随着城市轨道交通的大力发展，区间隧道穿越铁路、公路、市政桥梁以及建筑桩基础的情况越来越多，需对区间影响范围内的桩基进行托换。桩基托换分为主动托换和被动托换，主动托换适用于荷载大且对变形要求严格的情况 ^[1]。以建和桥北异形板块为例，介绍桩基主动托换方案和信息化施工过程，分析了主动托换设计和施工的关键控制要点。

　　 石家庄地铁2号线长安公园站—蓝天圣木站区间沿建设大街道路下方敷设，区间需托换建和桥南、北异形板块中部的1排桥桩，既有桥梁建成年代较久远，结构形式复杂，托换过程中交通不中断，且托换轴力大，对变形要求严格 ^[2,3]。建和桥2层环形桥主桥分为东、西、南、北4个不对称的异形板块，梁高1.3m，变形缝位于桥梁支座外，悬臂3m，桥面板为多箱室异形预应力结构。45,46号桥墩为北异形板块中部1排桥墩，桥墩直径1.2m，高3.6m，每根桥墩下为6.3m(长)×6.3m(宽)×2.0m(高)4桩承台，桩径1.5m，桩长20.6m，按摩擦桩设计。设计荷载标准为汽-超20级及挂-120级。地震设防烈度7度，设计行车速度50km/h，支座形式为球形钢支座。既有桥梁设计规范为JTJ 021—85《公路桥涵设计通用规范》。区间隧道与建和桥北异形板块平面、剖面位置关系如图1所示。

　　 根据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》第3.3.3条，钻孔灌注桩中心距不应小于桩径的2.5倍，既有桥桩桩径1.5m，新托换桩桩径也按1.5m设计，如图2所示，可知仅中部阴影区可设置1排桥桩，故应对45,46号桥墩进行整体托换。

　　 托换体系由中间3根1.5m桩基和两侧6根1.2m桩基组成。新托换桩与盾构区间的最小净距按1m控制。托换承台尺寸为29.3m(长)×13.3m(宽)×3m(高)，如图1a所示。托换承台在既有1.5m桩位置设置1.6m圆洞，浇筑新承台混凝土前，在既有承台外侧包裹5cm厚油毛毡。在新、旧承台之间预留0.8m空间，用于布设托换千斤顶及托换完成后的截桩。

　　 新托换桩采用钻孔灌注桩基础，按摩擦桩设计，桩长48m，如图1b所示。桩长在设计时考虑既有桥桩破除及盾构隧道施工对桩基周围土层扰动的影响，对盾构隧道底板以上土层摩阻力按70%折减 ^[4]。

　　 由于新托换承台位于既有承台下方，在托换设计时需进行千斤顶冲切和局部承压计算，以及桩基强度及既有桥墩刚度等的计算与校核。其中，冲切计算内容包括既有承台截桩后的冲切作用、承台封固前的冲切作用、承台封固后的冲切作用。

　　 托换施工步骤有监控量测体系的建立、预支顶措施的实施、托换桩和托换承台的施工、受力转换、截桩、混凝土封固等 ^[5]。

　　 1)建立桥梁结构变形及应力监测系统施工前完成桥梁的变形和应力监测系统布设，并取得初始位移，变形和应力监测点依据设计和工前评估要求设置。

　　 2)地面预支顶及“称重”进行地面预支顶架设，预支顶布置应尽量靠近原支座位置并满足桥梁受力要求。“称重”时应确保桥面板与支座脱开。恒载加活载“称重”在早高峰8:00—9:00和晚高峰17:30—18:30时间段进行，共进行9次“称重”工作，并与设计计算结果做对比，为后期顶升力的控制提供依据。

　　 3)施工新托换桩基坑，开挖至既有承台底时进行新托换桩施工。

　　 4)施工新托换承台基坑开挖至新承台设计底标高，在既有承台底部和侧向进行植筋钻孔后，在基坑底部施工新托换承台。新承台施工时应对既有桥桩进行磨圆处理并包裹油毛毡，同时在既有承台四周埋入限位型钢，型钢应密贴既有承台，限制承台水平移动的同时不影响限位型钢与既有承台的竖向相对滑动。

　　 5)安装千斤顶并进行分级顶升根据设计计算及地面预支顶“称重”结果，再加上桥墩及既有承台自重，确定托换荷载。托换荷载取恒载+活载的1.2倍，托换过程中既有承台上升≤0.5mm，通过力与位移“双控”进行桩基受力转换。加载共分12级，每级加载时间约1min，加载持续时间30min，自动化监测按5min自动监测1次。

　　 6)截桩。

　　 7)托换结构封固桥桩全部截断后，调整墩顶标高，补充和恢复施工引起的沉降量，确保桥面板保持原有状态。进行既有承台侧面凿毛、植筋、界面处理，绑扎钢筋，浇筑封固混凝土。

　　 8)既有桥桩破除。

　　 9)盾构通过新托换桩设计时已考虑盾构施工对桥桩侧阻力的影响，对桥桩适当加长，并考虑盾构对桥桩的水平作用力。

　　 10)拆除预支顶设施长期监测托换结构变形情况，并通过预支顶措施保持上部结构稳定，待通车运营、承台沉降稳定后，依次拆除预支顶措施。

　　 根据变形计算，除托换位置(45,46号桥墩)需进行预支顶外，由于异形板对沉降要求严格，需对临近托换位置的南、北侧桥墩(22,34号桥墩)进行预支顶，如图3所示。预支顶设施在基坑开挖前布设完成，具有自动顶升功能，位移精度0.1mm。预支顶设施布设过程中，球形支座的上部螺栓需松开以适应顶升位移。预支顶设施的钢基梁、钢管柱、垫块、垫片等均进行专项设计。除22号桥墩下方承台不连续需施作条形基础外，其余均支顶在既有承台上方。千斤顶具有自锁定功能，钢管柱纵、横向设置可靠的连接结构以保证顶升钢支架的稳定性。预支顶除22号桥墩位置采用1排100t千斤顶外，其余位置均采用4台300t千斤顶，大于计算及“称重”结果。

　　 桥下净空3.9m，开挖至既有承台底部时，桥下净空高度约6m，托换桩基无法采用常规大型钻孔机械设备。施工采用如图4所示液压反循环钻机，机械高4.5m、宽2.5m。

　　 异形板桥在长期使用过程中的桩基沉降、混凝土徐变等因素，导致实际受力与计算不吻合。如果采用位移控制，托换荷载除桥面板传来的恒载和活载外，还有桥墩、既有承台、既有桥桩自重及既有桥桩与土体的负摩阻力，导致托换荷载很大，托换时对既有承台受力不利，故采用荷载控制为主、位移控制为辅的控制条件 ^[6,7]。托换荷载采用表1所示“称重”结果再加上桥墩和既有承台的自重，同时考虑1.2的超压系数作为最终托换荷载，根据计算及“称重”结果，既有桥桩单桩桩顶荷载2 350kN，设计采用4台400t千斤顶，并预留备用千斤顶。

　　 1)桩底压浆除地面进行预支顶措施外，为减少托换过程中新托换桩的沉降，对桩底及桩侧进行压浆。考虑压浆施工效果的不确定性及压浆后桩基承载力检测的实施难度，结合工期要求进行保守设计，计算时不考虑压浆对桥桩承载力的有利影响。

　　 2)既有桥桩磨圆在千斤顶主动顶升作用下，为完成受力转换，将既有承台的力尽可能多地转换至托换承台及托换桩，避免截桩时产生较大沉降，应将既有桥桩磨圆并在外部包裹油毛毡，使受力转换过程中新承台与既有桥桩能上下自由移动，避免受力转换过程中产生内力而使受力转换不完全。

　　 3)截桩主动顶升完成且新承台变形趋于稳定后方可进行截桩，截桩前应对千斤顶进行泄压，并将千斤顶“锁死”。泄压前应适当加压以消除千斤顶自锁装置与千斤顶之间的空隙(一般<0.2mm)。截桩应逐根进行，并进行实时监测，待数据稳定后方可进行下一根桩基的截断。每根桩截除比例按“1/4桩—1/2桩—3/4桩—完全截除”进行，每次截除完成后应及时塞入钢垫片，截桩采用绳锯施工，空隙为2cm，并塞入1.8cm厚钢垫片。既有承台下方的4根桥桩应对角线依次截除，并根据既有承台的高程变化，随时调整顶升位移。

　　 为保证托换承台与既有承台共同受力，在既有承台底部和侧部进行植筋，同时在新建承台底部预留钢筋，采用封固承台的形式确保既有承台与新建承台共同受力。植筋采用16钢筋，锚固长度340mm，按300mm×300mm梅花形布置，可根据现场情况适当调整孔位，避免损伤承台内部钢筋。植入锚固钢筋并采用A级胶填充。

　　 为加强既有承台与封固承台之间的摩擦力和咬合力，除植入钢筋外，还应对既有桥桩与承台连接部位表面进行界面处理。

　　 建和桥既有桥桩采用1.5m人工挖孔桩，混凝土强度等级为C25，每根桩采用16根20钢筋(二级钢)，箍筋为10，间距200mm。采用盾构直接切削既有混凝土桥桩可行，但需对刀具进行改造，费用较高，且盾构切削存在一定风险;另外，由于在新、老承台之间截断既有桥桩，仍有部分桥桩在新承台范围内，盾构机的顶推力及振动会对新承台产生水平推力，故采用先人工破除桥桩后盾构再通过的方案。

　　 在主动托换受力转换完成后，封固承台，使新、老承台同时受力。在新承台边缘开挖2m×2m施工竖井，并在新托换承台下方施工横通道，横通道净空尺寸为2m(宽)×2.5m(高)。在横通道内采用人工挖孔桩破除盾构隧道施工影响范围内桥桩的方法。既有桥桩破除采用水钻和风镐配合施工，碎渣采用卷扬机垂直运输。人工挖孔桩采用玻璃纤维筋护壁，破除至盾构下方0.5m，人工挖孔桩范围采用C15素混凝土回填，然后再盾构通过 ^[8]。

　　 施工前对建和桥进行了工前检测 ^[9]，检测内容包括桥梁几何形态参数、结构恒载变异状况调查、材质强度检测与评定、混凝土检测、钢筋保护层厚度检测、结构自振频率检测、基础与地基检测以及桥梁的静载及动载试验。

　　 根据工前评估 ^[10]，采用自动化监测与常规监测相结合的方式，对托换施工全过程进行监测，监测精度0.01mm。异形板块托换时主要监测项目的控制值、预警值和监测值，如表2所示，自动化监测结果表明，所采取的措施满足工前评估的各项指标要求。

　　 在不中断交通的情况下，对大轴力异形板桥梁进行桩基主动托换，通过对关键工序的控制，使结构变形得到有效控制。自动化监控量测数据显示，托换过程中既有桥梁的变形和受力安全可靠，各变形控制指标满足设计和工前评估要求，可为类似工程的设计和施工提供借鉴。