可调节支架在保护桥梁工程中的应用

1　工程概况

新加坡滨海湾金沙综合娱乐城的配套工程——P8402标包括采用明挖暗埋法施工的2条地铁都市线和环线的隧道工程，由上海城建隧道股份（新加坡）公司承建，明挖法隧道基坑的开挖深度在北基坑超过30m，基坑西侧与不属于P8402合同范围内的DCS（区域冷却系统）基坑共用1道地下连续墙，基坑东侧T字幅地下连续墙与一座名为本杰明薛尔斯桥的桥台相距不到10m，图1为P8402基坑与受影响桥跨的相对位置示意图。


　　本杰明薛尔斯桥（可简称薛尔斯桥）建成于1981年，是目前境内长度最长、净空最高的桥梁，属于新加坡的标志性建筑。该桥的桥墩、桥台由群桩承台基础支撑，基坑开挖会使22#桥墩产生水平位移，尽管在基坑靠桥梁一侧采用了大刚度的T字幅地下连续墙加钢支撑设计；毗邻的DCS基坑采用逆作法施工，但数值计算表明，但基坑施工产生的附加剪力将破坏现有的桥墩与桥面板间的抗剪支座的联结 ，一旦水平位移超出南面桥台容许的最大水平位移（45mm）时，桥面板将出现严重的开裂和破损情况，对属于东海岸公园快速路的本杰明薛尔斯桥的桥面车辆通行造成不便和安全隐患。
2　保护桥梁的方法
　　2.1　常用的保护桥梁方法
　　对解决临邻近深基坑工程的桥墩的保护，一般可根据现场条件选择以下一种或几种方法：
　　深基坑内侧的坑底的土体加固，如预先进行注浆加固；
　　对深基坑围护结构加固，如在基坑围护外围增设树根桩；
　　对桥墩基础土体进行加固，如根据深基坑施工期间的实测位移随时进行跟踪注浆，以控制水平位移；
　　对桥墩本身进行加固，如枕木满布式支架法、扁型千斤顶法和气囊顶升法等，辅助承担可能的附加力或者完全托换、承担全部荷载。
　　采用可调节式支架方案
　　对于桥龄接近27年的老桥，为充分利用在现有支护设计下桥墩处于结构上安全这一有利条件，采用既能允许桥梁在设计容许范围内发生水平位移，减低附加剪力的影响；又能分阶段控制施工造成的水平偏差位移，防止因施工意外因素造成过大的偏差的方案，是经济可行的。
　　用3只可调节式加固支架置换现有设在桥墩上的7只支座（见图2），在可调节式支架起作用前，需将原来的7个支座全部切开。


3　可调节支架的结构及保护原理
　　3.1 可调节支架的结构
　　该支架由上、下2段的外部固定部分和内部中间可调节部分组成，可调节部分由支杆、套筒、滑块（侧面和楔形）及调节螺栓组成，见如下支架侧视图、C-C正视图截面及A-A水平截面示意图。


　　可调节支架的保护原理
　　桥梁的竖向荷载由中间的支杆承担。调节螺栓B1、B6可与B4、B5配合，推动套筒的前后移动（为主要的调节方向），而调节螺栓B2、B3可与B7、B8配合推动套筒的左右移动；拧紧螺栓，固定支杆对中后的套筒位置。支杆对中时，与套筒内钢隔板开孔之间有5mm的间隙，使得支杆可在水平方向上自由滑动，不会使桥墩与桥面板间发生附加剪应力；当相对水平位移超出5mm时，由螺栓顶紧固定的套筒，阻止支杆的水平位移，因而能限制水平偏差位移的发展。松开调节螺栓，使套筒可自由前后移动，将支杆调至套筒中心，使得支架承受的剪力重新削减到零。
4 可调节支架在工程中的应用
　　4.1 可调节支架的安装
　　可调节支架的上、下段，分别通过种筋固定在板梁和22#桥墩上，如上图3所示。
　　1）先安装位于22#桥墩两侧的支架1和支架3（见图2）；
　　2）调节支架1和支架3的支杆位置至套筒中心，拧紧螺栓固定套筒位置。每只支架的螺栓拧紧的次序为：先采用普通扳手拧紧螺栓B2、B3、B7及B8；然后采用扭力扳手拧紧螺栓B1、B4、B5及B6，并将扭力扳手的扭矩值设定为40N·m；
　　3）安装最后一个位于中间的支架2，安装及螺栓拧紧次序同上；
　　4）将原有22#桥墩7只支座全部切开，使荷载全部转至新安装的3只支架上，待工程结束后，再原位安装7只新支座。
　　4.2　支架调节的次序
　　若监测资料显示桥墩水平位移达到阶段限值5mm时，启动调节机制：
　　1）先上报设计及现场设计代表（监理），由其批准决定进行支杆对中调节；
　　2）支架1和2保持锁紧状态，将位于中间的支架3的支杆调至套筒中心，每只支架的螺栓拧紧次序与安装分3种情况：　　
　　⑴将支架上部固定段的螺栓B1、B4、B5及B6拧松，每次拧1/4圈，将套筒对中；拧动B1和B6，将楔形滑块轻轻顶到套筒即止；采用扭力扳手拧紧B4和B5，将扭力扳手的扭矩值设定在40N·m；最后同样采用扭矩设定为40N·m的扭力扳手拧紧B1和B6。　　
　　⑵当累积位移已经使得只调上部固定段螺栓无法对中时，将支架上部及下部固定段的螺栓B1、B4，B5及B6一起拧松，每次拧1/4圈，将套筒对中；再依次调节拧紧下部及上部的各螺栓。
　　⑶若仍无法调节对中时，可进行横向调节，即将螺栓B2、B3、B7和B8放松，每次拧1/4圈，直至将套筒对中，采用普通扳手将B2、B3、B7和B8拧紧，直至所有螺栓拧紧。
　　3）同样将支架1和3保持锁紧状态，将支架2 的支杆调至套筒中心；支架2和3保持锁紧状态，完成支架1的调中，如上重复调整直至3个支架的支杆均处于无剪应力状态。
　　4.2 观测点的布置
　　为满足基坑开挖过程中对本杰明薛尔斯桥的监测要求，在桥墩、桥面板、桥台及土体中一共布置了57处观测点，下图所示为22#桥墩与桥台上设置的4个B型棱镜观测点PB 2T、 PB 3T、PB 8T及PB 9T(数字后的T指棱镜置于桥墩柱顶，如为B则指棱镜置于桥墩柱底，如图4所示)。


　　4.3 监测结果
　　自2008年8月6日观测开始，P8402施工期间监测到水平位移偏差超过5mm的有6次，经驻地工程师批准后做了对中调整，具体日期为2008.10.17、11.18、2009.1.6、4.8、7.17、及2009.8.21，如图5所示。


　　2009年10月底，随着底板施工的进展，P8402基坑施工对周边土体变形的影响已经减弱，实际上，对薛尔斯桥的观测一直持续到2010年8月5日，即工程实质完工之后的一个月。
　　支架调整的效果
　　对中调整操作简单，只需安排2个工人，在监测工程师和驻地工程师代表见证下，按照调整方案规定的次序，即可完成操作，整个过程只需1h左右。由于可允许自由水平位移，释放了产生的附加剪力，在现场进行支架的对中调整，使偏差水平位移重新调零，可继续进行下一步的观测。
　　整个施工期间，只发生过1 次因桥台的不均匀沉降而造成的桥面不平导致的修补，从未发生因偏差水平位移造成的路面破损情况，达到了预期的效果。
5 结语
　　采用可调节支架加固桥墩的工法，在实际工程中应用并不多见，因此本工程的可调节支架并非从市场直接采购，而是根据本工程特点度身定做。设计首先确定可容许桥梁体的水平位移量，并利用这一条件，用可调节支架将旧桥现有支座置换，省去了常用的地基加固和桥梁结构体加固的费用；但必须考虑到，由于该工法是基于容许桥体变形来抵消附加剪应力，因此对施工监测、基坑开挖控制、应急机制以及桥梁维护管理等软配套方面提出了更高的要求。P8402项目在实践中较好地执行了各方面的要求，发挥了可调节支架工法的成本低、应用简单的优势，通过介绍可调节支架在新加坡P8402项目中的成功应用，可为今后类似工程问题的解决提供一个有益的借鉴。