地鐵車站高架橋墩下樁基托換施工監測技術

李　文　蔣雙南　左　敏　周　迎

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

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地鐵車站高架橋墩下樁基托換施工監測技術

李文1蔣雙南2左敏2周迎2

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

隨著城市基礎設施的持續建設，城市軌道交通建設得到快速發展。但受舊有城市規劃的制約，新的地鐵在施工中將不可避免地會部分穿越既有建(構)筑物的基礎。如何進行既有建筑物樁基的托換施工及風險控制成為地鐵施工中不可避免的技術、管理問題。本文以某城市地鐵車站高架橋墩樁基托換為例，對樁基托換方案設計、施工工藝及安全監測工作等做了詳細論述，為在復雜施工環境和地質條件下進行既有橋梁樁基托換的施工技術及安全風險管理工作積累了寶貴的經驗。

樁基托換； 既有橋梁； 施工工藝； 數據監測； 施工設計

1　引言

樁基托換技術是進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題、既有建筑物基礎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需要處理等問題[1]。近年來隨著城市地下工程的大量建設，應用托換技術的工程數量日益增多[2]。然而樁基托換技術技術難度大、費用較高、工期較長，是一種風險性較強的特殊施工方法[3-4]。本文結合某城市地鐵施工實例，介紹樁基托換技術在實際工程中的應用并對其設計、施工工藝及安全監測等工作等做出詳細論述，并總結復雜施工環境和地質條件下進行既有橋梁樁基托換的施工及安全風險管理工作的經驗。

2　工程概況

2.1設計概況

某城市立交橋為南北直行高架，沿線東西向規劃寬不等。20#—22#橋墩基礎采用墩下設兩根直徑為1.20m的鉆孔灌柱樁，樁距為3.30m，設計樁長均為43.65m，實際施工樁長分別為43.51m、43.55m、43.65m，樁尖均坐落在粉、細砂層中，樁基承臺尺寸為5 500×1 800×1 500mm(長×寬×高)， 20#、22#承臺邊距離車站圍護結構外側最小距離分別為5.3m、3.28m。

該城市地鐵車站為地下三層13m島式站臺車站，車站總長323.5m，標準段寬22.3m，站后設雙線雙列位停車線。車站中心里程處標準段基坑寬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，橋面下車站主體基坑擬采用蓋挖法施工，圍護擬采用1m地連墻加四道砼支撐的支護形式。車站與高架橋示意圖如圖1所示。

圖1　車站與橋樁施工示意圖

2.2工程地質

場區地貌單元為長江Ⅰ級階地，屬河流堆積平原區。地層主要為近代人工填筑土層(Qml/)、湖積層(Q/4l/)、第四系全新統沖積層(Q/4al/)及沖洪積層(Q/4al+pl/)。場區基巖為志留系(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層為淤泥質粉質黏土， 3-1層為黏土， 3-1a層為褐黃色粉質黏土， 3-1b層為粉砂， 3-5層為粉質黏土夾粉砂， 4-1層為粉、細砂， 4-2層粉、細砂全線呈巨厚層狀分布，揭示層厚5.10～18.50m。20a-1層為強風化泥巖20a-2層為中等風化泥巖。20a-3層為微風化泥巖。

圖2　工程地質示意圖

3　橋墩樁基托換施工風險控制分析

3.1樁基托換總體方案

在基坑開挖的范圍內，隨著土體的卸載橋樁側摩阻力損失，為了彌補21#橋樁樁基在基坑開挖過程中摩阻力及整體穩定性損失，在基坑開挖前對21#橋樁進行樁基托換，即在車站基坑圍護結構施工前，首先在被托換樁沿高架橋兩側各施做兩根鉆孔灌注樁作為托換樁，托換樁樁長53m，且樁底進入(20a-3)微風化泥巖層的距離不少于1m； 然后放坡開挖至設計新增承臺底部標高，在基坑內施工新增型鋼混凝土承臺包住既有承臺，新增承臺與既有承臺之間采用界面處理劑及植筋的方式進行連接； 待新增承臺達到設計強度后，開挖橋面下主體基坑。

20#、22#橋樁樁基位于車站主體基坑兩側，為降低橋面下地連墻施工對20#、22#橋樁的影響，對橋面下車站主體圍護地連墻槽壁進行高壓旋噴加固。

考慮到托換樁施工過程中對21#橋墩樁基的影響，采用回旋鉆正循環成孔工藝，提高泥漿質量，防止坍孔。

如圖3所示，樁基托換主要施工工序如下：

(a)托換樁對稱施工

(b)新增承臺，施工車站主體結構

(c)施工車站砼墊層、底板及隔墻

(d)回填、恢復管線及交通圖3　樁基托換施工工序

(1)進行交通疏解，遷改管線，施工圍擋，破除路面；

(2)施工四根托換樁，且托換樁對稱施工；

(3)放坡開挖至托換基坑底標高，施工砼墊層，澆筑新建承臺；

(4)待高樁承臺達到設計強度后，橋面下地連墻槽壁加固，施工車站主體圍護，開挖橋面下基坑。隨著豎向開挖至橫系梁底標高，依次施工墊層及橫系梁；

(5)待橫系梁達到設計強度后，繼續開挖車站主體基坑至基坑底標高，施工車站砼墊層及保護層，施工車站底板及隔墻；

(6)隨著施工車站主體結構，依次向上回填隔墻內填土至承臺底。回填車站頂板覆土，恢復管線，恢復交通。

托換基坑安全等級為一級，變形控制等級為一級。根據《基坑工程技術規程》(DB42/T159-2012)及《6號線施工設計技術要求》的要求，基坑一倍范圍內有重要保護對象時，水平位移變形控制標準分別為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為基坑開挖深度(m)。因此經比較計算，控制標準為：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構承擔上部荷載； 在托換過程及車站施工過程中高架橋樁基水平位移控制在10mm內，沉降控制在20mm內且橋梁變形控制指標應由該高架橋產權單位確認，保護方案須經產權單位同意后方能施工。

3.2托換基坑及托換體系設計

3.2.1托換基坑

樁基托換基坑深約2.45m，基坑安全等級一級，采用放坡開挖，放坡坡率1： 1，面層噴100mm厚C20素混凝土護坡。

3.2.2托換體系設計

對21#橋樁進行主動托換的方案，即在原被托換樁沿橋方向兩側新增四根托換樁，將新增承臺包裹原承臺形成一個整體。

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

(2)新增承臺采用C40、P8防水鋼筋砼，承臺為型鋼混凝土結構，承臺尺寸為8 000×6 400×2 300mm(長×寬×高)，原承臺表面鑿毛、植筋，新澆筑砼包裹原承臺，在原承臺上下設置型鋼，按四樁承臺進行設計，型鋼之間采用鋼筋焊接連接成型鋼鋼架。減少開挖深度和施工中對高架橋的影響，同時減少新承臺施工對車站主體結構的影響。

3.3車站基坑開挖時橋樁保護設計

隨著橋面下主體基坑開挖，土體應力場重新分部，對20#～22#橋樁進行保護設計，以降低施工風險。

(1)槽壁加固

圖4　高架橋下保護設計圖

如圖4所示， 20#、22#橋樁樁基位于車站主體基坑兩側，橋面下地連墻施工下因受凈空的限制，需采用特殊機械，成槽時間長； 鋼筋籠需分批吊裝分段連接，吊裝時間長； 圍護落底，成槽深度深； 場區地貌單元為長江Ⅰ級階地，承壓水頭高，且側壁有(1-3a)淤泥質粉質黏土層，自穩能力差，場區地質差； 因此槽壁具有暴露時間長，成槽深度深，側壁地質差等特點，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20#、22#橋樁的影響，在橋面下地連墻擬開挖約40m范圍內槽壁兩側采取高壓旋噴加固，加固深度為地面以下47m，且加固深度應比20#、22#樁端長不小于1m。加固完成后無側限抗壓強度≥1.0MPa，抗滲系數小于10-7/cm/s。

(2)豎向連梁設計

隨著橋面下基坑開挖，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。豎向聯系梁平面配筋圖如圖5所示。

圖5　豎向聯系梁平面配筋圖

(3)地下水處理

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

(4)隔墻內回填

橋樁樁基與主體結構隔墻之間隨主體結構向上施工，依次向上回填隔墻內填土至承臺底標高。

4　施工監測分析

4.1施工監測要求

(1)本樁基托換基坑安全等級為一級，基坑變形控制保護等級為一級。

(2)由于歷史上該高架橋發生過樁基傾斜的情況，在樁基托換前應進行高架橋現狀評估。

(3)在主體基坑圍護結構施工前，要求先進行第三方監測，為施工過程中的監測、搶險及可能產生的糾紛提供必要的依據。

(4)現場監控測量應貫穿整個施工過程始終，各項監測工作的監測頻率應根據施工進度確定。結構變形過大或場地情況變化時應加密量測，有事故征兆時則需連續監測。每次監測工作結束后，應及時提交監測報告和處理意見。當遇到突發情況時應加密監測，并做出相應處理，及時上報。

(5)托換樁施工過程應加強對高架橋墩的變形監測及目測橋面裂縫發展情況，發現問題及時處理，其中橋墩監測重點監測17#～23#橋墩。

(6)樁基托換基坑正常情況下監測頻率： 2次/天； 植筋及澆筑承臺過程中4次/天； 在橋樁下部主體基坑開挖過程中應連續監測。

(7)監測項目警戒值

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

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

(8)施工前須征得高架橋產權單位同意且盡早展開溝通與協調，如產權單位有特殊要求，盡快通知監理及設計，即使調整設計方案。盾構機周邊1m，共計16個，B型孔孔深42m，低于盾構機底部3m，共計13個； 同時設置2個測溫孔T1、T2，深42m。

4.2重點部位監測數據分析

圖6　施工監測點布置圖

如圖6，取20#、21#、22#三個橋墩的監測點Q05～Q12的監測數據來說明其監測數據的變化情況，并進行統計分析，具體時間取2014年12月15日到2015年11月12日這一時間段的監測數據匯總。

相應的監測點地表累計沉降變化情況如圖7所示。

(a)建筑物沉降監測數據分析

(b)不同監測點監測數據分析圖7　監測數據分析圖

2015年4月20日左右，為降低橋面下地連墻施工坍槽對20#、22#橋樁的影響，在橋面下地連墻擬開挖約40m范圍內槽壁兩側采取高壓旋噴加固。并在20#、22#橋樁預加固區打入隔離樁，由于注漿及打入隔離樁所產生的壓力較大，橋樁均有所隆起，尤其Q07監測點隆起速率最大，在5月10日達到最大值12.56mm。

加固區施工結束后，隨著托換樁的施工開始，橋樁又開始逐漸沉降。6月10日，托換樁施做完成，此時前期由于槽壁加固導致的隆起和托換樁施工引起的沉降基本到達中和狀態。此時隆起值最大為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墻，因橋面下方空間限制，成槽深度深，施工時間長，槽壁暴露時間長，側壁地質差等因素導致開挖過程中土體擾動造成水土的損失，橋樁又開始有不同程度的沉降。由監測數據分析圖可知， 20#橋樁監測點Q12沉降最為明顯，至9月6日地連墻施做完成，Q12累計沉降量最大達到-7.29mm。

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

5　結論

本文結合某城市地鐵車站高架橋墩下樁基托換實際施工情況，對樁基托換施工技術進行綜合的風險控制分析，有利于施工的正常有序進行，同時還可以為將來類似的工程提供施工經驗，具有重要的指導意義。

通過分析得出以下幾點結論：

(1)在地鐵施工過程中，應關注周邊環境狀況，利用設置監測點和合理的施工工藝設計對施工的周邊環境進行有效地保護，對施工技術方面采取符合實際水文地質概況的應對措施，這樣可以對施工風險起到良好的控制作用。

(2)在施工現場不同部位埋設監測點能有效的提高安全監控范圍，對其施工過程將要出現的風險進行很好的預警及反饋，并能讓現場施工人員及時采取處理措施，有效避免險情的發生。

(3)通過對地鐵車站高架橋墩下樁基托換施工現場的實際監測數據進行統計分析，可以了解托換施工的某些監測項目需得到重點關注。例如，施工過程中20#、21#、22#樁基周圍的地表沉降量遠遠大于其它幾個樁基的沉降量，由此需加強監測頻率，重點關注20#、21#、22#樁基周圍各監測點數據變化情況，做好有效的防范措施。

[1]葉書麟， 汪益基.基礎托換技術[M]. 北京：中國鐵道出版社， 1991.

[2]張燕霞， 鄭七振等.地鐵隧道穿越橋梁樁基的托換施工技術[J]. 工程建設與設計， 2009(12).

[3]卜建清， 孫寧等.樁基主動托換技術進展[J]. 鐵道建筑， 2009(4)。

[4]謝婉麗， 張林洪等.地基處理中的托換技術及應用[J]. 昆明理工大學學報， 2001(2).

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[6]馬忠政等. 盾構穿越橋梁樁基的托換及除樁施工技術研究[J]. 地下空間與工程學報， 2010(1).

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

國家自然科學基金“地鐵施工安全風險時空耦合機理及實景仿真預警技術研究”(編號：71471072)

李文(1966-)，女，高級工程師。主要研究方向：地鐵工程風險控制。

U412.37；U445;U443.15

A

1674-7461(2016)01-0095-05

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