地鐵施工中既有樁基托換技術

周志云,歐陽晶,李紅鵬

(西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

隨著城市化的快速發展，受城市空間和環境的限制，為了緩解地面交通壓力，越來越多的城市開始修建地鐵。然而地鐵隧道與普通的山嶺隧道有所不同，除了更高的技術標準外，地鐵還經常會穿越各種建筑物的基礎。當基礎為樁基礎時，為了保證施工期間及地鐵運營期間內建筑物的穩定及安全，需要對侵入隧道的樁基進行處理，而這種處理一般都是通過托換的方法來實現。樁基托換即利用新的加固、支撐體系改變等措施對基礎進行處理，以達到建筑物在結構的受力平衡和建筑物的穩定等效果。本文通過理論計算和現場檢測數據就成都地鐵2#線西沿線中高壓鐵塔樁基托換進行介紹。

1 工程概況

成都地鐵2#線二期工程位于成都市區，線路呈東西走向，是城市軌道交通主干線，本工程為土建1標，包括三個盾構區間隧道：盾構始發井～外語學校站、外語學校站～中間風井、中間風井～互助站，隧道起于盾構始發井，止于互助站西端。線路自西向東從盾構始發井出發，先后經過銀河西路、新港路、銀河東路、晨風路、金周路，最后到達互助站。本段工程地面環境的主要特點為：區間隧道位于城市道路下，下穿多處民房，側穿、下穿候太東線高壓鐵塔。沿線地層以自穩性較差的砂、卵石為主，雖然對區間隧道結構影響較小，但在盾構施工過程中對地面沉降影響較為敏感。因此太東線高壓鐵塔1、2#樁基托換是始發井～外語學校站區間的一個控制工程，地面條件允許，可以進行地下托換，即進行地面樁基托換。

1.1 地質概況

成都地鐵2#線二期工程位于川西平原岷江水系I、II級階地上，為侵蝕～堆積地貌，地層以自穩性較差的砂、卵石為主。隧道采用盾構法施工，隧道頂埋深為10～25 m。高壓鐵塔所在地土層構成為素填土厚2 m、粉質粘土、粉土3 m、細砂土2 m、以下為卵石土。

1.2 水文地質條件

區間地下水主要是第四系孔隙水，主要賦存于各個時期沉積的卵石土及砂層中，土體透水性強、滲透系數大，地下水水量豐富，是本區段內地下水的主要存在形式。第四系孔隙水基本都賦存在全新統(Q4)的砂、卵石土中，兩層砂卵石層含水極其豐富，形成一個整體含水層，為孔隙潛水。據勘察報告，卵石土綜合含水層滲透系數K為15～24 m/d，本盾構區間水質類型以HCO3-―Ca2+型為主，經判定對混凝土及鋼筋混凝土結構中的鋼筋均無腐蝕性，但對鋼結構有弱腐蝕性。

1.3 高壓鐵塔樁基概況

依據項目部提供的高壓鐵塔的基礎調查資料以及基礎與隧道的相互位置關系如圖1，可以看到天河路太東線高壓鐵塔的1、2號樁基礎均已經侵入了隧道內部，均為樁徑φ1 000的人工挖孔樁，樁長16～20 m，需要進行樁基托換。

圖1 隧道與樁基的關系示意

2 ANSYS有限元計算模擬

采用有限元軟件ansys建模計算，其中樁和托換梁均采用三維彈性梁beam4單元，土體采用solid45單元，管片采用shell63單元。樁頂荷載520 kN,行人荷載5 kN(單樁)，所有材料服從D-P準則。材料參數按表1采用。

表1 材料參數

模型見圖2，尺寸為66 m×37 m×60 m，托換樁與被托換樁與隧道關系見圖3計算時通過控制單元的生死，來模擬盾構的推進過程以及管片的施加，最后經過統計工地實測的鐵塔累計沉降和理論計算對比可以得到圖4(從托換之日算起)。

圖2 三維模型

圖3 隧道與樁基的關系

圖4 鐵塔的理論沉降和實際沉降曲線

可以得到的結論：實際沉降與理論計算吻合較好，理論最大沉降為18.625 mm，實際最大沉降18.545 mm，沉降主要發生在盾構機通過鐵塔下方這一段時間內，在托換后1個月基本能夠完成沉降。

3 樁基托換實際施工

考慮到場地的情況及地基的特點，截斷的被托換只能在被托換的樁旁邊采用人工挖孔樁施工。經過計算表明，采用普通鋼筋混凝土大梁(400 mm×600 mm)和φ1 200 mm的人工挖孔樁組成新的受力體系，并且采用預頂措施達到消除托換樁沉降引起的高壓電塔的沉降和傾斜，從而達到主動托換的目的。

3.1 施工步驟

第一步：加固地層，開挖基坑到設計標高(比托換樁設計標高低500 mm)。

第二步：托換樁施工，采用人工挖孔樁。在灌注混凝土至基坑底面標高時，在樁頂預埋鋼板。

第三步：澆筑水平大梁，待樁和梁均達到了設計強度后，在樁頂用千斤頂頂緊大梁。千斤頂所施加的力按支座反力標準值考慮。采用10級分級加載。大梁的主要撓曲和托換樁的主要沉降都在此階段完成。加力過程中加強鐵塔的監控，在被托換樁上抬量超過1.2 mm時，停止加力并用鋼管墊塊加塞楔塊頂緊并與鋼板焊接后置換千斤頂。

第四步：澆筑梁樁結合部位的混凝土，采用C35微膨脹混凝土，在澆筑前應先鑿毛梁樁表面，并把樁和梁預留鋼筋焊接牢固，回填基坑，恢復地面。

第五步：待盾構機到達樁基處，鑿除侵入隧道內的被托換樁基。

3.2 托換期間施工監測

(1)樁基托換和盾構施工期間，必須對電塔進行沉降和傾斜觀測，并且制定專門的監測措施。

(2)在樁基托換施工期間，監測梁的撓度和柱的豎向位移的測點應當布置在梁的兩端和梁樁交界處。

(3)在托換樁加載時應當采用分級加載方式，每級荷載增量為千斤頂荷載加載上限的10 %，最大不得超過15 %，不能一次加到設計值，每級加載后保持20 min以上。被托換樁上抬量不得超過1 mm，大于這個值應該停止加載。托換梁的開裂不得大于0.18 mm，當大于這個值時需停止加載。

(4)對高壓鐵塔的監測應該在縱橫兩個軸線上進行，鐵塔的整體傾斜不得超過0.003，所用的全站儀精度要求高于0.1 mm。

(5)在托換完成后，人需要監測兩星期，監測數據要及時反饋。在盾構機到達鐵塔前方30 m和盾尾過鐵塔30 m的時間段內需要對鐵塔傾斜沉降和地表沉降進行監測，并且及時把結構反饋給項目部。監測頻率為每天兩次，如有需要可以根據具體情況調整。盾構機通過是要保證軸線上沉降不得超過20 mm。

(6)嚴格按照規范要求施工，保證工程質量及安全，維護環境。

4 結論

(1)根據工程現場的特點，制定切實可行的施工方案是隧道施工能否進行的關鍵。

(2)托換期間和盾構通過時，監控量測非常重要，及時的反饋監測信息，是工程安全以及工程質量的保證。

(3)理論計算和現場監測數據比較吻合，說明施工過程是合理的，能夠保證工程的安全。

(4)托換會引起新樁附近應力的劇烈變化，特別是樁地下3～5倍樁徑范圍內的土體豎向應力(人工挖孔樁)，因此，在托換前可以根據被托換樁承受的荷載對地層進行注漿加固，以避免造成土體的沖切破壞。

(5)鐵塔的整體沉降主要發生在盾構通過后，并且在盾構通過的過程中沉降量變化最大，因此，監測是必要的。

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