基礎(chǔ)托換技術(shù)在地鐵建設(shè)中的應(yīng)用

丁賽華 葉建忠

(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,310006,杭州∥第一作者,教授級高級工程師)

地鐵通常在城市密集區(qū)內(nèi)敷設(shè)。早期的城市規(guī)劃沒有考慮地鐵線網(wǎng)的布局,導(dǎo)致地鐵施工下穿既有密集的建(構(gòu))筑物時(shí)有發(fā)生。如何處理好既有建筑物和地鐵隧道的空間位置關(guān)系以及工程安全,成為工程實(shí)施的難點(diǎn)。特別是當(dāng)隧道設(shè)計(jì)線路橫穿既有建筑物下部樁基礎(chǔ)時(shí),必須對樁基采取托換,以保證既有建筑物和新建地鐵隧道的安全。

1 托換技術(shù)簡介

樁基托換即為“偷梁換柱“,就是在已經(jīng)建成的建筑物中,重新施筑托換大梁,把既有柱與托換大梁連接起來,使上部已經(jīng)存在的荷載轉(zhuǎn)換到托換大梁,再通過托換大梁傳遞到新施筑的托換樁,從而用托換結(jié)構(gòu)代替被托換樁以承受上部建筑的荷載。其目的就是要在基本維持上部結(jié)構(gòu)受力變形不變、保證托換建筑物使用安全的前提下,將需托換的既有樁基承受的上部荷載有效地轉(zhuǎn)移到新施筑的托換結(jié)構(gòu)上。

樁基托換的關(guān)鍵在于荷載轉(zhuǎn)換,效果體現(xiàn)在變形的有效控制。二者構(gòu)成了樁基托換的核心。樁基托換設(shè)計(jì)與實(shí)施正是圍繞此核心問題展開的。根據(jù)托換原理的不同,樁基托換分為主動(dòng)托換與被動(dòng)托換兩種形式。

主動(dòng)托換是當(dāng)托換建筑物托換荷載大、變形控制要求嚴(yán)格,需要通過主動(dòng)的變形調(diào)節(jié)來保證變形要求。即在托換樁切除之前對新樁和托換結(jié)構(gòu)施加荷載,使需要托換的柱在上頂力的作用下,隨托換大梁一起上升,從而克服由于托換大梁剛度不足可能產(chǎn)生的上部建筑物較大的沉降;同時(shí)也通過預(yù)加載消除部分新樁和托換結(jié)構(gòu)的變形,使托換樁和結(jié)構(gòu)的變形可以控制在較小的范圍。因此,主動(dòng)托換方式對變形的控制具有主動(dòng)性。較有代表性的此類工程有深圳地鐵一期工程區(qū)間隧道穿越百貨廣場工程[1]。該工程托換11根樁,最大軸力為15 734 kN,樁基托換工程施工難度大,作業(yè)時(shí)間長,是目前世界上托換樓層最高、單樁托換荷載最大的托換工程。該工程極其復(fù)雜,具有較強(qiáng)代表性。

被動(dòng)托換是托換建筑物托換荷載小、變形控制要求不甚嚴(yán)格,依靠托換結(jié)構(gòu)自身的截面剛度,可以在結(jié)構(gòu)完成后即將托換樁切除,直接將上部荷載通過托換梁(板)傳遞到新樁,而不采取其它調(diào)節(jié)變形的措施。托換后既有建筑物及托換結(jié)構(gòu)的變形不能再進(jìn)行調(diào)節(jié),上部建筑物的沉降由托換結(jié)構(gòu)承受變形的能力控制,變形控制為被動(dòng)適應(yīng)。由于對變形無法有效控制,該托換方式在地鐵工程中應(yīng)用較少。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

深圳地鐵某區(qū)間隧道穿越1棟5層框架結(jié)構(gòu)廠房。廠房采用柱下獨(dú)立承臺(tái)樁基礎(chǔ)。區(qū)間采用雙洞雙線礦山法施工,平曲線半徑400 m,線間距15.8 m。隧道與建筑物的平面關(guān)系如圖1所示。該廠房需要托換的柱下獨(dú)立承臺(tái)共18個(gè),每個(gè)承臺(tái)下為6～9根預(yù)應(yīng)力管樁,需托換的樁數(shù)量較多。圖2為需托換的承臺(tái)平面布置情況。

圖1 區(qū)間下穿建筑物平面圖

圖2 需托換承臺(tái)平面布置圖

大樓經(jīng)過十余年的使用,工后沉降已基本完成。由于僅對大樓部分范圍實(shí)施樁基托換,托換部分的二次變形必須嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi),以保證該廠房整體性能不受影響。根據(jù)主動(dòng)托換主動(dòng)控制變形的優(yōu)勢,對本區(qū)間下穿廠房采取預(yù)應(yīng)力主次梁的主動(dòng)托換方式。

2.2 地質(zhì)情況

區(qū)間托換范圍內(nèi)上覆第四系人工堆積層、坡積層、殘積層,下伏基巖包括侏羅系中統(tǒng)角巖、砂巖,加里東期混合花崗巖等。主要地層概述如下:

(1)素填土,雜色,成分以碎石為主,棱角狀,直徑3～15 cm 不等,體積分?jǐn)?shù)為60%左右,稍濕,稍密,層厚約1.5 m。

(2)素填土,褐黃、褐紅色,可塑,成分以含礫粉質(zhì)黏土為主,層厚約1 m。

(3)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,褐、灰褐色,可塑,含少量有機(jī)質(zhì)及砂粒,砂粒的體積分?jǐn)?shù)約5%～10%,層厚約1.5 m。

(4)粉土,淺黃、褐黃色,飽和,中密,土質(zhì)均勻,層厚約2 m。

(5)碎石土,褐黃色,主要成分為中、微風(fēng)化的砂巖,呈棱角狀,2～7 cm不等,體積分?jǐn)?shù)約30%,層厚約1 m。

(6)粉質(zhì)黏土,青灰、褐灰、少量呈褐黃色,可塑,原巖結(jié)構(gòu)可辨析,由下伏角巖風(fēng)化殘積而成,層厚約7 m。

(7)中風(fēng)化角巖,灰、灰黑色,晶體結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,礦物成分以長英質(zhì)為主,黑云母、方解石次之,巖體破碎,巖芯呈碎塊狀,裂面有浸染,層厚約8 m。

(8)微風(fēng)化角巖,灰、灰黑色,晶體結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,巖質(zhì)較破碎,以短柱狀及塊狀為主,頂面埋深約21 m。

2.3 托換方案

2.3.1 設(shè)計(jì)主要原則及要求

根據(jù)國內(nèi)主要城市樁基托換施工經(jīng)驗(yàn)并考慮本工程的具體情況,本樁基托換工程需遵循以下幾個(gè)基本原則及要求:

(1)基礎(chǔ)托換后,托換結(jié)構(gòu)體系使用年限不少于被托換建筑物剩余使用年限,新托換結(jié)構(gòu)體系的承載力必須具備足夠的保證和儲(chǔ)備。

(2)樁基托換完成后,必須保證建筑物原有功能,不得改變首層的結(jié)構(gòu)和平面布置,維持原室內(nèi)凈空。

(3)根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2002)[2]對建筑物地基變形允許值的規(guī)定,托換體系引起的相鄰柱基沉降差必須嚴(yán)格控制在允許附加變形范圍以內(nèi)。

(4)托換施工過程中,必須采取有效措施可靠地將荷載由被托換樁轉(zhuǎn)換到托換樁上。

(5)樁基托換完成后,應(yīng)保證區(qū)間隧道的施工安全;樁基本身應(yīng)考慮由于礦山法區(qū)間施工降水對新樁產(chǎn)生的負(fù)摩阻力等不利影響。

2.3.2 托換主要步驟

托換工程由托換結(jié)構(gòu)施工及荷載傳遞過程實(shí)施兩部分組成。主要施工步驟如圖3所示。

圖3 托換主要步驟

2.3.3 托換樁設(shè)計(jì)

由于樁基施工必須在廠房內(nèi)進(jìn)行,而室內(nèi)凈空無法滿足鉆孔灌注樁及靜壓樁等的施工要求,故根據(jù)場地地質(zhì)情況,本托換工程采用直徑1 500 mm的人工挖孔樁作為托換新樁。為減小托換樁后續(xù)沉降帶來的不利影響,托換樁按端承樁設(shè)計(jì),樁端進(jìn)入中風(fēng)化層不少于2 m,且其深度需超過隧道底4.0 m以下。托換體系如圖4所示。

使用PKPM結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件,由廠房基本組合荷載工況得出柱底反力。使用SAP84結(jié)構(gòu)通用計(jì)算軟件建立計(jì)算模型,以柱底反力作為托換梁荷載輸入,以托換樁為支座,計(jì)算支座反力,作為各人工挖孔樁的承載力設(shè)計(jì)值。圖5為計(jì)算模型示意。

基樁承載力設(shè)計(jì)值滿足下列兩式:

式中:

R——基樁承載力設(shè)計(jì)值;

N——基本組合下計(jì)算所得支座反力;

Quk——基樁豎向極限承載力;

γsp——綜合抗力分項(xiàng)系數(shù)。

根據(jù)建筑物原設(shè)計(jì)文件中給出的單根預(yù)應(yīng)力管樁承載力設(shè)計(jì)值,確定本托換工程共設(shè)托換樁23根,單樁承載力設(shè)計(jì)值為6 000～8 000 kN。

圖4 托換體系橫剖面圖

圖5 計(jì)算模型示意圖

2.3.4 建筑物變形的有效控制

托換結(jié)構(gòu)體系中,柱底內(nèi)力視為作用荷載,托換樁基視為支承;托換梁承受上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載并將這些荷載傳遞給下部托換樁基,在力學(xué)上起到承上啟下的作用。由于既有結(jié)構(gòu)物經(jīng)歷了十余年的使用過程,變形與受力已達(dá)到一種彈塑性平衡狀態(tài),基礎(chǔ)托換過程勢必引起上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布。一方面,托換梁變形取決于被托換柱的內(nèi)力;另一方面,被托換柱的內(nèi)力又與托換梁的變形有關(guān)。兩者互相牽制,協(xié)同工作。

控制建筑物變形是樁基托換工程中最為關(guān)鍵的問題之一。首先,結(jié)構(gòu)物對托換引起的變形非常敏感,且托換結(jié)構(gòu)體系大部分變形是在上部結(jié)構(gòu)與下部樁基逐步分離過程中完成的,故托換工程對控制不均勻變形的要求比新建工程更高[4]。此外,由于存在一棟樓房部分樁基被托換、其余部分未被托換的情況,應(yīng)避免托換區(qū)與非托換區(qū)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的相對沉降變形。這對托換區(qū)結(jié)構(gòu)體系的后續(xù)沉降提出了較高要求。

根據(jù)現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范,參考國內(nèi)外托換工程有關(guān)資料,結(jié)合本工程實(shí)際情況,該工程的建筑物沉降變形按表1要求控制。

表1 被托換建筑物變位控制指標(biāo)

2.3.5 梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

托換梁與柱節(jié)點(diǎn)的處理是保證荷載有效傳遞的關(guān)鍵。該節(jié)點(diǎn)的處理如圖6所示。將原有承臺(tái)用切割機(jī)鋸槽。槽寬為150 mm,槽深為100 mm,以增大界面面積。在被托換結(jié)構(gòu)柱位上,短方向采用3排精扎螺紋鋼收緊。

圖6 托換梁柱節(jié)點(diǎn)圖

3 信息化施工體系

樁基托換是風(fēng)險(xiǎn)性、技術(shù)性很高的工作,其施工監(jiān)測是決定工程成敗的重要一環(huán)。施工中,應(yīng)通過全過程監(jiān)測及時(shí)反饋,并根據(jù)反饋信息指導(dǎo)托換程序。監(jiān)測內(nèi)容主要包括:建筑物的沉降、傾斜及裂縫觀測,地面沉降及裂縫觀測,地下水位觀測,托換梁變位及裂縫觀測,托換樁、被托換柱、既有柱高程監(jiān)測,分步液壓參數(shù)監(jiān)測等。

監(jiān)測工作應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(1)需對建筑物初始狀態(tài)進(jìn)行觀測,基礎(chǔ)托換施工前應(yīng)對被托換建筑物的先期變形、結(jié)構(gòu)裂縫情況進(jìn)行周密調(diào)查及現(xiàn)場錄像,以確定被托換建筑物的控制標(biāo)準(zhǔn),確保上部結(jié)構(gòu)的正常使用。

(2)樁基托換、地層加固施工和區(qū)間施工期間,必須對房屋沉降、結(jié)構(gòu)變形和裂縫開展等進(jìn)行監(jiān)測,并制定專門的監(jiān)測措施。

(3)樁基托換施工期間,監(jiān)測梁撓度和柱豎向位移的測點(diǎn)布置在梁兩端及梁與柱交點(diǎn)處。

(4)托換樁預(yù)頂加載采用分級加載原則,共分10級加載;每級荷載增量為千斤頂加載上限的10%,不可一次加載到最大值;每級加載需保持10 min,等結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后方可加次級荷載。被托換樁的上抬量不能大于1 mm,被托換柱的下沉量不能大于3 mm。

4 結(jié)語

樁基托換作為地鐵建設(shè)及地下空間開發(fā)中保護(hù)既有建筑物的主要手段日益被采用。然而,托換技術(shù)是一項(xiàng)具有較大風(fēng)險(xiǎn)性的特殊技術(shù),必須精心設(shè)計(jì),精心施工,并對全過程實(shí)施監(jiān)測,才能保證托換工程的成功。

樁基托換的關(guān)鍵在于荷載的轉(zhuǎn)換與變形的控制,必須做到以下幾點(diǎn):

(1)新舊混凝土連接應(yīng)有可靠措施,保證托換梁與被托換柱間荷載的有效傳遞。

(2)應(yīng)根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2002)及有關(guān)規(guī)范的規(guī)定,結(jié)合建筑物的自身特點(diǎn),確定合理的建筑物變形允許值,保證托換后建筑物的正常使用功能。

(3)千斤頂頂升過程中,通過實(shí)施監(jiān)測,保證托換變形控制在柱端下沉3 mm、上頂1 mm范圍內(nèi)。經(jīng)過國內(nèi)同類工程驗(yàn)證,證明此要求是合理的。

[1]王浩.深圳地鐵下穿百貨廣場特大軸力樁基托換技術(shù)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2007.

[2]GB 50007—2002 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]谷偉平,李國雄.廣州市地鐵1號線基礎(chǔ)托換工程的理論分析與設(shè)計(jì)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2000,22(1):95.

[4]涂強(qiáng).大軸力樁基托換變形控制值確定[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2008(2):26.