高层建筑物地下室底板下的浅埋暗挖隧道内桩基托换技术应用

潘明亮

(中铁隧道集团有限公司，河南洛阳 471000)

0 引言

随着各大城市大力发展地下空间，对既有建(构)筑物托换的工程越来越多。桩基主动托换本身具有施工风险性高、施工组织难度大等特点，托换结构体形式的选择与周边环境特点及要求相结合正向多元化发展。目前相关桩基主动托换的研究已有很多，如:文献［1］通过ABAQUS软件对托换工序进行仿真模拟从而验证桩基主动托换方案的可靠性;文献［2］研究了大轴力桩基主动托换过程中托换荷载在托换结构中的分配关系及截桩过程中荷载的转换规律，并据以制定主动托换施工工艺和施工参数;文献［3－4］介绍了目前地基工程中的托换方法以及这些方法的原理、适用范围、特点及应用中的一些实例;文献［5］对隧道穿越空箱挡墙桩基础施工方案进行三维有限元数值模拟，为施工方案提供理论依据;文献［6－7］通过理论计算结果及经验类比确定桩基托换各关键工序控制要点，并对有关技术参数加以介绍;文献［8］除对桩基主动托换技术研究外，还综述了理论研究、试验研究、模拟计算、施工工艺等各方面取得的研究成果。

以上研究桩基托换施工是在既有空间内实施，也多以托换单柱(墩)为主。本文论述的是在高层建筑地下室底板下通过暗挖隧道创造托换空间，并采用连续梁形式同时对5根桩基实施主动托换，其涉及的专业类别更多，技术性更强，实施中的组织要求也更高。

1 工程概况

深圳地铁1号线老街站于2005年建成并通车运营，为重叠车站侧式站台，站台位于轨道线路南侧。为实现新建地铁3号线老街站与既有运营的1号线老街站通过换乘综合体实现同站台平行换乘，需对1号线老街站实施站台的倒边改扩建来实现这种换乘条件。1号线老街站与换乘综合体叠合范围为103.86 m，其中包含了部分设备及管理用房区，不能满足该标准站有效站台144.40 m的长度要求，因而还需要从车站东端北侧地下构筑约50.00 m长的站台结构作为补充。该扩建站台位于已运营1号线车站东端北侧，永新商业城南侧主楼下方，地理平面位置图见图1。

图1 东端扩建站台平面位置图Fig.1 Plan layout of enlarged platform tunnel on east end

深圳既有运营1号线老街地下车站与永新商业城南侧主楼结构走向处于平行关系，其最南侧一排桩基外缘距离老街地下车站连续墙净距为3.90 m，永新商业城桩基桩底持力层为砂层，桩深15.00 m。为满足与新建地铁3号线平行换乘的要求，需在已运营1号线老街站东端北侧扩建宽3.80 m、长50.00 m、埋深25.00 m左右的2层站台结构。鉴于1号线老街站东端北侧与永新商业城平行且相距仅4.00 m，地下新扩建的站台结构位于永新商业城基础的地基土层范围，两者的关系见图2。为确保永新商业城的结构安全，站台扩建工程实施之前需先对永新商业城进行桩基托换加固。

图2 扩建站台结构与永新商业城基础关系图Fig.2 Relationship between enlarged platform tunnel and foundation of Yongxin commercial building

2 浅埋暗挖隧道桩基托换方案

1号线老街站东端站台扩建工程实施的前提，是必须对永新商业城5根受影响的桩基(单桩基对应上部单柱)进行托换加固，这5根被托换的桩基位于1条轴线上。鉴于此次实施桩基托换加固的建筑物很重要，托换荷载较大(最大6 500 kN)，对变形控制的要求较高，这5根桩基采用主动托换方式。托换梁位于被托换桩承台底面下，采用连续梁结构。永新商业城桩基主动托换效果图见图3。

图3 永新商业城桩基主动托换效果图Fig.3 Effect of pile foundation underpinning of Yongxin commercial building

2.1 方案概述

原设计的明挖施工方案需对永新商业城及一楼商铺门前进行围蔽，从而对永新商业城商家营业产生直接影响，补偿费用很高。面对工程复杂的周边环境条件及困难的外部协调，终将原方案优化为从换乘体基坑内东侧围护桩处开洞门，施作1条隧道以揭示永新商业城被托换桩基，在隧道内完成托换新桩及改扩建站台结构围护桩墙，现浇包桩托换连续梁，最后采用分序开挖的矩形连续墙作为托换新桩对永新商业城5根桩基实施同步主动托换，从而完成1号线老街站改扩建站台工程实施前对永新商业城建筑物的托换加固。托换工作隧道与被托换桩基示意图见图4。

图4 托换工作室与被托换桩基示意图Fig.4 Underpinning working room and underpinned pile foundation

托换工程采用主动托换体系，5根被托换既有桩JY1，JY2，JY3，JY4，JY5为直径1.40 m圆桩，托换新桩X1，X2，X3，X4，X5，X6为 1.20 m ×1.50 m矩形人工挖孔灌注桩，托换梁采用2.60m×2.00m× (24.4+16.7)m钢筋混凝土现浇梁。既有桩、托换梁、托换新桩、桩墙与托换隧道位置关系见图5(a)和5(b)。

桩基托换的关键是实现荷载平稳转换，并严格控制结构体变形，二者构成了桩基托换的核心。永新商业城桩基主动托换的关键工序包括:1)托换大梁与既有桩有效连接，连接节点能承受既有桩的荷载。2)顶升装置及钢支座装置的安装，千斤顶的设置位置要保证梁体在整体顶升过程中各节点同步同力，不对被托换柱产生较大的附加弯矩，并且千斤顶装置的安装、拆除方便。3)对上部建筑结构及托换结构实施精密持续监测，用信息化反馈指导操作进程。

2.2 托换施工步序

桩基托换施工步序为:1)在托换工作隧道内竖向土体加固后，施作1序新桩。2)施作托换大梁将既有桩包裹，托换大梁达到强度后实施整体顶升。3)施作2序新桩，到达强度后进行顶升，同时调整1序新桩的加载。4)施作3序新桩，到达强度后进行顶升，同时调整1序和2序新桩的加载。5)截除既有桩基，注意调整各千斤顶加载情况，新桩(即4序新桩)施作完成后对整体与托换大梁有效连接。桩基主动托换施工步序见图5(c)。

图5 既有桩、托换梁、托换新桩、桩墙与托换工作隧道位置关系图Fig.5 Relationship among existing pile，underpinning beam，new underpinning pile，pile wall and underpinning working tunnel

3 桩基主动托换各阶段主要结构变形模拟结果

初始地应力场下地层与桩基础3方向的位移分布见图6。1号桩浇筑后3方向的位移分布见图7。

从图6可以看出:托换进行之前，地层以及桩基础在3方向的初始变形非常小(数量级10－6)，地应力平衡结果可靠。随着1号序桩处地层的开挖和1号序桩的浇筑，桩基础周边的3方向的位移有所增大，形成一个围绕桩基础的椭圆形且中间大、周边小的沉降区域(见图7)，但增幅很小。

图8和图9分别为施工过程中p1和p2之间、p3和p4，之间地表的竖向位移变化曲线图(p1，p2，p3，p4，见图6)。从2图中可以看出:1)托换过程仅对桩基础周围10 m左右的范围影响较大，人工挖孔桩的开挖使桩周土层略有下沉，但影响非常小;2)随着托换大梁被顶升，部分永新商业城建筑物的载荷由千斤顶传到新桩上，原先作用在桩基础上的载荷减小;3)由于新桩比既有桩长(桩底持力层位于中风化花岗岩)，能把载荷传递到更深的地层中，使得周围的土层由于卸载作用而产生一定的回弹;4)在破除旧桩之前，上部载荷已经主要由各序新桩来承受，破除旧桩过程对地层影响较小。

图9 p3和p4之间地表单元在托换过程中的竖向位移变化曲线Fig.9 Curves of variations of vertical displacement of ground surface elements between p3 and p4 during underpinning

图10 桩顶沉降时程曲线Fig.10 Time-dependent curves of pile top settlement

图10是被托换桩顶部(柱底)的3方向位移时程曲线图。从图中可以看出:1)随着序桩的顶升和卸载，被托换桩及上部柱表现为上抬和下沉，变化幅度都控制在1 mm内。2)托换过程中各桩之间沉降不同，导致各桩之间的系梁在与桩帽连接处拉应力较大(见图11)。

图11 1号序桩顶升后托换大梁最大主应力分布(单位:Pa)Fig.11 Distribution of maximum principal stress of underpinning beam after lifting of No.1 pile(Pa)

在托换过程中，托换大梁各部分受力有所不同，如图11中a，b，c，d 4点主要以受拉为主，其所受最大拉应力为2.1 MPa(见图12和图13)。托换大梁下表面与各序新桩因接触处不同，如图14中e，f，g，h 4点，在梁桩连接前以受拉为主，一旦该处梁桩连接完毕，卸载时则基本以受压为主;由图14和图15还可以看出，该4点中除个别点所受拉应力略高外，其他各点所受拉、压应力都远低于该处混凝土的强度极限。

图15 托换过程中托换大梁下表面代表点最小主应力分布Fig.15 Distribution of minimum principal stress of typical point on bottom surface of underpinning beam during underpinning

4 托换结构监测情况

永新商业城建筑物6根桩基于2008年8月顺利完成托换，在整个托换过程中，上部建筑物沉降在+1～－1 mm，未产生有害新增裂缝及既有裂缝的发展，确保了托换工程的安全。桩基主动托换托换结构各测点布置见图16。

本工程桩基托换采用2次顶升的步骤完成桩基托换:

1)第1次分3级顶升，检验托换梁的承载能力及既有桩和梁连接部位的承载能力。在托换过程中，新桩承台下沉最大的是X3(1.32 mm)，但在加载至最大级持荷12 h后，新桩没有下沉，在托换过程中托换梁与既有桩相对位移很小，说明托换梁与既有桩衔接牢靠。2)第2次分4级顶升，实现既有桩的荷载平稳转移到托换新桩，完成托换梁与新桩的连接。现就具体监测情况分析如下。

4.1 托换梁线形监测

总体看来托换梁变形不大，根据托换梁变形，推算出了既有桩(3#，4#，5#)位置托换梁的挠度。托换梁在顶升过程中各级荷载作用下，既有桩(3#，4#，5#)位置挠度与荷载关系见图17。从图中可以看出，托换梁在各级荷载作用下，挠度与荷载线性关系良好，说明托换梁处于弹性工作状态，其刚度满足托换要求。

图16 桩基主动托换各测点布置断面图Fig.16 Layout of monitoring points of pile foundation underpinning

图17 托换梁实测挠度与荷载关系图Fig.17 Relationship between measured deflection and load of underpinning beam

4.2 托换梁应力监测

托换梁各截面下缘受拉区6个应变测点的实测应变并不均匀，且有些点应变较大，这主要因为托换梁在顶升过程中不仅出现因弯曲变形而产生的拉应力，而且存在因各千斤顶施力不同步致使托换梁扭转变形而产生的拉应力。在最大级荷载作用下实测最大应变为95×10－6(4－5点)，推算钢筋应力为19.00 MPa，远小于钢筋设计允许应力，满足托换要求。

部分测点实测应变与荷载的关系见图18(3－2，4－1，4－5，分别代表各既有桩附近托换梁应力测点)。从图中可以看出，在各级荷载作用下，各测点应变没有畸变和退化现象，托换梁应变与荷载效率线性相关系数在0.97以上，线性关系良好，说明托换梁处于良好的弹性工作状态。

4.3 托换新桩沉降监测

由于有了预顶升荷载使托换新桩已消除了大部分沉降，在第1次顶升阶段新桩几乎没有下沉，在第2次正式顶升阶段新桩沉降很小，在最大级荷载作用下X6桩下沉最大(0.48mm)，总体下沉量较小。由以上可说明挖孔桩施工质量较好，其承载力满足托换和使用要求。

图18 托换梁应变与荷载效率关系曲线图Fig.18 Relationship between strain and load effect of underpinning beam

5 结论与讨论

1)采用连续梁形式同时主动托换多根桩要求各节点部位所有顶升需同步分级加载，使被托换桩基同时逐步完成荷载转换过程，精细化组织来确保各分组顶升单元间的信息化协同作业是非常关键的。

2)在桩基主动托换实施过程中，还须加强对被托换桩(柱)相邻跨梁板的附加应力、应变变化进行监测，防止结构主要受力变形敏感部位出现有害裂缝，确保托换结构与被托换结构体均处于良好工作状态。

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