地铁车站超宽深基坑内既有高架桥梁桩基托换关键技术研究

韦青岑， 张俊儒， 何基香

(1. 中铁二院工程集团有限责任公司地铁设计研究院, 四川 成都　610031；2. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都　610031；3. 中国华西工程设计建设有限公司， 四川 成都　610031)

0　引言

国内外城市化高速发展的今天，地铁设计和施工环境越来越复杂。一方面，隧道下穿既有建(构)筑物的情况越来越普遍，在既有建(构)筑物下方修建隧道的方法很多，桩基托换技术是一种相对安全、可靠、对周边环境影响小的施工方法； 另一方面，随着城市地铁建设规模的进一步发展，大型地铁换乘车站超宽深基坑[1]也越来越多。因此，在地铁车站施工中，会出现超宽深基坑内既有高架桥梁桩基托换技术问题。目前国内学者对该问题主要进行了以下研究： 史金洪等[2]研究了地铁车站采用盖挖法施工时的桩基托换技术； 许东[3]采用桩基托换技术解决了桥梁桩基大跨度托换梁受力两次转换、桥梁托换结构与车站围护及主体结构一体化设计的难点和重点问题，采用了主动与被动托换相结合的方案； 李文等[4]以地铁车站高架桥墩桩基托换为例，主要对桩基托换方案设计、施工工艺及安全监测等做了论述； 杨予等[5]对地下室扩增层托换桩-柱置换节点进行有限元计算，对其薄弱区应力进行了分析； 陈晨等[6]对地下车站通道采用盖挖法托换技术进行了研究； 文献[7-8]研究了大直径微型钢管桩、扩大板式基础、地基加固等桩基托换技术，确保盾构掘进过程中隧道上方建筑物的安全； 宋南涛[9]提出采用拱形门式结构进行桩基托换后，再破除原有桩体，最后采用盾构空推拼装管片的方式通过下穿既有桩体段； 文献[10-11]重点阐述了进行桩体托换过程中的信息化管理和系统控制工作，指出在桩基托换过程中应实施动态施工; 黄新民[12]研究了“顶托+加固”主动加固法对既有人行天桥的保护技术措施，确保盾构施工过程期间人行天桥的营运安全及盾构隧道的施工安全。现行关于桩基托换技术的规范、规程[13-15]主要对桩基托换中新旧混凝土界面处理、植筋要求、群桩布置、群桩与承台连接等做了规定。

以上研究大多针对低桩承台桩基托换技术，对地铁车站超宽深基坑内既有桥桩采用高桩承台桩基托换技术的相关研究较少，也未找到类似工程经验可以借鉴。基于以上背景，本文依托佛山地铁换乘车站张槎站，对地铁车站超宽深基坑内既有高架桥梁采用高桩承台桩基托换关键技术展开研究。

1　工程概况

1.1　车站概况

张槎站为佛山地铁2号线与规划4号线的换乘车站(地下站)，车站采用双岛四线同站台的换乘形式，其中2号线车站线路位于中间，4号线线路位于两侧，2、4号线同步修建。为吸引客流需要，车站设置在季华路与禅西大道交叉路口，受禅西大道高架桥跨度的限制，车站主体须布置于两跨桥桩之间，导致2个桥墩侵入车站深基坑中央。车站长度为206 m，标准段宽度为50.3 m，埋深16.9 m，采用明挖法施工，总平面图如图1所示。

图1　张槎站总平面图(单位： m)

车站主要控制条件为： 禅西大道高架桥、东侧南北大涌、在建广佛环高架站和重要的地下管线(如给水管、雨水箱涵、燃气管、电力管等)。下面重点介绍车站下穿禅西大道高架桥部分基坑方案和桥梁保护方案(其他控制条件按常规协调处理)。

1.2　禅西大道高架桥与车站结构关系

禅西大道为一级公路，采用桥梁跨越季华路，为双向6车道，于2014年4月通车。禅西大道桥梁为双线曲线公路桥，结构形式为预应力钢筋混凝土连续箱梁，梁下墩为双柱墩，墩台下设矩形承台，尺寸为8.8 m×2.3 m×1.5 m(长×宽×高)，承台下为2根φ1 800 mm钻孔灌注桩基础，12#墩身下左幅桩长35 m，右幅桩长36 m，13#墩身桩长27 m，14#墩身下左幅桩长38 m，右幅桩长41 m，桩端均进入中风化岩层。

长度约60 m的部分车站位于禅西大道高架桥下，该处净高仅为7 m，桥下基坑宽度为50.3 m，位于12#、14#桥墩之间，车站地下连续墙与两侧12#、14#桥墩承台最近距离分别约为3.49、 2.73 m， 13#桥墩承台位于车站中部。车站与高架桥关系如图1所示。

2　重难点分析

张槎站车站下穿禅西大道高架桥处车站基坑方案和桥梁保护方案存在以下重难点。

1)禅西大道高架桥保护难度大。禅西大道桥基础形式为桩基础，为一墩一桩，车站基抗开挖及支护会对基坑两侧桩及侵入基坑中央桩产生较大的影响，施工风险大、保护难度大。

2)桥下施工条件困难。车站局部位于禅西大道高架桥下方，桥下净高低矮，施工条件受限，围护结构施工及土石方开挖困难。

3)工程地质条件较差。本段车站基坑从上到下地层依次为〈1-2〉素填土、〈2-1〉淤泥、〈2-4-2〉可塑性黏性土、〈6〉全风化泥质砂岩、〈7〉强风化泥质砂岩、〈8〉中风化泥质砂岩； 基坑面以上主要为填土层、淤泥层、黏性土层，淤泥层较厚，地质条件较差； 基坑底位于全风化、强风化地层。

3　关键技术研究

3.1　既有高架桥桩基托换技术

根据竣工资料，13#桥桩桩端进入中风化地层，为端承摩擦桩，车站基坑开挖使13#桥桩桩身土体提供的桩侧摩阻力丧失。经计算，原桩基承载力不足，导致13#桥桩存在沉降和安全风险，所以有必要对13#桥桩进行桩基托换处理。

3.1.1桩基托换方案选择

方案1： 低承台主动托换方案。即在原被托换桩周边一定宽度内采用密排桩，部分桩兼作围护桩及托换桩(如图2阴影部分，桩长30.85 m，为端承桩)，其他桩仅为围护桩(桩长与外侧围护结构一致)。密排桩与基坑3道内支撑连接牢靠，中间土体及原桩保留，并与内支撑对托换结构形成较大的约束力，确保托换体系的整体稳定性。基坑开挖过程中，为防止基坑内支撑巨大的轴力使原桩中间土体破坏，导致基坑两侧地下连续墙发生较大变形而存在安全风险，需要对原桩中间土体进行注浆加固，提高其承载力。该方案的托换方式为主动托换，如图2所示。

(a) 平面图(b)A-A剖面图

图2低桩承台主动托换方案

Fig. 2Active underpinning scheme for low pile cap

方案2： 高桩承台主动托换方案。即在13#桩(沿垂直高架桥方向)两侧各新增托换桩，不保留托换桩中间土体，仅保留原桩，基坑内支撑穿过托换桩及原桩形成对撑，内支撑不与托换桩连接(第1道支撑与新增承台局部连接除外)，以新增托换桩为基础新建高桩承台，新建高桩承台包裹原承台形成一个整体，并采用主动托换，如图3所示。

(a) 平面图(b)B-B剖面图

图3高桩承台主动托换方案

Fig. 3Active underpinning scheme for high pile cap

两方案的主要区别在于是否保留原桩中间土体，托换桩是否与内支撑连接。方案1为低承台主动托换，托换结构与内支撑连接，受力不明确，对车站使用功能影响和削弱大，基坑变形容易对托换结构造成偏载，而且施工工序复杂，可实施性差； 方案2为高桩承台主动托换，基坑、托换体系受力相对明确，施工过程相互影响较小，施工风险较小，可操作性强，对车站功能影响相对较小，故推荐采用方案2。两方案对比情况见表1。

表1　托换方案对比表

3.1.2高桩承台主动托换方案简介

1)承台基坑设计。基坑深约4.1 m，基坑保护等级为Ⅲ级，采用放坡开挖，放坡率为1∶1，面层喷100 mm厚C20混凝土护坡，内置φ8@200×200钢筋网。

2)承台设计。尺寸为13 500 mm×7 700 mm×3 500 mm(长×宽×高)，采用钢筋混凝土结构，承台混凝土为C35、P8防水混凝土，长、短边方向均配置φ25@150(HRB400级)钢筋。

3)新建托换桩。采用C35钻孔灌注桩，根据托换体系稳定性、桩承载力计算，托换桩的根数为每墩各6根，直径均为1 200 mm，托换桩长为30.85 m，且桩底进入〈8-2〉中风化砂岩不小于2 m。

4)新建承台和被托换桩、承台及桥墩的连接。主要通过它们相互之间的咬合、界面处理和植筋实现，即把被托换桩、承台在与新建承台相接触部位表面凿毛，深度宜为10～20 mm，并进行界面处理；沿原承台、被托换桩周围植入φ25@250钢筋，植入既有承台、桩长不小于21d(d为植筋直径)，植入钢筋和桩之间的缝隙用强植筋胶充填，如图4所示。

Fig. 4Connection drawing of existing and new cap and pile foundation

5)预顶。在新建承台底和托换桩顶分别预埋钢板，待承台、桩达到设计强度后，把千斤顶安放在托换桩顶的预埋钢板上，进行分级加载，同时要求加强对被托换桩、新建承台和桥墩、高架桥面板的监测。待新建承台、托换桩基及桥梁结构变形稳定后，将千斤顶卸荷至稳压荷载。

6)新建承台与托换桩的连接。托换桩预留连接钢筋，预顶完成后，采用焊接将新建承台、托换桩预留钢筋连接起来，浇注C30微膨胀混凝土，将新建承台和托换桩连接成为一个整体，同时将千斤顶、钢垫块浇注其中，如图5所示。

图5　新建承台、桩连接大样图

7)新建托换系体与车站主体结构关系及处理。由于车站基坑超宽，参照文献[2]将高桩承台托换体系进行二次托换(将新桩荷载转换至基坑外侧)的难度太大，因此，考虑将该托换体系永久保留，由车站主体侧墙将其包裹在内(该区域为设备区，对建筑功能影响较小)，结构相互分离，侧墙与托换体之间的间隙采用C10混凝土填充。

8)既有桩处理。既有桩位于托换桩内侧，预顶完成之后，保留该桩，基坑开挖、架设内支撑时考虑避开既有桩及托换桩。

9)同步顶升预防沉降措施。桥桩主动托换及基坑施工全过程均应在13#墩柱顶布置超薄液压千斤顶同步顶升系统预防桥梁沉降,单幅桥支座处千斤顶总起质量不小于800 t；当梁底沉降达到10 mm时，启动顶升系统，确保桥梁梁底沉降不大于10 mm。顶升控制的核心是“因势利导”，按照桥梁沉降变形的现状，动态调整千斤顶布置和顶力分布，主动控制桥梁沉降的发展；同时，采取在梁底粘贴钢板等补强措施，增强桥梁自身抵抗变形的能力，确保既有桥梁的安全运营。

3.1.3高桩承台主动托换施工步骤

13#墩顶布置超薄液压千斤顶同步顶升措施(以下施工全过程根据监测情况启动同步顶升措施)为： 托换桩施工—新建承台基坑开挖—施工新建高桩承台(通过植筋与原承台、桩、墩连成一体) —各托换桩顶与承台之间通过千斤顶顶升，使13#墩荷载全部传到新增托换桩上—各托换桩顶与承台之间采用微膨胀混凝土后浇连成整体(千斤顶埋入后浇混凝土中)—车站主体基坑开挖及主体结构施工—回填覆土。

3.2　既有高架桥下超宽深基坑支护安全措施

3.2.1超宽深基坑设计

采用控制变形能力较好、止水效果较好的地下连续墙作为车站基坑围护结构，地下连续墙(厚800 mm)墙底插入深度不小于5.5 m(基底为全风化、强风化层)；竖向设置3道混凝土支撑，第1道采用1 000 mm×1 100 mm混凝土支撑，第2、3道均采用1 200 mm×1 300 mm混凝土支撑，支撑间距为5～6 m。由于基坑宽度超宽，需要通过增设临时立柱确保支撑在竖直方向的稳定性； 同时，通过在临时立柱之间增设系梁(4排)，确保水平方向的稳定性。

3.2.2内支撑与13#桩、新旧桩关系处理措施

内支撑与新旧桩布置相互避让，内支撑从桩中间穿过形成对撑。13#桩托换结构施工完成后、基坑开挖前，施工基坑第1道混凝土支撑，并与新建高桩承台(通过预埋接驳器)连接牢固。向下开挖过程中，注意确保桩基周围土体对称开挖，以减少不平衡土压力对桩的影响，第2、3道内支撑与托换桩之间没连接，保持相对独立。

3.2.3地下连续墙设计及施工措施

禅西大道桥下净空低矮，桥面下地下连续墙施工困难，地下连续墙成槽不能采用一般的成槽机施工，而采用小型钻机进行成槽施工，地下连续墙幅宽由一般段的6 m调整为4 m。同时，受桥下作业空间限制，吊装机械小，吊装能力有限，每幅地下连续墙(宽4 m)钢筋笼需分批吊装分段连接。

3.2.4车站基坑两侧12#、14#桥桩保护措施

根据竣工资料，12#、14#桥桩桩进入中风化地层，为端承桩，与车站基坑距离较近，基坑开挖会引起12#、14#的侧向变形，保护方案如下。

1)地下连续墙成槽前先进行槽壁加固，减少成槽对桥桩的扰动。桥下地下连续墙施工因受桥下净空的限制，地下连续墙成槽时间长，且侧壁有〈2-1A〉淤泥，自稳能力差、场区地质差，施工中槽壁有坍槽的可能。为降低桥面下地下连续墙施工坍槽对12#、14#桥桩的影响，在桥面下地下连续墙纵向60 m范围内槽壁外侧采取高压旋喷加固，旋喷桩采用φ600@450单管旋喷桩，加固深度为地面以下17 m，且进入强风化岩面以下不小于1 m。

2)增加基坑围护结构刚度，限制其开挖后变形。为减少基坑沉降及侧向变形对桥梁桩基的影响，本站下穿禅西大道段围护结构采取800 mm厚地下连续墙+3道混凝土支撑限制基坑变形，并采用对撑段加板撑、增大此段插入深度、减小地下连续墙墙幅、地下连续墙接头采用工字钢接头等措施来增大围护结构刚度，达到控制基坑变形的目的。

3)跟踪注浆(见图6)。为减少12#、14#桥墩侧向变形，除采取以上措施之外，根据基坑施工监测情况(12#、14#桥墩变形达预警值时)，在主体基坑外与12#、14#桥墩之间进行跟踪注浆，采用地面袖阀管注浆，注浆参数如下： 浆液类型为1∶1水玻璃+水泥双液浆(材料为42.5级普通硅酸盐水泥，水灰质量比为 0.8∶1～1∶1，水玻璃波美度为35 °Bé，模数为2.6)； 浆液扩散半径R=65 cm； 注浆孔间距为500 mm×500 mm，梅花形布置； 注浆压力，初压为0.5～1.0 MPa，稳压为2.0～3.0 MPa； 注浆范围，12#、14#桥墩从承台下开始注浆，向下深度以穿过淤泥质土进入强风化岩面以下不小于1 m为注浆范围。

图6　跟踪注浆大样图

3.2.5基坑开挖对托换体系稳定性影响控制措施

由于本托换体系采用高桩承台托换，基坑开挖及内支撑架设可能会对其产生较大影响。因此，除托换体系自身刚度满足稳定性等要求外，对于托换体系附近基坑，应注意对称开挖，以减少不平衡土压力对托换体系的影响；同时将原桩中间土体挖掉，并将内支撑穿过托换桩及原桩形成对撑，以避免两侧基坑不对称变形对托换体系的影响。

4　数值模拟计算分析

4.1　计算模型及物理力学参数

针对张槎站车站下穿禅西大道桥部分车站结构基坑方案和桥梁保护方案设计，为确保方案安全、合理、可行，采用有限元软件对本方案施工过程进行数值模拟计算分析。由于该工程基坑规模比较大，计算截取了桥桩影响范围内的开挖基坑区域进行空间三维有限元数值模拟计算分析，采用的模型如图7所示。数值模拟计算充分考虑了基坑施工过程的影响范围，模型长(X方向)120 m，宽(Y方向)80 m，深(Z方向)50 m。土体采用D-P本构模型实体单元模拟，内支撑采用梁单元模拟，地下连续墙、车站和基坑楼板均采用板单元模拟，临时和永久立柱均采用梁单元模拟，以上结构单元都采用弹性本构模拟。数值模拟计算的物理力学参数见表2。

(a) 整体模型图(b) 结构模型图

图7模型图

Fig. 7Model diagrams

表2数值模拟计算物理力学参数表

Table 2Physico-mechanical parameters of numerical simulation calculation

地层及材料弹性模量/kPa泊松比重度/(kN/m3)内聚力/kPa内摩擦角/(°)备注填土层6.0×1030.4　18.0　15　10岩土淤泥层3.0×1030.5　15.0　3　8岩土粉质黏土2.5×1040.33　19.4　25　16岩土　全风化泥岩6.0×1040.3　21　26　20岩土　强风化泥岩1.2×1050.28　23　50　21岩土　中风化泥岩3.0×1050.2　14　100　23岩土C353.15×1070.167　25结构构件

4.2　计算结果及分析

部分计算结果如图8所示。根据国内规范和桥梁产权单位相关要求，结合国内地铁工程经验，本工程桥桩基沉降控制值为-15～15 mm，相邻支座的差异沉降为-5～5 mm，高架桥桩基水平位移控制在-10～10 mm。由计算结果可知，本方案桩基托换体系最大沉降量为13.5 mm<15 mm，差异沉降为3 mm<5 mm，最大水平位移为5.0 mm(顺桥向)<10 mm，计算结果满足相关要求。

(a) 桥桩水平向变形(X方向)云图

(b) 桥桩水平向变形(Y方向)云图

(c) 桥桩竖向变形云图

5　现场施工及监测情况

张槎站车站下穿禅西大道高架桥部分车站基坑及桩基托换施工，截至2017年6月已完成车站中间13#桥基托换，车站基坑已开挖至基底，并已施作大部分主体结构(见图9)。根据现场监测数据，13#桥墩最大沉降为11 mm(数值模拟值为13.5 mm)，墩柱最大差异沉降为2.7 mm(数值模拟值为3.0 mm)，两侧12#、14#桩基最大水平变形为4.8 mm(数值模拟值为5.0 mm)。现场监测数据与数值计算结果比较接近，均小于规范及产权单位规定的控制值，施工过程中基坑及既有桥梁未出现险情，既有桥梁未出现变形和开裂。

(a) 桥梁及基坑总体照片

(b) 旧桩与托换结构照片

(c) 旧桩与内支撑照片

6　结论与讨论

本文以佛山地铁张槎站为背景，针对车站位于禅西大道桥下低矮空间条件下，桩基托换及超宽深基坑设计存在的技术难题进行研究，主要得到以下结论。

1)首次提出高桩承台主动托换技术，并在佛山地铁张槎站成功实施。运用高桩承台主动托换技术对既有13#桥桩进行托换，将原桩力传到新增桩上，新旧桩基与基坑内支撑相对独立，基坑、托换体系受力相对明确，使施工过程相互影响达到最小。

2)桥下空间低矮、车站基坑超宽，通过采用对撑(穿过新旧桩)的内支撑形式，并增设临时立柱及连梁确保内支撑的整体稳定，保证了车站基坑及桥墩结构的安全；通过改善围护结构设计及施工工艺提高了桥下施工效率。

3)本文提出的高架桥桩基侵入地铁车站深基坑的桩基托换关键技术，如高桩承台桩基托换技术、低矮空间下超宽深基坑方案，并在张槎站成功实施，可为今后类似工程的修建提供借鉴和参考。但同时还存在进一步研究和探讨的空间，如能否取消临时支顶，低矮空间下主动托换空间十分有限，能否采用被动托换等。