2低松弛钢绞线，张拉控制应力为0.7f_pk=1 302MPa，每束张拉力为1 447.8kN，均为两端张拉。

　　

　　图3 地铁16号线隧道与万泉河Z4匝道桥(2)号轴相对位置立面(单位:cm)  

　　 

　　

　　图4 地铁16号线万泉河站与万泉河Z4号匝道桥(3)号轴相对位置立面(单位:cm) 

　　 

　　再次顶升托换桩顶千斤顶，顶升力按10级逐级顶升至设计值，千斤顶锁死，将部分荷载由被托换桩基转移至托换桩基。待托换桩基沉降稳定后，用挤压套筒机械连接托换桩截断的主筋，并浇筑托换桩顶预留二次现浇段1.0m高，采用钢套筒为模板，采用C40微膨胀自流平混凝土，14d水中限制膨胀率≥0.03%。在混凝土硬化过程中产生一定的向上膨胀力，作用于托换承台一个向上的反力，对托换桩与被托换桩的荷载转移起一定作用。自流平混凝土灌注装置及工艺应经试验验证。

　　采用同步千斤顶并能够机械自锁，新建托换桩桩顶千斤顶必须同步顶升，千斤顶顶部设置压力传感器，顶升过程严格监控千斤顶顶力，与设计值偏差不超过±50kN。新建托换桩东北侧2～3号桩基设计顶力2 330kN，东南侧2～4号桩基设计顶力6 600kN，西侧2～5号桩基设计顶力4 140kN。

　　新建托换桩二次浇筑达到设计强度后，为保证接合面混凝土密实，可进行接合面压力灌浆，浆体强度达到设计要求后即可对现况2号墩北侧桩基进行截断，完成体系转换过程。

　　新建托换桩基沉降情况可依据千斤顶加载力进行判断，初次加载千斤顶到设计顶力，持荷待加载力下降后，再次加载至设计顶力，反复上述过程，直至千斤顶加载力维持设计荷载不变，新建托换桩基完成沉降。

　　桩基托换的平面、立面示意如图5所示。

　　2.2 对Z4匝道桥连续箱梁主动同步顶升

　　1)主动同步顶升设计方案

　　由于4号匝道桥为半径R=134m弯斜坡匝道桥，桥梁自身受力状况复杂，且1,2,3号墩均为固定支座，顶升时不中断桥上交通，故顶升系统及顶升过程需全程密切监控主梁形态、姿态，确保桥梁稳定，防止出现意外状况。

　　本次顶升设计方案为，首先放松主梁1号墩固定支座锚固螺栓，但固定支座不脱离锚固螺栓，使其能沿锚固螺栓上下活动，然后试顶1号墩处主梁，使其产生向上≤1mm位移，试顶力不大于计算最大顶力的1.1倍。若试顶成功，继续按此步骤逐墩试顶2,3,4号墩。若试顶无法顶升主梁，经设计单位重新核算后确定是否需截断固定支座锚固螺栓，放松主梁水平向约束，应由1号墩向3号墩逐墩试顶。截断固定支座锚固螺栓后，主梁受力状态较不稳定，受活载、日照温差变化影响较大，故应高度重视对主梁的监测、监控，确保主梁稳定，并根据现场情况调整主梁顶升方案设计。

　　

　　图5 Z4匝道桥2号墩桩基托换(单位:cm) 

　　 

　　2)支架及同步顶升系统

　　支架采用φ600钢管焊接，为1.5,2.0m模数式，上下设法兰盘，并设耳板，以方便栓接，各节钢管间用高强螺栓栓接，每组钢管间则以[18连接。

　　将千斤顶置放于支架顶端法兰盘上，千斤顶油缸鞍座上同心设置2块φ800圆形钢板，每块厚度30mm，以此增大受力面积，防止箱梁底部局部受压过大，消除梁体坡度及不平度造成的应力集中。油缸用限位销卡住，不使其脱位、滑动。根据支架高度支架基础为现况承台或桥台基础或在承台上浇筑C30混凝土基础，现场需开挖至现况基础顶面作为支顶系统基础，如图6所示。

　　同步顶升设备采用PLC液压控制系统，同步精度<0.5mm，千斤顶具备机械锁定装置，具备同步顶升及同步下降的要求。该顶升系统中1台液压泵驱动3个顶升点，每个顶升点并联4个液压油缸，通过高频电磁换向阀，实现升降动作。每个顶升点的液压油缸的同步动作通过带节流阀的高频电磁阀组来控制。通过二位二通阀高频率的启闭，使液压油缸的动作始终处于受控状态，从而实现同步动作。节流阀能使液压流有一个稳定、合适的流量。在油缸上配置1个液控单向阀，可确保顶升油缸可靠停靠在指定位置。每个液压油缸均有安全阀，当该点负载过大时，液压油冲开安全阀让压力卸掉，以保护该点的结构和液压系统。同步顶升系统如图7,8所示。

　　

　　图6 顶升系统及支架(单位:cm) 

　　 

　　

　　图7 同步顶升设备 

　　 

　　

　　图8 同步顶升系统 

　　 

　　3)顶升施工具体要求

　　千斤顶顶升前，应对桥梁进行试顶升，由1～4号墩逐墩试顶，首先放松固定支座锚固螺栓，但支座不脱离锚固螺栓，试顶位移向上≤1mm，试顶完成后放松千斤顶，使主梁回到初始高程;再试顶2号墩，预顶位移向上≤1mm，试顶完成后放松千斤顶，使主梁回到初始高程;然后试顶3,4号墩。初始预顶力设计值1号墩为8 200kN,2号墩北侧墩柱处为5 100kN，南侧墩柱处为2 400kN,3号墩为8 500kN,4号墩为9 000kN,0,5号桥台处千斤顶顶紧，确保顶升系统工作正常。顶升力按10级逐级顶升至设计值。

　　根据实时监测结果确定顶升启动，当每个顶升点位移与初始点沉降差达到1mm时必须开始顶升，并保证任何情况下顶升点与位移初始点的沉降差≤1.5mm，且2号墩横桥向相邻墩柱处主梁的沉降差<1mm。

　　实时监测系统必须具备对各顶升点的实时沉降独立监测功能，同时满足以上顶升控制要求。要求监测系统在地铁施工前完成检测并具备监控要求。监测系统和顶升系统要满足北京地区环境条件下的长期工作要求。

　　顶升系统中千斤顶行程≥15cm。每个墩柱布置的4个千斤顶应满足同步顶升的要求，同时也具备横桥向各墩柱单独顶升要求。1,3,4号中墩每个千斤顶计算最大顶力2 200kN,2号中墩每个千斤顶计算最大顶力1 500kN,0,5号边墩每个千斤顶计算最大顶力1 500kN。

　　顶升系统要求顶升力与位移双控，纵、横桥向各相邻顶升点顶升力差异≤10%，顺桥向位移差相邻墩≤1.5mm，横桥向位移差相邻墩≤1mm。

　　顶升实施应在夜间交通较少期间进行。

　　2.3 对Z4匝道桥1号墩桩周进行地表深孔注浆

　　为解决万泉河车站对万泉河立交4号匝道桥1号墩桩基土体扰动的问题，对1号墩采取桩周地表深孔注浆加固的措施，增大桩侧摩阻力，从而提高桩的极限承载力、减少沉降量。

　　本工程基桩注浆施工桩数共2根，采用地表深孔注浆方式，注浆深度约25m，孔间距≤1.5m，共12孔。采用地质钻机成孔，通过中空钻杆内注浆的方法进行后退式注浆。

　　2.3.1 注浆技术要求

　　1)注浆质量控制采用注浆量和注浆压力双控方法，以水泥注入量控制为主，泵送终止压力控制为辅。注浆顺序应兼顾基桩施工进度，并与施工基桩保持适当间隔。

　　2)浆液注入土体率为土体的30%～50%，采用水泥浆，水泥采用P·O 42.5水泥，并掺入2.4%～3.4%水玻璃，浓度要求30～45波美度为宜;注浆浆液由稀到浓逐级变换，水灰比控制为0.8～1.1;具体的浆液配合比通过在注浆前及最初的几个孔注浆时现场试验确定。每孔注浆水泥用量预估为8 750kg;根据现场地质条件等情况进行调整。桩侧注浆终止压力≥1.0MPa。

　　3)注浆半径1.2～1.4m，采取跳孔注浆。要求每次注浆孔距离上次注浆孔距离不小于注浆半径2倍。

　　2.3.2 施工控制措施

　　1)水泥注入量达到预定值的70%，且泵送压力超过6.0MPa可停止注浆。

　　2)水泥注入量达到设计值的70%，泵送压力不足预定压力的70%时，应调小水灰比，继续注浆至满足预定压力。

　　3)若水泥浆溢出，应调小水灰比，改间歇压浆至水泥浆量满足预定值。

　　2.4 在Z4匝道桥3号墩与地铁地下结构间设置隔离桩

　　在地铁地下结构与3号墩桩基间设置直径为0.8m的隔离桩，间距1m，减少施工对桩基侧壁土体的扰动。

　　2.5 地铁下穿既有桥梁的施工顺序

　　1)地铁地下工程施工前首先布置监测点，完成监测初始数据的采集，并建立完善的系统数据库。

　　2)在4号匝道桥1号墩桩基周边进行地表深孔注浆。

　　3)在4号匝道桥3号墩与地铁地下结构间设置隔离桩。

　　4)打设2号墩新建托换桩基，基坑开挖，桩顶设置千斤顶;对既有承台进行深度凿毛、植筋、涂界面胶，浇筑新建托换承台，待强度及弹性模量达到100%后，截断新建托换桩基钢筋，预顶升千斤顶，顶升力为10%设计顶力，千斤顶锁死，然后张拉承台预应力，再次分级顶升千斤顶，循环加载，达到设计值，千斤顶锁死，机械连接桩顶主筋，浇筑桩顶后浇段，桩顶注浆，截断与地铁矛盾北侧2～1号既有桩基，完成桩基托换。基坑回填。

　　5)在支顶墩柱及支顶桥台附近做临时施工围挡，围挡内地面开挖至基础表面，根据支架高度施做混凝土基础。

　　6)安装各墩支顶支架、千斤顶等顶升设备(柱脚安装完毕后，可对开挖部位进行回填);调试顶升设备。

　　7)对1～4号墩主梁逐墩进行试顶升，试顶后主梁降至初始高程，若试顶不成功，及时通知设计，复核计算，补充设计。0,5号墩千斤顶顶紧，确保顶升系统工作正常。

　　8)地铁出入口B及盾构区间开始施工，当每个顶升点位移与初始点沉降差达到1mm时，地铁停止施工，启动顶升设备开始顶升。顶升过程中需进行主梁梁底高程实时监测(测量精度0.1mm)，同时千斤顶加载力也需实时监控，顶升到位后，机械锁死，待沉降稳定后地铁方可继续施工。

　　9)根据实时监控沉降值，按步骤顶升，直到地铁车站施工完成、沉降稳定。

　　10)地铁施工完成且沉降稳定后，应根据监测结果及桥梁状况对本立交桥进行后评估，确定地下工程穿越后的对桥梁影响程度，视情况决定是否更换桥梁支座或采取其他处理措施。

　　3 城市既有桥梁安全防护措施实施效果

　　3.1 Z4匝道桥变形控制指标及预警

　　3.1.1 桥梁控制技术指标

　　1)桥梁墩相邻基础竖向(纵向)不均匀沉降，控制值为3mm。

　　2)2号墩两墩柱横向不均匀沉降≤2mm。

　　3)墩柱、桥台倾斜控制值为1/1 000。

　　4)桥梁竖向均匀沉降≤15mm。

　　3.1.2 设计监测值

　　监测值按严重程度由小到大分为三级。

　　1)预警值监测指标变化量为监控量测控制值的60%，当达到预警值时，应查找原因，加强监测和巡视。

　　2)警戒值监测指标变化量为监控量测控制值的80%，当达到警戒值时，应停工检查，进行风险处理。

　　3)控制值监测指标达到控制值时，应启动应急预案。

　　3.2 地铁下穿既有桥梁施工中监测

　　在地铁地下结构施工全过程中除施工监测外，还对既有桥梁结构进行第三方监测。监测项目包括:(1)墩顶主梁绝对高程;(2)桥墩竖向沉降，包括纵桥向和横桥向差异沉降;(3)主梁转角;(4)主梁顶升及2号墩桩基托换千斤顶的顶升力;(5)墩柱倾斜;(6)隔离桩顶冠梁处水平位移;(7)桥梁外观，如混凝土裂缝，支座、伸缩缝等的变形和工作性能状态观测。

　　为保证监测精度和效率，本穿越工程的第三方监测采用自动化监测系统，具有实时和连续跟踪测量、故障自诊断、安全预警、远程控制等功能。

　　3.3 既有桥梁安全保护措施的效果

　　目前地铁主体结构已施工完成近1年，Z4匝道桥已完成桩基托换3年多，Z4匝道桥由于地铁下穿扰动桩周土体和桩基托换所产生的结构变形趋于稳定。桥墩最大沉降发生在2号墩2号柱处，最大值为-1.13mm;梁底最大沉降发生在1号墩顶位置，最大值为-1.07mm;墩台最大差异沉降发生在2号墩与3号墩间，最大值为0.79mm;梁底最大差异沉降发生在3,4号墩间，最大值为0.88mm;墩台最大倾斜发生在2号墩2号柱，最大值为0.06‰。桥梁变形最大值均在设计控制指标内，且桥梁结构外观与施工前对比无明显变化，桥梁处于正常工作状态。

　　由此可见，在地铁穿越施工前对既有桥梁采取的保护加固措施有效降低了地铁施工的影响，确保了桥梁的安全运营。

　　4 结语

　　在地铁下穿城市既有桥梁前，做好规划及相应的既有桥梁保护措施的设计与施工非常关键，尤其是新建地铁结构与既有桥桩发生冲突需要截桩时，采取主动同步顶升技术，再结合地表深孔注浆、隔离桩等保护措施综合施治，从而在保证下部结构承载能力的同时，避免了造成上部结构损伤，从而保证了新建地铁顺利安全下穿既有桥梁，且不影响城市既有桥梁的交通。