地下空間工程中結(jié)構(gòu)托換設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究

潘陽(yáng)之 浙江華展工程研究設(shè)計(jì)院有限公司

地下空間工程在當(dāng)前城市的發(fā)展中占據(jù)著重要的地位，合理、高效地開(kāi)發(fā)城市地下空間資源，對(duì)擴(kuò)大城市總體面積、提高城市綜合防災(zāi)能力、緩解城市交通壓力有重要作用，如地鐵、地下商場(chǎng)等，其中最重要的就是地鐵工程。隨著城市的發(fā)展，地鐵線路相比于原有的規(guī)劃增多，導(dǎo)致穿過(guò)原有的建筑，破壞建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，減弱建筑的承載力。對(duì)此，應(yīng)用基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)托換技術(shù)可有效解決[1]。

1 結(jié)構(gòu)托換設(shè)計(jì)研究的背景、目的及意義

在我國(guó)城市逐漸步入現(xiàn)代化和大型化的過(guò)程中，城市交通出行也越來(lái)越成為人們關(guān)注的問(wèn)題。地鐵已經(jīng)成為一個(gè)城市交通運(yùn)行的血脈。

當(dāng)前中國(guó)已經(jīng)進(jìn)入地鐵發(fā)展的高速時(shí)代，地鐵所帶來(lái)的交通便利性為人們提供了一種新的出行方式，節(jié)省了更多浪費(fèi)在交通上的時(shí)間。但大部分城市的地鐵規(guī)劃與城市早期發(fā)展設(shè)計(jì)有沖突，新的地鐵線路通常需要穿過(guò)既有的地表建筑物，對(duì)建筑物的基礎(chǔ)造成破壞。除此之外，地下施工還會(huì)造成土體位移，影響周圍建筑物的安全，如何避免對(duì)建筑物造成影響是地下工程實(shí)施需要考慮的重要問(wèn)題[2]。

為了保證既有建筑物的安全，結(jié)構(gòu)托換設(shè)計(jì)是首要方式。結(jié)構(gòu)托換工程的最終目的是將建筑物從原有基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)移到后建立的托換結(jié)構(gòu)上，確保建筑物在施工期間可以正常使用[3]。目前，我國(guó)地下工程的建設(shè)越來(lái)越多，但一些技術(shù)難度較大的特殊工程缺少借鑒案例，因此需要對(duì)托換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)托換的研究現(xiàn)狀

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)托換技術(shù)的起源是英國(guó)的Winchester 教堂，當(dāng)時(shí)是為了解決下沉問(wèn)題，使用混凝土將基礎(chǔ)進(jìn)行托換，但直到20 世紀(jì)30 年代，托換技術(shù)才得以發(fā)展。基礎(chǔ)托換技術(shù)在國(guó)外發(fā)展年限較久，經(jīng)驗(yàn)較為豐富，其主要的托換形式有預(yù)試樁托換、壓入樁托換、灌注樁托換、樹(shù)根樁托換、地下連續(xù)墻托換以及斜向鉆孔樁托換等，技術(shù)種類較多，應(yīng)用較為成熟[4]。

我國(guó)的基礎(chǔ)托換工程起步較晚，但隨著城市化的飛速發(fā)展和舊城改造項(xiàng)目的推進(jìn)，托換技術(shù)的數(shù)量和規(guī)模都取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，并出現(xiàn)了具有一定區(qū)域特點(diǎn)的托換方法，如基礎(chǔ)加壓糾偏托換、錨桿靜壓樁托換以及基礎(chǔ)加強(qiáng)剛度法托換等[5]。總而言之，國(guó)外基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)托換技術(shù)的理論研究已經(jīng)比較深入，在實(shí)際應(yīng)用方面也十分成熟，而我國(guó)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)托換技術(shù)還存在許多不足，無(wú)論是大型的基礎(chǔ)托換工程還是托換技術(shù)形式都不夠豐富，對(duì)托換技術(shù)的研究造成了阻礙。

3 結(jié)構(gòu)托換的定義及分類

3.1 結(jié)構(gòu)托換的定義

通常來(lái)講，結(jié)構(gòu)托換是指在地下建筑的建設(shè)過(guò)程中，為了解決對(duì)地表原有建筑物的威脅，為地表建筑物進(jìn)行地基加固或基礎(chǔ)構(gòu)件替換。運(yùn)用托換技術(shù)的工程被統(tǒng)稱為托換工程，主要包括地下建設(shè)要穿過(guò)的建筑物以及會(huì)受到影響的臨近建筑物[6]。

3.2 按托換原理分類

按照托換原理進(jìn)行分類，結(jié)構(gòu)托換的類型主要包括補(bǔ)救性托換、預(yù)防性托換以及維持性托換。其中，補(bǔ)救性托換是由于既有建筑物的基礎(chǔ)無(wú)法對(duì)建筑物進(jìn)行有效承載，不滿足地基的變形和承載要求，在這種情況下，需要將原有的基礎(chǔ)加深，直至地基具有較好的承載力。另外，當(dāng)?shù)叵萝浲翆舆^(guò)厚或施工時(shí)遇到地下水時(shí)，會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)加深的工作出現(xiàn)困難，可以采用擴(kuò)大原本基礎(chǔ)面積的方式，以提高基礎(chǔ)的承載力[7]。

預(yù)防性托換是為了避免臨近的新建筑物對(duì)原有建筑物產(chǎn)生影響而采用的托換方式，如周圍有隧道或深基坑建設(shè)等。這種托換方式需要將原有建筑物的基礎(chǔ)加深，所應(yīng)用的托換方式包括樁基托換、地基土灌漿托換等。維持性托換是指在新建建筑物的基礎(chǔ)上設(shè)置可頂升的設(shè)施，以避免之后出現(xiàn)地基沉降。

3.3 按托換方法分類

按照托換方法分類可以將托換分為基礎(chǔ)擴(kuò)大托換、坑式托換、樁基托換、加強(qiáng)剛度托換以及基礎(chǔ)減壓托換，另外還有樹(shù)根樁托換、灌漿托換、糾偏托換、頓時(shí)托換以及振沖法托換等。其中，樁基托換通常用于質(zhì)量加大的建筑，這種情況下基礎(chǔ)所承受的荷載較大，應(yīng)用樁基托換可以有效避免托換梁過(guò)大的變形。

3.4 按托換荷載轉(zhuǎn)移方式分類

按照荷載轉(zhuǎn)移方式進(jìn)行分類可以將托換分為主動(dòng)托換和被動(dòng)托換。其中，主動(dòng)托換對(duì)托換整體工作具有較強(qiáng)的控制性，是建筑物基礎(chǔ)承受荷載較大時(shí)所采用的托換方式，可以主動(dòng)調(diào)節(jié)變形，來(lái)滿足托換建筑物對(duì)變形的嚴(yán)格要求。需要在托換新樁和托換梁之間布置千斤頂?shù)仍O(shè)備，利用千斤頂上抬托換大梁，這一過(guò)程可以有效避免因新托換結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不足致使建筑物結(jié)構(gòu)沉降，還可以避免新裝部分產(chǎn)生沉降和變形[8]。

被動(dòng)托換是在基礎(chǔ)荷載較小時(shí)所應(yīng)用的托換方式，這種托換方式對(duì)變形的控制不嚴(yán)格，是在原有樁基卸載過(guò)程中，上部結(jié)構(gòu)荷載隨著樁基的卸載，將載荷轉(zhuǎn)移到新樁基上，完成托換后能夠直接拆除原基礎(chǔ)。但這種托換方式無(wú)法對(duì)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行控制，容易導(dǎo)致建筑物開(kāi)裂。因此，大多數(shù)托換工程都選擇主動(dòng)托換的方式。

4 托換前準(zhǔn)備工作

4.1 被托換建筑物調(diào)查

為了保證托換工作的順利進(jìn)行，要做好托換前準(zhǔn)備工作，詳細(xì)了解被托換建筑物的具體情況。調(diào)查托換建筑物的具體情況，包括查閱原有的地質(zhì)勘察報(bào)告，以確定托換現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件，摸清基礎(chǔ)下方巖層情況、地下水情況以及變化等，為托換方案的初期制定提供依據(jù)。

4.2 施工前卸載

在施工前需要挖除原樁基旁的土體，減小原有樁基的承載力，規(guī)避樁基去除后帶來(lái)的不利影響。這種情況下，可以鑿除上部建筑物的部分填充墻，以減小對(duì)下方基礎(chǔ)的壓力，待托換完成后再重新建造。

4.3 基坑支護(hù)

基坑支護(hù)是順利開(kāi)展托換工作的保證，在實(shí)際工作中，基坑支護(hù)一般有以下兩種方案。一種是在原建筑外圍進(jìn)行排樁支護(hù)，這種支護(hù)方式是將結(jié)構(gòu)柱作為支柱，利用新建的梁板作為支撐。另一種則是采用放坡開(kāi)挖的形式，當(dāng)需要施工的基礎(chǔ)范圍較大時(shí)，先對(duì)地下夾層部分進(jìn)行施工，為了提高安全性，節(jié)省支護(hù)費(fèi)用，可應(yīng)用外圍放坡的方案[9]。

4.4 降排水與止水

在地下水比較豐富的地區(qū)，基礎(chǔ)的下層土層有較厚的細(xì)砂層，這會(huì)降低樁基的承載力，使建筑物發(fā)生沉降，所以要設(shè)定好降排水與止水方案。

一般情況下，排水不通暢會(huì)造成流砂的情況，且當(dāng)?shù)叵滤惠^淺時(shí)，開(kāi)挖場(chǎng)地也容易出現(xiàn)流砂的問(wèn)題。土層中的水除了地下水外，還有地表雨水的滲入以及巖石裂隙水，當(dāng)土層水分較大時(shí)需要進(jìn)行降排水作業(yè)。降排水施工包括基坑內(nèi)降排水以及基礎(chǔ)上部外圍截水，前者可以有效防止流砂，后者可以有效防止地表水滲入。

4.5 托換樁型選擇

樁基托換常見(jiàn)的樁型有壓入樁、灌注樁以及打入樁等。其中，壓入樁和灌注樁是最常用的托換樁型，壓入樁具有承載力高、施工時(shí)無(wú)振動(dòng)、對(duì)原有結(jié)構(gòu)影響較小、施工簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，灌注樁具有適用范圍廣、單樁承載力大、更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的特點(diǎn)。

5 托換技術(shù)分類

5.1 壓入樁托換

壓入樁的作用原理為利用建筑物上部結(jié)構(gòu)的重力作為支撐的反力，將樁體壓入土體中來(lái)進(jìn)行原有基礎(chǔ)的替換，又稱為頂承靜壓樁。其具體施工方法為在基礎(chǔ)的一側(cè)開(kāi)挖，在基礎(chǔ)地面挖開(kāi)缺口，將鋼管樁垂直放入缺口中，在鋼管樁頂部放置鋼板，并利用千斤頂將杠桿裝壓入土中。撤出千斤頂后向管內(nèi)澆灌混凝土，使鋼管樁和原有基礎(chǔ)形成整體承力結(jié)構(gòu)并構(gòu)成新基礎(chǔ)[10]。

隨著結(jié)構(gòu)托換技術(shù)的發(fā)展，壓入樁托換也出現(xiàn)了更多的種類，如預(yù)試樁托換、自承靜壓樁托換、錨桿靜壓樁托換等。其中，錨桿靜壓樁托換（圖1）是一項(xiàng)新的托換技術(shù)，于20 世紀(jì)50 年代在我國(guó)沿海地區(qū)率先應(yīng)用并在機(jī)械技術(shù)的發(fā)展下逐漸向全國(guó)推廣，其優(yōu)點(diǎn)是施工時(shí)無(wú)噪音，且使用設(shè)備簡(jiǎn)單，造價(jià)更低、移動(dòng)靈活，施工更加簡(jiǎn)便，可以在狹窄的條件下進(jìn)行施工。

圖1 錨桿靜壓樁

5.2 樹(shù)根樁托換

樹(shù)根樁托換起源于20 世紀(jì)30 年代，是一種小直徑的就地灌注混凝土樁，主要依靠樁體與土層的摩擦來(lái)承載上部建筑的荷載。其主要施工方式是利用小型鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，穿過(guò)原有基礎(chǔ)進(jìn)入地基土層后形成樁孔，后續(xù)進(jìn)行鋼筋施工并完成混凝土灌注工作，最后形成樹(shù)根樁。當(dāng)前網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)樹(shù)根樁在國(guó)外得到廣泛使用，可以更好地承擔(dān)應(yīng)力，以提高對(duì)建筑物的承載力，減少沉降。

5.3 灌注樁托換

灌注樁托換施工內(nèi)容包括成孔、清孔、下放鋼筋籠、混凝土灌注、鑿除不密實(shí)的混凝土并與上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。在成孔過(guò)程中主要采用鉆孔灌注樁（圖2）以及人工挖孔灌注樁兩種形式。隨著技術(shù)的發(fā)展，膨脹混凝土灌注樁逐漸得到應(yīng)用，這種灌注樁的樁桿由鐵皮折疊而成，而施工中所使用的膨脹混凝土具有化學(xué)與應(yīng)力作用，在凝固膨脹過(guò)程中鐵皮脹開(kāi)并完成基礎(chǔ)托換。

圖2 鉆孔灌注樁

6 結(jié)構(gòu)托換關(guān)鍵技術(shù)分析

在托換施工過(guò)程中，必須嚴(yán)格控制施工流程，施工前應(yīng)詳細(xì)分析相應(yīng)的施工設(shè)計(jì)，明確設(shè)計(jì)意圖和相應(yīng)的施工技術(shù)。一般情況下，在進(jìn)行托換施工時(shí)首先要對(duì)既有基礎(chǔ)進(jìn)行開(kāi)挖和加固，同時(shí)也要對(duì)地面以上的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行妥善處理。以住宅建筑為例，在對(duì)既有基礎(chǔ)進(jìn)行開(kāi)挖加固時(shí)，需要根據(jù)墻體受力情況砌實(shí)部分門(mén)窗洞口提高墻體的抗剪能力。后續(xù)進(jìn)行支撐體系的布設(shè)工作時(shí)，如采用灌注樁進(jìn)行托換，先完成樁孔施工，而后按順序完成鋼筋施工和混凝土灌注施工。采用其他托換形式時(shí)也必須嚴(yán)格遵照施工流程完成作業(yè)。

施工過(guò)程中如果需要拆除原有的承重墻體，必須在拆除前對(duì)當(dāng)前新形成的梁柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，確保新形成的承力結(jié)構(gòu)滿足建筑強(qiáng)度需求，而且拆除工作需分批次進(jìn)行，最大限度保障建筑結(jié)構(gòu)安全。

此外，在整個(gè)施工過(guò)程中必須進(jìn)行全程監(jiān)控管理，技術(shù)管理人員應(yīng)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工情況做好施工日志的填寫(xiě)記錄工作，保障各子工程在施工中嚴(yán)守設(shè)計(jì)要求，應(yīng)用正確的施工技術(shù)。同時(shí)還需要對(duì)施工過(guò)程中所用的原材料進(jìn)行監(jiān)管，從施工技術(shù)和施工材料兩方面保障整體施工質(zhì)量。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)地下空間建設(shè)的發(fā)展，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)托換技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越多，由于多數(shù)托換工程對(duì)變形有較為嚴(yán)格的要求，因此大多數(shù)托換工程采用主動(dòng)托換的形式。在當(dāng)前結(jié)構(gòu)托換的研究中，由于并沒(méi)有一個(gè)規(guī)范化、系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)過(guò)程，因此無(wú)法針對(duì)結(jié)構(gòu)托換中所產(chǎn)生的問(wèn)題提出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案。為此，后續(xù)發(fā)展中應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范化和工程系統(tǒng)化進(jìn)行研究。