高層建筑物地下室底板下的淺埋暗挖隧道內樁基托換技術應用

潘明亮

(中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽 471000)

0 引言

隨著各大城市大力發展地下空間，對既有建(構)筑物托換的工程越來越多。樁基主動托換本身具有施工風險性高、施工組織難度大等特點，托換結構體形式的選擇與周邊環境特點及要求相結合正向多元化發展。目前相關樁基主動托換的研究已有很多，如:文獻［1］通過ABAQUS軟件對托換工序進行仿真模擬從而驗證樁基主動托換方案的可靠性;文獻［2］研究了大軸力樁基主動托換過程中托換荷載在托換結構中的分配關系及截樁過程中荷載的轉換規律，并據以制定主動托換施工工藝和施工參數;文獻［3－4］介紹了目前地基工程中的托換方法以及這些方法的原理、適用范圍、特點及應用中的一些實例;文獻［5］對隧道穿越空箱擋墻樁基礎施工方案進行三維有限元數值模擬，為施工方案提供理論依據;文獻［6－7］通過理論計算結果及經驗類比確定樁基托換各關鍵工序控制要點，并對有關技術參數加以介紹;文獻［8］除對樁基主動托換技術研究外，還綜述了理論研究、試驗研究、模擬計算、施工工藝等各方面取得的研究成果。

以上研究樁基托換施工是在既有空間內實施，也多以托換單柱(墩)為主。本文論述的是在高層建筑地下室底板下通過暗挖隧道創造托換空間，并采用連續梁形式同時對5根樁基實施主動托換，其涉及的專業類別更多，技術性更強，實施中的組織要求也更高。

1 工程概況

深圳地鐵1號線老街站于2005年建成并通車運營，為重疊車站側式站臺，站臺位于軌道線路南側。為實現新建地鐵3號線老街站與既有運營的1號線老街站通過換乘綜合體實現同站臺平行換乘，需對1號線老街站實施站臺的倒邊改擴建來實現這種換乘條件。1號線老街站與換乘綜合體疊合范圍為103.86 m，其中包含了部分設備及管理用房區，不能滿足該標準站有效站臺144.40 m的長度要求，因而還需要從車站東端北側地下構筑約50.00 m長的站臺結構作為補充。該擴建站臺位于已運營1號線車站東端北側，永新商業城南側主樓下方，地理平面位置圖見圖1。

圖1 東端擴建站臺平面位置圖Fig.1 Plan layout of enlarged platform tunnel on east end

深圳既有運營1號線老街地下車站與永新商業城南側主樓結構走向處于平行關系，其最南側一排樁基外緣距離老街地下車站連續墻凈距為3.90 m，永新商業城樁基樁底持力層為砂層，樁深15.00 m。為滿足與新建地鐵3號線平行換乘的要求，需在已運營1號線老街站東端北側擴建寬3.80 m、長50.00 m、埋深25.00 m左右的2層站臺結構。鑒于1號線老街站東端北側與永新商業城平行且相距僅4.00 m，地下新擴建的站臺結構位于永新商業城基礎的地基土層范圍，兩者的關系見圖2。為確保永新商業城的結構安全，站臺擴建工程實施之前需先對永新商業城進行樁基托換加固。

圖2 擴建站臺結構與永新商業城基礎關系圖Fig.2 Relationship between enlarged platform tunnel and foundation of Yongxin commercial building

2 淺埋暗挖隧道樁基托換方案

1號線老街站東端站臺擴建工程實施的前提，是必須對永新商業城5根受影響的樁基(單樁基對應上部單柱)進行托換加固，這5根被托換的樁基位于1條軸線上。鑒于此次實施樁基托換加固的建筑物很重要，托換荷載較大(最大6 500 kN)，對變形控制的要求較高，這5根樁基采用主動托換方式。托換梁位于被托換樁承臺底面下，采用連續梁結構。永新商業城樁基主動托換效果圖見圖3。

圖3 永新商業城樁基主動托換效果圖Fig.3 Effect of pile foundation underpinning of Yongxin commercial building

2.1 方案概述

原設計的明挖施工方案需對永新商業城及一樓商鋪門前進行圍蔽，從而對永新商業城商家營業產生直接影響，補償費用很高。面對工程復雜的周邊環境條件及困難的外部協調，終將原方案優化為從換乘體基坑內東側圍護樁處開洞門，施作1條隧道以揭示永新商業城被托換樁基，在隧道內完成托換新樁及改擴建站臺結構圍護樁墻，現澆包樁托換連續梁，最后采用分序開挖的矩形連續墻作為托換新樁對永新商業城5根樁基實施同步主動托換，從而完成1號線老街站改擴建站臺工程實施前對永新商業城建筑物的托換加固。托換工作隧道與被托換樁基示意圖見圖4。

圖4 托換工作室與被托換樁基示意圖Fig.4 Underpinning working room and underpinned pile foundation

托換工程采用主動托換體系，5根被托換既有樁JY1，JY2，JY3，JY4，JY5為直徑1.40 m圓樁，托換新樁X1，X2，X3，X4，X5，X6為 1.20 m ×1.50 m矩形人工挖孔灌注樁，托換梁采用2.60m×2.00m× (24.4+16.7)m鋼筋混凝土現澆梁。既有樁、托換梁、托換新樁、樁墻與托換隧道位置關系見圖5(a)和5(b)。

樁基托換的關鍵是實現荷載平穩轉換，并嚴格控制結構體變形，二者構成了樁基托換的核心。永新商業城樁基主動托換的關鍵工序包括:1)托換大梁與既有樁有效連接，連接節點能承受既有樁的荷載。2)頂升裝置及鋼支座裝置的安裝，千斤頂的設置位置要保證梁體在整體頂升過程中各節點同步同力，不對被托換柱產生較大的附加彎矩，并且千斤頂裝置的安裝、拆除方便。3)對上部建筑結構及托換結構實施精密持續監測，用信息化反饋指導操作進程。

2.2 托換施工步序

樁基托換施工步序為:1)在托換工作隧道內豎向土體加固后，施作1序新樁。2)施作托換大梁將既有樁包裹，托換大梁達到強度后實施整體頂升。3)施作2序新樁，到達強度后進行頂升，同時調整1序新樁的加載。4)施作3序新樁，到達強度后進行頂升，同時調整1序和2序新樁的加載。5)截除既有樁基，注意調整各千斤頂加載情況，新樁(即4序新樁)施作完成后對整體與托換大梁有效連接。樁基主動托換施工步序見圖5(c)。

圖5 既有樁、托換梁、托換新樁、樁墻與托換工作隧道位置關系圖Fig.5 Relationship among existing pile，underpinning beam，new underpinning pile，pile wall and underpinning working tunnel

3 樁基主動托換各階段主要結構變形模擬結果

初始地應力場下地層與樁基礎3方向的位移分布見圖6。1號樁澆筑后3方向的位移分布見圖7。

從圖6可以看出:托換進行之前，地層以及樁基礎在3方向的初始變形非常小(數量級10－6)，地應力平衡結果可靠。隨著1號序樁處地層的開挖和1號序樁的澆筑，樁基礎周邊的3方向的位移有所增大，形成一個圍繞樁基礎的橢圓形且中間大、周邊小的沉降區域(見圖7)，但增幅很小。

圖8和圖9分別為施工過程中p1和p2之間、p3和p4，之間地表的豎向位移變化曲線圖(p1，p2，p3，p4，見圖6)。從2圖中可以看出:1)托換過程僅對樁基礎周圍10 m左右的范圍影響較大，人工挖孔樁的開挖使樁周土層略有下沉，但影響非常小;2)隨著托換大梁被頂升，部分永新商業城建筑物的載荷由千斤頂傳到新樁上，原先作用在樁基礎上的載荷減小;3)由于新樁比既有樁長(樁底持力層位于中風化花崗巖)，能把載荷傳遞到更深的地層中，使得周圍的土層由于卸載作用而產生一定的回彈;4)在破除舊樁之前，上部載荷已經主要由各序新樁來承受，破除舊樁過程對地層影響較小。

圖9 p3和p4之間地表單元在托換過程中的豎向位移變化曲線Fig.9 Curves of variations of vertical displacement of ground surface elements between p3 and p4 during underpinning

圖10 樁頂沉降時程曲線Fig.10 Time-dependent curves of pile top settlement

圖10是被托換樁頂部(柱底)的3方向位移時程曲線圖。從圖中可以看出:1)隨著序樁的頂升和卸載，被托換樁及上部柱表現為上抬和下沉，變化幅度都控制在1 mm內。2)托換過程中各樁之間沉降不同，導致各樁之間的系梁在與樁帽連接處拉應力較大(見圖11)。

圖11 1號序樁頂升后托換大梁最大主應力分布(單位:Pa)Fig.11 Distribution of maximum principal stress of underpinning beam after lifting of No.1 pile(Pa)

在托換過程中，托換大梁各部分受力有所不同，如圖11中a，b，c，d 4點主要以受拉為主，其所受最大拉應力為2.1 MPa(見圖12和圖13)。托換大梁下表面與各序新樁因接觸處不同，如圖14中e，f，g，h 4點，在梁樁連接前以受拉為主，一旦該處梁樁連接完畢，卸載時則基本以受壓為主;由圖14和圖15還可以看出，該4點中除個別點所受拉應力略高外，其他各點所受拉、壓應力都遠低于該處混凝土的強度極限。

圖15 托換過程中托換大梁下表面代表點最小主應力分布Fig.15 Distribution of minimum principal stress of typical point on bottom surface of underpinning beam during underpinning

4 托換結構監測情況

永新商業城建筑物6根樁基于2008年8月順利完成托換，在整個托換過程中，上部建筑物沉降在+1～－1 mm，未產生有害新增裂縫及既有裂縫的發展，確保了托換工程的安全。樁基主動托換托換結構各測點布置見圖16。

本工程樁基托換采用2次頂升的步驟完成樁基托換:

1)第1次分3級頂升，檢驗托換梁的承載能力及既有樁和梁連接部位的承載能力。在托換過程中，新樁承臺下沉最大的是X3(1.32 mm)，但在加載至最大級持荷12 h后，新樁沒有下沉，在托換過程中托換梁與既有樁相對位移很小，說明托換梁與既有樁銜接牢靠。2)第2次分4級頂升，實現既有樁的荷載平穩轉移到托換新樁，完成托換梁與新樁的連接。現就具體監測情況分析如下。

4.1 托換梁線形監測

總體看來托換梁變形不大，根據托換梁變形，推算出了既有樁(3#，4#，5#)位置托換梁的撓度。托換梁在頂升過程中各級荷載作用下，既有樁(3#，4#，5#)位置撓度與荷載關系見圖17。從圖中可以看出，托換梁在各級荷載作用下，撓度與荷載線性關系良好，說明托換梁處于彈性工作狀態，其剛度滿足托換要求。

圖16 樁基主動托換各測點布置斷面圖Fig.16 Layout of monitoring points of pile foundation underpinning

圖17 托換梁實測撓度與荷載關系圖Fig.17 Relationship between measured deflection and load of underpinning beam

4.2 托換梁應力監測

托換梁各截面下緣受拉區6個應變測點的實測應變并不均勻，且有些點應變較大，這主要因為托換梁在頂升過程中不僅出現因彎曲變形而產生的拉應力，而且存在因各千斤頂施力不同步致使托換梁扭轉變形而產生的拉應力。在最大級荷載作用下實測最大應變為95×10－6(4－5點)，推算鋼筋應力為19.00 MPa，遠小于鋼筋設計允許應力，滿足托換要求。

部分測點實測應變與荷載的關系見圖18(3－2，4－1，4－5，分別代表各既有樁附近托換梁應力測點)。從圖中可以看出，在各級荷載作用下，各測點應變沒有畸變和退化現象，托換梁應變與荷載效率線性相關系數在0.97以上，線性關系良好，說明托換梁處于良好的彈性工作狀態。

4.3 托換新樁沉降監測

由于有了預頂升荷載使托換新樁已消除了大部分沉降，在第1次頂升階段新樁幾乎沒有下沉，在第2次正式頂升階段新樁沉降很小，在最大級荷載作用下X6樁下沉最大(0.48mm)，總體下沉量較小。由以上可說明挖孔樁施工質量較好，其承載力滿足托換和使用要求。

圖18 托換梁應變與荷載效率關系曲線圖Fig.18 Relationship between strain and load effect of underpinning beam

5 結論與討論

1)采用連續梁形式同時主動托換多根樁要求各節點部位所有頂升需同步分級加載，使被托換樁基同時逐步完成荷載轉換過程，精細化組織來確保各分組頂升單元間的信息化協同作業是非常關鍵的。

2)在樁基主動托換實施過程中，還須加強對被托換樁(柱)相鄰跨梁板的附加應力、應變變化進行監測，防止結構主要受力變形敏感部位出現有害裂縫，確保托換結構與被托換結構體均處于良好工作狀態。

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