地鐵車(chē)站高架橋墩下樁基托換施工監(jiān)測(cè)技術(shù)

李　文　蔣雙南　左　敏　周　迎

(1.武漢市車(chē)都軌道交通有限公司，武漢　430000 2.華中科技大學(xué)　土木學(xué)院工程管理研究所，武漢　430074)

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地鐵車(chē)站高架橋墩下樁基托換施工監(jiān)測(cè)技術(shù)

李文1蔣雙南2左敏2周迎2

(1.武漢市車(chē)都軌道交通有限公司，武漢430000 2.華中科技大學(xué)土木學(xué)院工程管理研究所，武漢430074)

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)建設(shè)，城市軌道交通建設(shè)得到快速發(fā)展。但受舊有城市規(guī)劃的制約，新的地鐵在施工中將不可避免地會(huì)部分穿越既有建(構(gòu))筑物的基礎(chǔ)。如何進(jìn)行既有建筑物樁基的托換施工及風(fēng)險(xiǎn)控制成為地鐵施工中不可避免的技術(shù)、管理問(wèn)題。本文以某城市地鐵車(chē)站高架橋墩樁基托換為例，對(duì)樁基托換方案設(shè)計(jì)、施工工藝及安全監(jiān)測(cè)工作等做了詳細(xì)論述，為在復(fù)雜施工環(huán)境和地質(zhì)條件下進(jìn)行既有橋梁樁基托換的施工技術(shù)及安全風(fēng)險(xiǎn)管理工作積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

樁基托換； 既有橋梁； 施工工藝； 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)； 施工設(shè)計(jì)

1　引言

樁基托換技術(shù)是進(jìn)行地基處理和加固的一種方式，主要解決既有建筑物的地基加固問(wèn)題、既有建筑物基礎(chǔ)下需要修建地下工程以及新建建筑工程影響到既有建筑物安全時(shí)需要處理等問(wèn)題[1]。近年來(lái)隨著城市地下工程的大量建設(shè)，應(yīng)用托換技術(shù)的工程數(shù)量日益增多[2]。然而樁基托換技術(shù)技術(shù)難度大、費(fèi)用較高、工期較長(zhǎng)，是一種風(fēng)險(xiǎn)性較強(qiáng)的特殊施工方法[3-4]。本文結(jié)合某城市地鐵施工實(shí)例，介紹樁基托換技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用并對(duì)其設(shè)計(jì)、施工工藝及安全監(jiān)測(cè)等工作等做出詳細(xì)論述，并總結(jié)復(fù)雜施工環(huán)境和地質(zhì)條件下進(jìn)行既有橋梁樁基托換的施工及安全風(fēng)險(xiǎn)管理工作的經(jīng)驗(yàn)。

2　工程概況

2.1設(shè)計(jì)概況

某城市立交橋?yàn)槟媳敝毙懈呒埽鼐€東西向規(guī)劃寬不等。20#—22#橋墩基礎(chǔ)采用墩下設(shè)兩根直徑為1.20m的鉆孔灌柱樁，樁距為3.30m，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)均為43.65m，實(shí)際施工樁長(zhǎng)分別為43.51m、43.55m、43.65m，樁尖均坐落在粉、細(xì)砂層中，樁基承臺(tái)尺寸為5 500×1 800×1 500mm(長(zhǎng)×寬×高)， 20#、22#承臺(tái)邊距離車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)最小距離分別為5.3m、3.28m。

該城市地鐵車(chē)站為地下三層13m島式站臺(tái)車(chē)站，車(chē)站總長(zhǎng)323.5m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.3m，站后設(shè)雙線雙列位停車(chē)線。車(chē)站中心里程處標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬22.3m、基坑深度約為23.937m，高架橋下基坑寬約23.6m，基坑深約24.6m，橋面下車(chē)站主體基坑擬采用蓋挖法施工，圍護(hù)擬采用1m地連墻加四道砼支撐的支護(hù)形式。車(chē)站與高架橋示意圖如圖1所示。

圖1　車(chē)站與橋樁施工示意圖

2.2工程地質(zhì)

場(chǎng)區(qū)地貌單元為長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地，屬河流堆積平原區(qū)。地層主要為近代人工填筑土層(Qml/)、湖積層(Q/4l/)、第四系全新統(tǒng)沖積層(Q/4al/)及沖洪積層(Q/4al+pl/)。場(chǎng)區(qū)基巖為志留系(S/2f)泥巖，巖面整體較為平緩，局部有所起伏。

如圖2所示， 1-1層為雜填土， 1-3a層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土， 3-1層為黏土， 3-1a層為褐黃色粉質(zhì)黏土， 3-1b層為粉砂， 3-5層為粉質(zhì)黏土夾粉砂， 4-1層為粉、細(xì)砂， 4-2層粉、細(xì)砂全線呈巨厚層狀分布，揭示層厚5.10～18.50m。20a-1層為強(qiáng)風(fēng)化泥巖20a-2層為中等風(fēng)化泥巖。20a-3層為微風(fēng)化泥巖。

圖2　工程地質(zhì)示意圖

3　橋墩樁基托換施工風(fēng)險(xiǎn)控制分析

3.1樁基托換總體方案

在基坑開(kāi)挖的范圍內(nèi)，隨著土體的卸載橋樁側(cè)摩阻力損失，為了彌補(bǔ)21#橋樁樁基在基坑開(kāi)挖過(guò)程中摩阻力及整體穩(wěn)定性損失，在基坑開(kāi)挖前對(duì)21#橋樁進(jìn)行樁基托換，即在車(chē)站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工前，首先在被托換樁沿高架橋兩側(cè)各施做兩根鉆孔灌注樁作為托換樁，托換樁樁長(zhǎng)53m，且樁底進(jìn)入(20a-3)微風(fēng)化泥巖層的距離不少于1m； 然后放坡開(kāi)挖至設(shè)計(jì)新增承臺(tái)底部標(biāo)高，在基坑內(nèi)施工新增型鋼混凝土承臺(tái)包住既有承臺(tái)，新增承臺(tái)與既有承臺(tái)之間采用界面處理劑及植筋的方式進(jìn)行連接； 待新增承臺(tái)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開(kāi)挖橋面下主體基坑。

20#、22#橋樁樁基位于車(chē)站主體基坑兩側(cè)，為降低橋面下地連墻施工對(duì)20#、22#橋樁的影響，對(duì)橋面下車(chē)站主體圍護(hù)地連墻槽壁進(jìn)行高壓旋噴加固。

考慮到托換樁施工過(guò)程中對(duì)21#橋墩樁基的影響，采用回旋鉆正循環(huán)成孔工藝，提高泥漿質(zhì)量，防止坍孔。

如圖3所示，樁基托換主要施工工序如下：

(a)托換樁對(duì)稱(chēng)施工

(b)新增承臺(tái)，施工車(chē)站主體結(jié)構(gòu)

(c)施工車(chē)站砼墊層、底板及隔墻

(d)回填、恢復(fù)管線及交通圖3　樁基托換施工工序

(1)進(jìn)行交通疏解，遷改管線，施工圍擋，破除路面；

(2)施工四根托換樁，且托換樁對(duì)稱(chēng)施工；

(3)放坡開(kāi)挖至托換基坑底標(biāo)高，施工砼墊層，澆筑新建承臺(tái)；

(4)待高樁承臺(tái)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，橋面下地連墻槽壁加固，施工車(chē)站主體圍護(hù)，開(kāi)挖橋面下基坑。隨著豎向開(kāi)挖至橫系梁底標(biāo)高，依次施工墊層及橫系梁；

(5)待橫系梁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，繼續(xù)開(kāi)挖車(chē)站主體基坑至基坑底標(biāo)高，施工車(chē)站砼墊層及保護(hù)層，施工車(chē)站底板及隔墻；

(6)隨著施工車(chē)站主體結(jié)構(gòu)，依次向上回填隔墻內(nèi)填土至承臺(tái)底。回填車(chē)站頂板覆土，恢復(fù)管線，恢復(fù)交通。

托換基坑安全等級(jí)為一級(jí)，變形控制等級(jí)為一級(jí)。根據(jù)《基坑工程技術(shù)規(guī)程》(DB42/T159-2012)及《6號(hào)線施工設(shè)計(jì)技術(shù)要求》的要求，基坑一倍范圍內(nèi)有重要保護(hù)對(duì)象時(shí)，水平位移變形控制標(biāo)準(zhǔn)分別為δ≤40mm，最大水平位移≤0.15%h，且≤30mm，地面最大沉降量≤0.15%h，其中h為基坑開(kāi)挖深度(m)。因此經(jīng)比較計(jì)算，控制標(biāo)準(zhǔn)為：最大水平位移≤3.75mm，地面最大沉降量≤0.15%h(約3.75mm)； 托換橋樁與既有橋樁共同作為永久結(jié)構(gòu)承擔(dān)上部荷載； 在托換過(guò)程及車(chē)站施工過(guò)程中高架橋樁基水平位移控制在10mm內(nèi)，沉降控制在20mm內(nèi)且橋梁變形控制指標(biāo)應(yīng)由該高架橋產(chǎn)權(quán)單位確認(rèn)，保護(hù)方案須經(jīng)產(chǎn)權(quán)單位同意后方能施工。

3.2托換基坑及托換體系設(shè)計(jì)

3.2.1托換基坑

樁基托換基坑深約2.45m，基坑安全等級(jí)一級(jí)，采用放坡開(kāi)挖，放坡坡率1： 1，面層噴100mm厚C20素混凝土護(hù)坡。

3.2.2托換體系設(shè)計(jì)

對(duì)21#橋樁進(jìn)行主動(dòng)托換的方案，即在原被托換樁沿橋方向兩側(cè)新增四根托換樁，將新增承臺(tái)包裹原承臺(tái)形成一個(gè)整體。

(1)托換樁采用C30鉆孔灌注樁，直徑均為1 200mm，樁長(zhǎng)為53m，且樁底進(jìn)入(20a-3)微風(fēng)化泥巖不小于1m。且在每根托換樁內(nèi)沿樁周預(yù)埋3根直徑60的注漿管用于后壓漿。

(2)新增承臺(tái)采用C40、P8防水鋼筋砼，承臺(tái)為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，承臺(tái)尺寸為8 000×6 400×2 300mm(長(zhǎng)×寬×高)，原承臺(tái)表面鑿毛、植筋，新澆筑砼包裹原承臺(tái)，在原承臺(tái)上下設(shè)置型鋼，按四樁承臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，型鋼之間采用鋼筋焊接連接成型鋼鋼架。減少開(kāi)挖深度和施工中對(duì)高架橋的影響，同時(shí)減少新承臺(tái)施工對(duì)車(chē)站主體結(jié)構(gòu)的影響。

3.3車(chē)站基坑開(kāi)挖時(shí)橋樁保護(hù)設(shè)計(jì)

隨著橋面下主體基坑開(kāi)挖，土體應(yīng)力場(chǎng)重新分部，對(duì)20#～22#橋樁進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)，以降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

(1)槽壁加固

圖4　高架橋下保護(hù)設(shè)計(jì)圖

如圖4所示， 20#、22#橋樁樁基位于車(chē)站主體基坑兩側(cè)，橋面下地連墻施工下因受凈空的限制，需采用特殊機(jī)械，成槽時(shí)間長(zhǎng)； 鋼筋籠需分批吊裝分段連接，吊裝時(shí)間長(zhǎng)； 圍護(hù)落底，成槽深度深； 場(chǎng)區(qū)地貌單元為長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地，承壓水頭高，且側(cè)壁有(1-3a)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，自穩(wěn)能力差，場(chǎng)區(qū)地質(zhì)差； 因此槽壁具有暴露時(shí)間長(zhǎng)，成槽深度深，側(cè)壁地質(zhì)差等特點(diǎn)，施工中槽壁有坍槽的可能，為降低橋面下地連墻施工坍槽對(duì)20#、22#橋樁的影響，在橋面下地連墻擬開(kāi)挖約40m范圍內(nèi)槽壁兩側(cè)采取高壓旋噴加固，加固深度為地面以下47m，且加固深度應(yīng)比20#、22#樁端長(zhǎng)不小于1m。加固完成后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥1.0MPa，抗?jié)B系數(shù)小于10-7/cm/s。

(2)豎向連梁設(shè)計(jì)

隨著橋面下基坑開(kāi)挖，沿著橋樁豎向共采用兩道砼橫系梁連接，橫系梁與既有橋樁之間采用植筋連接，與托換樁之間采用預(yù)留鋼筋接駁器連接，橫系梁Ⅰ、Ⅱ截面尺寸為800×1 000mm和600×1 000mm。豎向聯(lián)系梁平面配筋圖如圖5所示。

圖5　豎向聯(lián)系梁平面配筋圖

(3)地下水處理

橋面下主體圍護(hù)采用地連墻落底加旋噴樁接縫止水，采用坑內(nèi)疏干降水，坑外設(shè)置減壓井，降低坑內(nèi)外水頭差。

(4)隔墻內(nèi)回填

橋樁樁基與主體結(jié)構(gòu)隔墻之間隨主體結(jié)構(gòu)向上施工，依次向上回填隔墻內(nèi)填土至承臺(tái)底標(biāo)高。

4　施工監(jiān)測(cè)分析

4.1施工監(jiān)測(cè)要求

(1)本樁基托換基坑安全等級(jí)為一級(jí)，基坑變形控制保護(hù)等級(jí)為一級(jí)。

(2)由于歷史上該高架橋發(fā)生過(guò)樁基傾斜的情況，在樁基托換前應(yīng)進(jìn)行高架橋現(xiàn)狀評(píng)估。

(3)在主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工前，要求先進(jìn)行第三方監(jiān)測(cè)，為施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)及可能產(chǎn)生的糾紛提供必要的依據(jù)。

(4)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控測(cè)量應(yīng)貫穿整個(gè)施工過(guò)程始終，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)工作的監(jiān)測(cè)頻率應(yīng)根據(jù)施工進(jìn)度確定。結(jié)構(gòu)變形過(guò)大或場(chǎng)地情況變化時(shí)應(yīng)加密量測(cè)，有事故征兆時(shí)則需連續(xù)監(jiān)測(cè)。每次監(jiān)測(cè)工作結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)提交監(jiān)測(cè)報(bào)告和處理意見(jiàn)。當(dāng)遇到突發(fā)情況時(shí)應(yīng)加密監(jiān)測(cè)，并做出相應(yīng)處理，及時(shí)上報(bào)。

(5)托換樁施工過(guò)程應(yīng)加強(qiáng)對(duì)高架橋墩的變形監(jiān)測(cè)及目測(cè)橋面裂縫發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，其中橋墩監(jiān)測(cè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)17#～23#橋墩。

(6)樁基托換基坑正常情況下監(jiān)測(cè)頻率： 2次/天； 植筋及澆筑承臺(tái)過(guò)程中4次/天； 在橋樁下部主體基坑開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)連續(xù)監(jiān)測(cè)。

(7)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目警戒值

①電力、電信管線：沉降及水平位移均不得超過(guò)10mm，每天發(fā)展不得超過(guò)2mm；

②高架橋樁基水平位移控制在10mm，沉降控制在20mm內(nèi)(此警戒值須由高架橋產(chǎn)權(quán)單位確認(rèn))。

(8)施工前須征得高架橋產(chǎn)權(quán)單位同意且盡早展開(kāi)溝通與協(xié)調(diào)，如產(chǎn)權(quán)單位有特殊要求，盡快通知監(jiān)理及設(shè)計(jì)，即使調(diào)整設(shè)計(jì)方案。盾構(gòu)機(jī)周邊1m，共計(jì)16個(gè)，B型孔孔深42m，低于盾構(gòu)機(jī)底部3m，共計(jì)13個(gè)； 同時(shí)設(shè)置2個(gè)測(cè)溫孔T1、T2，深42m。

4.2重點(diǎn)部位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

圖6　施工監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

如圖6，取20#、21#、22#三個(gè)橋墩的監(jiān)測(cè)點(diǎn)Q05～Q12的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化情況，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具體時(shí)間取2014年12月15日到2015年11月12日這一時(shí)間段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總。

相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表累計(jì)沉降變化情況如圖7所示。

(a)建筑物沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

(b)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析圖7　監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析圖

2015年4月20日左右，為降低橋面下地連墻施工坍槽對(duì)20#、22#橋樁的影響，在橋面下地連墻擬開(kāi)挖約40m范圍內(nèi)槽壁兩側(cè)采取高壓旋噴加固。并在20#、22#橋樁預(yù)加固區(qū)打入隔離樁，由于注漿及打入隔離樁所產(chǎn)生的壓力較大，橋樁均有所隆起，尤其Q07監(jiān)測(cè)點(diǎn)隆起速率最大，在5月10日達(dá)到最大值12.56mm。

加固區(qū)施工結(jié)束后，隨著托換樁的施工開(kāi)始，橋樁又開(kāi)始逐漸沉降。6月10日，托換樁施做完成，此時(shí)前期由于槽壁加固導(dǎo)致的隆起和托換樁施工引起的沉降基本到達(dá)中和狀態(tài)。此時(shí)隆起值最大為Q07處(6.59mm)，沉降最大為Q12(-1.33mm)。

7月18日施做高架橋下地下連續(xù)墻，因橋面下方空間限制，成槽深度深，施工時(shí)間長(zhǎng)，槽壁暴露時(shí)間長(zhǎng)，側(cè)壁地質(zhì)差等因素導(dǎo)致開(kāi)挖過(guò)程中土體擾動(dòng)造成水土的損失，橋樁又開(kāi)始有不同程度的沉降。由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析圖可知， 20#橋樁監(jiān)測(cè)點(diǎn)Q12沉降最為明顯，至9月6日地連墻施做完成，Q12累計(jì)沉降量最大達(dá)到-7.29mm。

由此可知，槽壁加固以及基底加固產(chǎn)生的土層壓力會(huì)導(dǎo)致橋樁隆起。而托換樁(鉆孔灌注樁)及地連墻施工易導(dǎo)致水土損失，因而引起地面沉降。

5　結(jié)論

本文結(jié)合某城市地鐵車(chē)站高架橋墩下樁基托換實(shí)際施工情況，對(duì)樁基托換施工技術(shù)進(jìn)行綜合的風(fēng)險(xiǎn)控制分析，有利于施工的正常有序進(jìn)行，同時(shí)還可以為將來(lái)類(lèi)似的工程提供施工經(jīng)驗(yàn)，具有重要的指導(dǎo)意義。

通過(guò)分析得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)在地鐵施工過(guò)程中，應(yīng)關(guān)注周邊環(huán)境狀況，利用設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)和合理的施工工藝設(shè)計(jì)對(duì)施工的周邊環(huán)境進(jìn)行有效地保護(hù)，對(duì)施工技術(shù)方面采取符合實(shí)際水文地質(zhì)概況的應(yīng)對(duì)措施，這樣可以對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)起到良好的控制作用。

(2)在施工現(xiàn)場(chǎng)不同部位埋設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)能有效的提高安全監(jiān)控范圍，對(duì)其施工過(guò)程將要出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行很好的預(yù)警及反饋，并能讓現(xiàn)場(chǎng)施工人員及時(shí)采取處理措施，有效避免險(xiǎn)情的發(fā)生。

(3)通過(guò)對(duì)地鐵車(chē)站高架橋墩下樁基托換施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以了解托換施工的某些監(jiān)測(cè)項(xiàng)目需得到重點(diǎn)關(guān)注。例如，施工過(guò)程中20#、21#、22#樁基周?chē)牡乇沓两盗窟h(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它幾個(gè)樁基的沉降量，由此需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率，重點(diǎn)關(guān)注20#、21#、22#樁基周?chē)鞅O(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)變化情況，做好有效的防范措施。

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Application of Viaduct Pile Foundation Underpinning in Metro Construction

Li Wen1， Jiang Shuangnan2, Zuo Min2， Zhou Ying2

(1.WuhanAuto-cityTramTransportationCo.，Ltd.，Wuhan430074，China; 2.SchoolofCivilEngineering&Mechanics，HuazhongUniversityofScience&Technology，Wuhan430074，China)

Railway construction has been developed rapidly.But during the construction of a new subway，the tunnel will inevitably pass through the foundation of buildings.How to control the risk of underpinning construction and protect existing buildings becomes an inevitable challenge.The paper focuses on the management and technology used in Viaduct Pile foundation underpinning，elaborates the design，construction technology and safety monitoring work.The provided valuable experience of bridge pile foundation underpinning construction in complex environments and geological conditions is helpful to security risk management.

Foundation Underpinning； Existing Bridges； Construction Technology； Data Monitoring； Construction Design

國(guó)家自然科學(xué)基金“地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空耦合機(jī)理及實(shí)景仿真預(yù)警技術(shù)研究”(編號(hào)：71471072)

李文(1966-)，女，高級(jí)工程師。主要研究方向：地鐵工程風(fēng)險(xiǎn)控制。

U412.37；U445;U443.15

A

1674-7461(2016)01-0095-05

10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.01.17