地鐵施工中既有樁基托換技術(shù)

周志云,歐陽晶,李紅鵬

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

隨著城市化的快速發(fā)展，受城市空間和環(huán)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)外，地鐵還經(jīng)常會穿越各種建筑物的基礎(chǔ)。當(dāng)基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)時(shí)，為了保證施工期間及地鐵運(yùn)營期間內(nèi)建筑物的穩(wěn)定及安全，需要對侵入隧道的樁基進(jìn)行處理，而這種處理一般都是通過托換的方法來實(shí)現(xiàn)。樁基托換即利用新的加固、支撐體系改變等措施對基礎(chǔ)進(jìn)行處理，以達(dá)到建筑物在結(jié)構(gòu)的受力平衡和建筑物的穩(wěn)定等效果。本文通過理論計(jì)算和現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)就成都地鐵2#線西沿線中高壓鐵塔樁基托換進(jìn)行介紹。

1 工程概況

成都地鐵2#線二期工程位于成都市區(qū)，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(biāo)，包括三個(gè)盾構(gòu)區(qū)間隧道：盾構(gòu)始發(fā)井～外語學(xué)校站、外語學(xué)校站～中間風(fēng)井、中間風(fēng)井～互助站，隧道起于盾構(gòu)始發(fā)井，止于互助站西端。線路自西向東從盾構(gòu)始發(fā)井出發(fā)，先后經(jīng)過銀河西路、新港路、銀河?xùn)|路、晨風(fēng)路、金周路，最后到達(dá)互助站。本段工程地面環(huán)境的主要特點(diǎn)為：區(qū)間隧道位于城市道路下，下穿多處民房，側(cè)穿、下穿候太東線高壓鐵塔。沿線地層以自穩(wěn)性較差的砂、卵石為主，雖然對區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)影響較小，但在盾構(gòu)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(fā)井～外語學(xué)校站區(qū)間的一個(gè)控制工程，地面條件允許，可以進(jìn)行地下托換，即進(jìn)行地面樁基托換。

1.1 地質(zhì)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(wěn)性較差的砂、卵石為主。隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道頂埋深為10～25 m。高壓鐵塔所在地土層構(gòu)成為素填土厚2 m、粉質(zhì)粘土、粉土3 m、細(xì)砂土2 m、以下為卵石土。

1.2 水文地質(zhì)條件

區(qū)間地下水主要是第四系孔隙水，主要賦存于各個(gè)時(shí)期沉積的卵石土及砂層中，土體透水性強(qiáng)、滲透系數(shù)大，地下水水量豐富，是本區(qū)段內(nèi)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(tǒng)(Q4)的砂、卵石土中，兩層砂卵石層含水極其豐富，形成一個(gè)整體含水層，為孔隙潛水。據(jù)勘察報(bào)告，卵石土綜合含水層滲透系數(shù)K為15～24 m/d，本盾構(gòu)區(qū)間水質(zhì)類型以HCO3-―Ca2+型為主，經(jīng)判定對混凝土及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋均無腐蝕性，但對鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性。

1.3 高壓鐵塔樁基概況

依據(jù)項(xiàng)目部提供的高壓鐵塔的基礎(chǔ)調(diào)查資料以及基礎(chǔ)與隧道的相互位置關(guān)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(chǔ)均已經(jīng)侵入了隧道內(nèi)部，均為樁徑φ1 000的人工挖孔樁，樁長16～20 m，需要進(jìn)行樁基托換。

圖1 隧道與樁基的關(guān)系示意

2 ANSYS有限元計(jì)算模擬

采用有限元軟件ansys建模計(jì)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(zhǔn)則。材料參數(shù)按表1采用。

表1 材料參數(shù)

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(guān)系見圖3計(jì)算時(shí)通過控制單元的生死，來模擬盾構(gòu)的推進(jìn)過程以及管片的施加，最后經(jīng)過統(tǒng)計(jì)工地實(shí)測的鐵塔累計(jì)沉降和理論計(jì)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(guān)系

圖4 鐵塔的理論沉降和實(shí)際沉降曲線

可以得到的結(jié)論：實(shí)際沉降與理論計(jì)算吻合較好，理論最大沉降為18.625 mm，實(shí)際最大沉降18.545 mm，沉降主要發(fā)生在盾構(gòu)機(jī)通過鐵塔下方這一段時(shí)間內(nèi)，在托換后1個(gè)月基本能夠完成沉降。

3 樁基托換實(shí)際施工

考慮到場地的情況及地基的特點(diǎn)，截?cái)嗟谋煌袚Q只能在被托換的樁旁邊采用人工挖孔樁施工。經(jīng)過計(jì)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(yù)頂措施達(dá)到消除托換樁沉降引起的高壓電塔的沉降和傾斜，從而達(dá)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(shè)計(jì)標(biāo)高(比托換樁設(shè)計(jì)標(biāo)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(biāo)高時(shí)，在樁頂預(yù)埋鋼板。

第三步：澆筑水平大梁，待樁和梁均達(dá)到了設(shè)計(jì)強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)鐵塔的監(jiān)控，在被托換樁上抬量超過1.2 mm時(shí)，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(jié)合部位的混凝土，采用C35微膨脹混凝土，在澆筑前應(yīng)先鑿毛梁樁表面，并把樁和梁預(yù)留鋼筋焊接牢固，回填基坑，恢復(fù)地面。

第五步：待盾構(gòu)機(jī)到達(dá)樁基處，鑿除侵入隧道內(nèi)的被托換樁基。

3.2 托換期間施工監(jiān)測

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

(2)在樁基托換施工期間，監(jiān)測梁的撓度和柱的豎向位移的測點(diǎn)應(yīng)當(dāng)布置在梁的兩端和梁樁交界處。

(3)在托換樁加載時(shí)應(yīng)當(dāng)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(shè)計(jì)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(gè)值應(yīng)該停止加載。托換梁的開裂不得大于0.18 mm，當(dāng)大于這個(gè)值時(shí)需停止加載。

(4)對高壓鐵塔的監(jiān)測應(yīng)該在縱橫兩個(gè)軸線上進(jìn)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(jiān)測兩星期，監(jiān)測數(shù)據(jù)要及時(shí)反饋。在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)鐵塔前方30 m和盾尾過鐵塔30 m的時(shí)間段內(nèi)需要對鐵塔傾斜沉降和地表沉降進(jìn)行監(jiān)測，并且及時(shí)把結(jié)構(gòu)反饋給項(xiàng)目部。監(jiān)測頻率為每天兩次，如有需要可以根據(jù)具體情況調(diào)整。盾構(gòu)機(jī)通過是要保證軸線上沉降不得超過20 mm。

(6)嚴(yán)格按照規(guī)范要求施工，保證工程質(zhì)量及安全，維護(hù)環(huán)境。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)工程現(xiàn)場的特點(diǎn)，制定切實(shí)可行的施工方案是隧道施工能否進(jìn)行的關(guān)鍵。

(2)托換期間和盾構(gòu)通過時(shí)，監(jiān)控量測非常重要，及時(shí)的反饋監(jiān)測信息，是工程安全以及工程質(zhì)量的保證。

(3)理論計(jì)算和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)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(yīng)力的劇烈變化，特別是樁地下3～5倍樁徑范圍內(nèi)的土體豎向應(yīng)力(人工挖孔樁)，因此，在托換前可以根據(jù)被托換樁承受的荷載對地層進(jìn)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(fā)生在盾構(gòu)通過后，并且在盾構(gòu)通過的過程中沉降量變化最大，因此，監(jiān)測是必要的。

[1] GB 50157-2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

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