基礎托換技術在地鐵建設中的應用

丁賽華 葉建忠

(浙江省交通規劃設計研究院,310006,杭州∥第一作者,教授級高級工程師)

地鐵通常在城市密集區內敷設。早期的城市規劃沒有考慮地鐵線網的布局,導致地鐵施工下穿既有密集的建(構)筑物時有發生。如何處理好既有建筑物和地鐵隧道的空間位置關系以及工程安全,成為工程實施的難點。特別是當隧道設計線路橫穿既有建筑物下部樁基礎時,必須對樁基采取托換,以保證既有建筑物和新建地鐵隧道的安全。

1 托換技術簡介

樁基托換即為“偷梁換柱“,就是在已經建成的建筑物中,重新施筑托換大梁,把既有柱與托換大梁連接起來,使上部已經存在的荷載轉換到托換大梁,再通過托換大梁傳遞到新施筑的托換樁,從而用托換結構代替被托換樁以承受上部建筑的荷載。其目的就是要在基本維持上部結構受力變形不變、保證托換建筑物使用安全的前提下,將需托換的既有樁基承受的上部荷載有效地轉移到新施筑的托換結構上。

樁基托換的關鍵在于荷載轉換,效果體現在變形的有效控制。二者構成了樁基托換的核心。樁基托換設計與實施正是圍繞此核心問題展開的。根據托換原理的不同,樁基托換分為主動托換與被動托換兩種形式。

主動托換是當托換建筑物托換荷載大、變形控制要求嚴格,需要通過主動的變形調節來保證變形要求。即在托換樁切除之前對新樁和托換結構施加荷載,使需要托換的柱在上頂力的作用下,隨托換大梁一起上升,從而克服由于托換大梁剛度不足可能產生的上部建筑物較大的沉降;同時也通過預加載消除部分新樁和托換結構的變形,使托換樁和結構的變形可以控制在較小的范圍。因此,主動托換方式對變形的控制具有主動性。較有代表性的此類工程有深圳地鐵一期工程區間隧道穿越百貨廣場工程[1]。該工程托換11根樁,最大軸力為15 734 kN,樁基托換工程施工難度大,作業時間長,是目前世界上托換樓層最高、單樁托換荷載最大的托換工程。該工程極其復雜,具有較強代表性。

被動托換是托換建筑物托換荷載小、變形控制要求不甚嚴格,依靠托換結構自身的截面剛度,可以在結構完成后即將托換樁切除,直接將上部荷載通過托換梁(板)傳遞到新樁,而不采取其它調節變形的措施。托換后既有建筑物及托換結構的變形不能再進行調節,上部建筑物的沉降由托換結構承受變形的能力控制,變形控制為被動適應。由于對變形無法有效控制,該托換方式在地鐵工程中應用較少。

2 工程實例

2.1 工程概況

深圳地鐵某區間隧道穿越1棟5層框架結構廠房。廠房采用柱下獨立承臺樁基礎。區間采用雙洞雙線礦山法施工,平曲線半徑400 m,線間距15.8 m。隧道與建筑物的平面關系如圖1所示。該廠房需要托換的柱下獨立承臺共18個,每個承臺下為6～9根預應力管樁,需托換的樁數量較多。圖2為需托換的承臺平面布置情況。

圖1 區間下穿建筑物平面圖

圖2 需托換承臺平面布置圖

大樓經過十余年的使用,工后沉降已基本完成。由于僅對大樓部分范圍實施樁基托換,托換部分的二次變形必須嚴格控制在一定范圍內,以保證該廠房整體性能不受影響。根據主動托換主動控制變形的優勢,對本區間下穿廠房采取預應力主次梁的主動托換方式。

2.2 地質情況

區間托換范圍內上覆第四系人工堆積層、坡積層、殘積層,下伏基巖包括侏羅系中統角巖、砂巖,加里東期混合花崗巖等。主要地層概述如下:

(1)素填土,雜色,成分以碎石為主,棱角狀,直徑3～15 cm 不等,體積分數為60%左右,稍濕,稍密,層厚約1.5 m。

(2)素填土,褐黃、褐紅色,可塑,成分以含礫粉質黏土為主,層厚約1 m。

(3)淤泥質粉質黏土,褐、灰褐色,可塑,含少量有機質及砂粒,砂粒的體積分數約5%～10%,層厚約1.5 m。

(4)粉土,淺黃、褐黃色,飽和,中密,土質均勻,層厚約2 m。

(5)碎石土,褐黃色,主要成分為中、微風化的砂巖,呈棱角狀,2～7 cm不等,體積分數約30%,層厚約1 m。

(6)粉質黏土,青灰、褐灰、少量呈褐黃色,可塑,原巖結構可辨析,由下伏角巖風化殘積而成,層厚約7 m。

(7)中風化角巖,灰、灰黑色,晶體結構,塊狀構造,礦物成分以長英質為主,黑云母、方解石次之,巖體破碎,巖芯呈碎塊狀,裂面有浸染,層厚約8 m。

(8)微風化角巖,灰、灰黑色,晶體結構,塊狀構造,巖質較破碎,以短柱狀及塊狀為主,頂面埋深約21 m。

2.3 托換方案

2.3.1 設計主要原則及要求

根據國內主要城市樁基托換施工經驗并考慮本工程的具體情況,本樁基托換工程需遵循以下幾個基本原則及要求:

(1)基礎托換后,托換結構體系使用年限不少于被托換建筑物剩余使用年限,新托換結構體系的承載力必須具備足夠的保證和儲備。

(2)樁基托換完成后,必須保證建筑物原有功能,不得改變首層的結構和平面布置,維持原室內凈空。

(3)根據《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2002)[2]對建筑物地基變形允許值的規定,托換體系引起的相鄰柱基沉降差必須嚴格控制在允許附加變形范圍以內。

(4)托換施工過程中,必須采取有效措施可靠地將荷載由被托換樁轉換到托換樁上。

(5)樁基托換完成后,應保證區間隧道的施工安全;樁基本身應考慮由于礦山法區間施工降水對新樁產生的負摩阻力等不利影響。

2.3.2 托換主要步驟

托換工程由托換結構施工及荷載傳遞過程實施兩部分組成。主要施工步驟如圖3所示。

圖3 托換主要步驟

2.3.3 托換樁設計

由于樁基施工必須在廠房內進行,而室內凈空無法滿足鉆孔灌注樁及靜壓樁等的施工要求,故根據場地地質情況,本托換工程采用直徑1 500 mm的人工挖孔樁作為托換新樁。為減小托換樁后續沉降帶來的不利影響,托換樁按端承樁設計,樁端進入中風化層不少于2 m,且其深度需超過隧道底4.0 m以下。托換體系如圖4所示。

使用PKPM結構計算軟件,由廠房基本組合荷載工況得出柱底反力。使用SAP84結構通用計算軟件建立計算模型,以柱底反力作為托換梁荷載輸入,以托換樁為支座,計算支座反力,作為各人工挖孔樁的承載力設計值。圖5為計算模型示意。

基樁承載力設計值滿足下列兩式:

式中:

R——基樁承載力設計值;

N——基本組合下計算所得支座反力;

Quk——基樁豎向極限承載力;

γsp——綜合抗力分項系數。

根據建筑物原設計文件中給出的單根預應力管樁承載力設計值,確定本托換工程共設托換樁23根,單樁承載力設計值為6 000～8 000 kN。

圖4 托換體系橫剖面圖

圖5 計算模型示意圖

2.3.4 建筑物變形的有效控制

托換結構體系中,柱底內力視為作用荷載,托換樁基視為支承;托換梁承受上部結構傳來的荷載并將這些荷載傳遞給下部托換樁基,在力學上起到承上啟下的作用。由于既有結構物經歷了十余年的使用過程,變形與受力已達到一種彈塑性平衡狀態,基礎托換過程勢必引起上部結構的內力重分布。一方面,托換梁變形取決于被托換柱的內力;另一方面,被托換柱的內力又與托換梁的變形有關。兩者互相牽制,協同工作。

控制建筑物變形是樁基托換工程中最為關鍵的問題之一。首先,結構物對托換引起的變形非常敏感,且托換結構體系大部分變形是在上部結構與下部樁基逐步分離過程中完成的,故托換工程對控制不均勻變形的要求比新建工程更高[4]。此外,由于存在一棟樓房部分樁基被托換、其余部分未被托換的情況,應避免托換區與非托換區的結構產生過大的相對沉降變形。這對托換區結構體系的后續沉降提出了較高要求。

根據現行有關規范,參考國內外托換工程有關資料,結合本工程實際情況,該工程的建筑物沉降變形按表1要求控制。

表1 被托換建筑物變位控制指標

2.3.5 梁柱節點的設計

托換梁與柱節點的處理是保證荷載有效傳遞的關鍵。該節點的處理如圖6所示。將原有承臺用切割機鋸槽。槽寬為150 mm,槽深為100 mm,以增大界面面積。在被托換結構柱位上,短方向采用3排精扎螺紋鋼收緊。

圖6 托換梁柱節點圖

3 信息化施工體系

樁基托換是風險性、技術性很高的工作,其施工監測是決定工程成敗的重要一環。施工中,應通過全過程監測及時反饋,并根據反饋信息指導托換程序。監測內容主要包括:建筑物的沉降、傾斜及裂縫觀測,地面沉降及裂縫觀測,地下水位觀測,托換梁變位及裂縫觀測,托換樁、被托換柱、既有柱高程監測,分步液壓參數監測等。

監測工作應注意以下幾點:

(1)需對建筑物初始狀態進行觀測,基礎托換施工前應對被托換建筑物的先期變形、結構裂縫情況進行周密調查及現場錄像,以確定被托換建筑物的控制標準,確保上部結構的正常使用。

(2)樁基托換、地層加固施工和區間施工期間,必須對房屋沉降、結構變形和裂縫開展等進行監測,并制定專門的監測措施。

(3)樁基托換施工期間,監測梁撓度和柱豎向位移的測點布置在梁兩端及梁與柱交點處。

(4)托換樁預頂加載采用分級加載原則,共分10級加載;每級荷載增量為千斤頂加載上限的10%,不可一次加載到最大值;每級加載需保持10 min,等結構穩定后方可加次級荷載。被托換樁的上抬量不能大于1 mm,被托換柱的下沉量不能大于3 mm。

4 結語

樁基托換作為地鐵建設及地下空間開發中保護既有建筑物的主要手段日益被采用。然而,托換技術是一項具有較大風險性的特殊技術,必須精心設計,精心施工,并對全過程實施監測,才能保證托換工程的成功。

樁基托換的關鍵在于荷載的轉換與變形的控制,必須做到以下幾點:

(1)新舊混凝土連接應有可靠措施,保證托換梁與被托換柱間荷載的有效傳遞。

(2)應根據《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2002)及有關規范的規定,結合建筑物的自身特點,確定合理的建筑物變形允許值,保證托換后建筑物的正常使用功能。

(3)千斤頂頂升過程中,通過實施監測,保證托換變形控制在柱端下沉3 mm、上頂1 mm范圍內。經過國內同類工程驗證,證明此要求是合理的。

[1]王浩.深圳地鐵下穿百貨廣場特大軸力樁基托換技術研究[D].成都:西南交通大學,2007.

[2]GB 50007—2002 建筑地基基礎設計規范[S].

[3]谷偉平,李國雄.廣州市地鐵1號線基礎托換工程的理論分析與設計[J].巖土工程學報,2000,22(1):95.

[4]涂強.大軸力樁基托換變形控制值確定[J].鐵道工程學報,2008(2):26.