微型鋼管樁樁基托換在廣州地鐵工程中的應用

魏玉省

(中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133)

0 引言

為了應對日益擁堵的城市交通，城市軌道交通線網需要加密，新規劃的線路往往要穿越人口密集的老城區，地鐵線路不可避免地要下穿一些建構筑物，導致建構筑物的基礎侵入隧道，需要樁基托換，盾構機才能夠通過。所謂樁基托換［1］就是采用新增加基礎工程的方法，對既有的建構筑物某一部位的基礎結構進行部分或者完全替換，并與原有基礎共同承擔上部荷載，以取得預期的沉降和沉降差控制效果。

樁基托換根據鑿樁前是否采用預先頂升等措施來消除新樁和托換結構的沉降變形可以分為主動托換［2－3］和被動托換［4－6］。主動托換適用于大噸位和控制變形嚴格的工程，被動托換適用于小噸位、結構物對變形要求不太嚴格的工程。樁基托換中常用樁的類型為鉆孔灌注樁［4］、微型鋼管樁［5］、錨桿靜壓樁［7］、人工挖孔樁、樹根樁等。目前有關采用微型鋼管樁進行被動托換和加固的文獻中:文獻［4］闡述了廣州地鐵三號線區間隧道下穿明麗園建筑物采用微型鋼管樁進行被動托換的施工技術;文獻［5］研究了在施工條件受限的情況下采用微型鋼管樁在大噸位橋梁淺基礎加固中的應用技術;文獻［6］介紹了深圳地鐵一號線下穿華中國際酒店采用無砂混凝土鋼管樁進行被動托換的工程實例。以上文獻主要論述了采用微型鋼管樁進行樁基托換或加固的案例，對樁基的沉降計算等方面論述較少，本文通過托換方案比選、樁基沉降理論計算、施工監測等多方面論述，說明本工程采用微型鋼管樁群樁+承臺受力體系進行托換是成功的。

1 工程概況

廣州地鐵五號線草暖公園—小北站區間盾構隧道在里程ZDK8+231.390處下穿內環路高架A匝道(橋面結構是簡支箱梁，橋面板寬度是8.5 m，2車道)。其A4樁基(樁徑1500mm、樁長20.043m)侵入盾構隧道內1.65 m，需要先樁基托換，盾構機才能通過。A4樁基的橋墩位于地面寬度為5 m的綠化帶內，綠化帶南、北兩側均為環市東路車道，路面交通車流量大。樁基北側有1根φ1 200 mm鋼管給水管，埋深2.63 m，南側是1根φ500mm的混凝土排水管，埋深2.21m。A4樁處橋面板到地面的高度約3.5 m。

A4樁基從地面到隧道底地層依次為雜填土、粉質黏土、強風化石英砂巖、中風化花崗巖，地層厚度分別為 2.9，4.3，14.8，9.7 m。地下穩定水位在地面下約 2 m，強風化石英砂巖裂隙很發育，透水性強。左線盾構隧道與A4樁基位置關系、地質柱狀圖詳見圖1。

2 托換方案分析

根據工程所處的環境、工程地質條件，可行的托換方案主要有地面微型鋼管樁群樁被動托換、地面樁梁式主動托換和地下暗挖小導洞托換3個方案。方案設計及其對比詳見表1。

從對周邊環境影響、技術難度、工程造價、工期等綜合比較發現:地面微型鋼管樁施工不需要大型設備，橋下施工難度小，且工序轉換相對簡單，工期短、造價低，內環路A匝道A4樁基托換推薦采用方案1，即微型鋼管樁被動托換+人工挖孔鑿樁方案。

表1 托換方案分析表Table 1 Comparison and contrast between different underpinning schemes

圖1 盾構隧道與A4樁基位置關系及地質柱狀圖Fig.1 Relationship between shield-bored tunnel and A4 pile foundation and geological logs

3 托換方案設計

托換方案確定后，需要對方案進行詳細設計，微型鋼管樁和承臺組成的支撐體系承擔A4樁截斷后上部傳下來的荷載，方案設計主要有以下幾個方面。

3.1 承臺基坑支護設計

基坑長12.5 m、寬 7.1 m、深 3 m，支護形式采用土釘墻支護，北側采用超前φ114 mm、壁厚3 mm的鋼管，間距500 mm，垂直放坡;其他側采用1∶0.5放坡，坡面上噴射100 mm厚C20混凝土，掛單層φ6.5@200 mm×200 mm鋼筋網。

3.2 微型鋼管樁設計

1)根據承載力計算，需要18根長8 m的微型鋼管樁，鉆孔φ300mm，內插φ219mm、壁厚4.5mm 的鋼管，樁底要求進入強風化石英砂巖不少于4 m，每根樁承載力特征值為450 kN。

2)豎向每500 mm沿鋼管周邊均勻開3個φ30 mm的小孔，孔口下焊接100 mm長的φ20 mm短鋼筋。

3)鋼管內、外灌注C30細石微膨脹混凝土。

4)鋼管頂部插4φ18鋼筋，每根長1 300 mm，下部插入鋼管600 mm，上部錨入承臺。

5)鋼管樁進入承臺100 mm。

3.3 承臺設計

1)承臺設計為臺階式。

2)上承臺長4 500 mm、寬4 500 mm、高1 500 mm，包裹A4樁既有承臺，新舊承臺之間采用植筋連接。

3)下承臺長7 500 mm、寬4 500 mm、高1 000 mm，上托A4樁既有承臺。

4)為了讓新舊承臺共同協調作用，新舊混凝土界面均要求處理，將舊混凝土表面鑿毛，深度宜為10～20 mm，鑿毛后用水清洗干凈，在新加承臺混凝土澆搗前4 h內刷界面處理劑。

微型鋼管樁、承臺設計詳見圖2。

圖2 微型鋼管樁、承臺設計圖(單位:mm)Fig.2 Design of micro steel pipe piles and pile cap(mm)

3.4 微型鋼管樁承載力驗算

1)樁基類型按照摩擦樁考慮。

2)樁長要求進入強風化石英砂巖不少于4 m，樁長8 m。

3)〈5－1〉粉質黏土、〈5－2〉粉質黏土、強風化石英砂巖的極限摩阻力標準值分別取40，65，165 kPa，強風化石英砂巖極限端承力標準值取1 800 kPa。

4)計算單根鋼管樁極限承載力。根據JGJ 1994—2008《建筑樁基技術規范》計算

式中:μ為樁身周長;qsik為樁周第i層土的極限摩阻力標準值;qsp為樁底土的極限端承力標準值;li為樁穿越第i層土的厚度。

將各值代入式(1)，得:

5)鋼管樁單樁承載力特征值Ra=953kN/2=478kN。

6)鋼管樁群樁承載力計算:478×18=8 604 kN＞7 700 kN(上部結構荷載和車輛荷載設計值)，滿足承載力要求。

3.5 鑿樁孔及通道設計

1)鑿樁孔采用人工挖孔，孔深14.9 m。

2)人工挖孔外徑2 400 mm、內徑2 000 mm、護壁厚度200 mm。

3)通道采用暗挖法施工，采用直墻拱形斷面(寬2 500 mm、高2 500 mm、長3 670 mm)，單層襯砌，襯砌厚度250 mm，架設格柵鋼架，噴射C25混凝土。

4 樁基沉降計算

4.1 樁基沉降的主要因素

1)A4樁鑿除后，上部荷載轉移到微型鋼管樁上的沉降。

2)盾構機從鋼管樁下掘進通過時的地層沉降。

3)承臺基坑較淺和鑿樁人工挖孔孔徑較小，二者開挖引起的樁基沉降可以不計。

4.2 樁基沉降控制標準

1)樁基傾斜≤0.004，傾斜指基礎傾斜方向兩端點的沉降差與其距離比值，A4樁與相鄰樁基距離為25.4 m。

2)樁基沉降按照內環路設計單位提出的沉降標準≤15 mm。

4.3 鋼管樁沉降計算

4.3.1 單樁的沉降計算

樁在荷載作用下主要有樁身壓縮沉降Sc、樁底沉渣的壓縮沉降Ss和樁底持力層壓縮沉降Sb，樁底持力層壓縮沉降近似用半無限彈性體公式計算，樁底沉降［10］計算公式為將式(3)—(5)代入式(2)，得:

式中:h，hs分別為樁長及樁底沉渣厚度，取8，0 m;p0為樁頂荷載，430 kN;A，A0分別為樁身截面積及樁底截面積，均為0.071 m2;d，D分別為樁徑及樁底直徑，均為0.3 m;Ec，Es，E0分別為樁身混凝土彈性模量、沉渣壓縮模量、樁底持力層變形模量，取30 000 MPa、不考慮、200MPa;ω為樁底形狀系數，圓形樁ω取0.79;v為樁底持力層泊松比，土層v為0.3～0.4，巖層 v為0.2～0.3;Qsk為單樁極限摩阻力標準值，826 kN。因樁底采用壓漿工藝，沉渣厚度考慮為0m。

單根樁基沉降S1=3.0mm。

4.3.2 群樁影響系數

群樁沉降主要是受樁距和樁側土層剪切應力傳遞的綜合作用而引起的，群樁影響系數［8］

式中:a為樁間距;d為樁徑;n為樁根數。

將各值代入式(6)計算，得:

4.3.3 樁基的最終沉降S

4.4 盾構隧道掘進引起的地層沉降計算

盾構隧道計算作為平面應變問題來近似處理，考慮圍巖與結構的共同作用、分步施工過程，采用平面有限元數值計算模型進行模擬計算。計算范圍上取至地面，下取至隧底下10m處，橫向取至距洞室中線15 m，采用2D－σ程序進行模擬計算，計算模型為Mohr-Coulomb法則。計算模型及位移網格圖分別見圖3和圖4。隧道地表沉降為1.08mm，樁端處的沉降為2.1mm。

4.5 鋼管樁基礎的總沉降

托換前期沉降量為5.79mm，盾構掘進樁端沉降量為2.1 mm，因此鋼管樁樁基礎總的沉降量為7.89 mm。

5 施工關鍵技術

5.1 鋼管樁施工工序及技術要求

1)基坑開挖到底后，準確定位鋼管樁位置進行鉆孔施工。

2)放置加工好的φ219鋼管，并在管內放置混凝土下料管和樁底注漿管。

3)用清水清孔直到孔口流出清水，要求孔底沉渣厚度不大于50 mm。

4)灌注C30微膨脹細石混凝土，并在混凝土強度達到70%時進行樁底注漿，注漿壓力為2.0～3.0MPa，保證樁底與巖層以及鋼管側壁的有效接觸。

5)在細石混凝土初凝前插入豎向連接筋。

5.2 新舊承臺混凝土連接技術措施

1)為了讓新、舊承臺結構共同協調作用，新舊混凝土界面均應處理。

2)將舊混凝土表面鑿毛，深度宜為10～20 mm，承臺盡可能鑿成上大下小呈倒錐形狀，以增大新舊混凝土面的抗剪能力，然后再植筋。

3)鑿毛后用水清洗干凈，在新加混凝土澆搗前4h內刷界面處理劑。

4)新承臺混凝土澆填時，特別是與舊承臺接觸面的混凝土振搗必須密實。

5.3 人工挖孔、鑿樁施工及技術措施

1)在承臺混凝土強度達到設計強度的70%后才能施工鑿樁人工挖孔。

2)人工挖孔挖到底后采用暗挖法施工橫通道。

3)開挖到A4樁基后再向下人工挖孔直至開挖到A4樁底。

4)從A4樁樁底開始鑿除樁基，并鑿除樁基鋼筋，直至鑿除到設計標高。

5)回填人工挖孔及橫通道。人工挖孔樁采用夯實土回填，上部用片石混凝土封堵固結;回填土使用前應分別取樣測定其最大干容重和最佳含水量并做壓實試驗，確定填料含水量控制范圍、鋪土厚度和壓實遍數等參數。回填施工時應分層壓實，每層的分層厚度和壓實遍數應滿足規范要求，壓實度≥90%。對于回填困難處，可采用水泥砂漿注漿壓密回填。

5.4 盾構掘進通過樁基時的施工措施

1)盾構掘進通過前，要進行盾構刀盤等設備維修，保證盾構機良好的掘進性能。

2)同步注漿必須飽滿，及時進行二次注漿，防止地層沉降、失水。

3)控制好盾構掘進姿態、出土量等參數，盡可能確保土倉的壓力持續穩定，以保證盾機機刀盤前的地層掌子面穩定。

4)盾構掘進通過樁基時，應加強對A4樁及相鄰樁基的沉降監測頻率。

5.5 施工監測

1)監測項目。A4樁基及相鄰樁基的沉降、傾斜，橋面板裂縫觀測，地面沉降及裂縫，地下水位監測等。

2)各施工階段橋面板結構沉降控制要求和控制值。原A4樁未鑿樁前，施工鋼管樁及樁基礎承臺，人工挖孔樁、橫向通道施工，地下水位下降，樁側產生負摩擦引起的沉降，橋面板結構基本不產生沉降，沉降值不得大于5 mm;原A4鉆孔樁鑿樁后，由新設鋼管樁承受上部荷載，橋面板結構基本不產生沉降，沉降值不得大于5mm;地鐵盾構隧道掘進施工階段，橋面板結構基本不產生沉降，沉降值不得大于5 mm。

3)監測結果。樁基托換施工完成和盾構掘進通過后的A4樁基的總沉降量為7.5 mm，相鄰A3，A5樁基沉降量較小，且與理論計算A4樁總的沉降量7.89 mm是接近的。

6 結論

樁基沉降理論計算結果與監測結果基本一致，滿足內環路高架設計單位提出的沉降值不大于15 mm的要求，說明樁基沉降計算方法是正確的，內環路高架A匝道A4樁采用微型鋼管樁群樁托換方案是合理的、可行的，對于類似環境條件下的工程具有借鑒意義。

［1］ 呂劍英.我國地鐵工程建筑物基礎托換技術綜述［J］.施工技術，2010，39(9):8 － 12.(LV Jianying.Overview of foundation underpinning technology in subway project of China［J］.Constrution Technology，2010，39(9):8 － 12.(in Chinese))

［2］ 王世君.樁基托換技術在廣州地鐵三號線工程中的應用［J］.施工技術，2006，35(6):49 －52.(WANG Shijun.Application of pile underpinning technology in line three of Guangzhou Metro［J］.Constrution Technology，2006，35(6):49 －52.(in Chinese))

［3］ 呂劍英，薛煌.利用地下導洞實現樁基托換的設計方法［J］.現代隧道技術，2007，44(1):27 －30.

［4］ 桂林.廣州地鐵三號線某區間樁基托換施工技術［J］.市政技術，2005，23(3):154 －156.(GUI Lin.The construction technique of pile foundation underpinning for line 3 in a section of Guangzhou Metro［J］.Municipal Engineering technology，2005，23(3):154 －156.(in Chinese))

［5］ 楊金剛.微型鋼管樁在大噸位橋梁淺基礎加固中的應用［J］.山西建筑，2010，36(13):301 －302.(YANG Jin’gang.The application of micro steel pipe pile in large tonnage bridge shallow foundation reinforcement［J］.Shanxi Architecture，2010，36(13):301 －302.(in Chinese))

［6］ 劉建國.被動樁基托換及無砂混凝土鋼管樁施工新技術［J］.隧道建設，2003，23(5):23 －25.

［7］ 劉國斌，蔣鋒平.錨桿靜壓樁樁基托換機理探討［J］.施工技術，2004，33(1):12 － 14.(LIU Guobin，JIANG Fengping.Discussion of anchored pile foundation underpinning mechanism［J］.Constrution Technology，2004，33(1):12 －14.(in Chinese))

［8］ 馮衛星，韓文忠.廣州地鐵三號線大瀝盾構區間樁基加固處理［J］.巖土力學，2004，25(3):486 －490.(FENG Weixing，HAN Wenzhong.Pile foundation treatment for interval shield tunneling from Datang station to Lijiao station of No.3 Guangzhou subway［J］.Rock and Soil Mechanics，2004，25(3):486 －490.(in Chinese))

［9］ 薛煌.洞內樁梁式托換在廣州地鐵工程中的應用［J］.隧道建設，2006，26(6):34 － 37.(XUE Huang.Application of pilebeam underpinning in Guangzhou Metro project［J］.Tunnel Construction，2006，26(6):34 －37.(in Chinese))

［10］ 賴瓊華.樁基沉降使用計算方法［J］.巖土力學與工程學報，2004，23(6):1015 － 1019.(LAI Qionghua.Practical calculation procedure of pile foundation settlement［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(6):1015 －1019.(in Chinese))