潘明亮

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽 471000)

0 引言

隨著各大城市大力發(fā)展地下空間，對既有建(構(gòu))筑物托換的工程越來越多。樁基主動托換本身具有施工風(fēng)險性高、施工組織難度大等特點，托換結(jié)構(gòu)體形式的選擇與周邊環(huán)境特點及要求相結(jié)合正向多元化發(fā)展。目前相關(guān)樁基主動托換的研究已有很多，如:文獻(xiàn)［1］通過ABAQUS軟件對托換工序進(jìn)行仿真模擬從而驗證樁基主動托換方案的可靠性;文獻(xiàn)［2］研究了大軸力樁基主動托換過程中托換荷載在托換結(jié)構(gòu)中的分配關(guān)系及截樁過程中荷載的轉(zhuǎn)換規(guī)律，并據(jù)以制定主動托換施工工藝和施工參數(shù);文獻(xiàn)［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(yīng)用中的一些實例;文獻(xiàn)［5］對隧道穿越空箱擋墻樁基礎(chǔ)施工方案進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬，為施工方案提供理論依據(jù);文獻(xiàn)［6－7］通過理論計算結(jié)果及經(jīng)驗類比確定樁基托換各關(guān)鍵工序控制要點，并對有關(guān)技術(shù)參數(shù)加以介紹;文獻(xiàn)［8］除對樁基主動托換技術(shù)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(nèi)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(chuàng)造托換空間，并采用連續(xù)梁形式同時對5根樁基實施主動托換，其涉及的專業(yè)類別更多，技術(shù)性更強(qiáng)，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(yùn)營，為重疊車站側(cè)式站臺，站臺位于軌道線路南側(cè)。為實現(xiàn)新建地鐵3號線老街站與既有運(yùn)營的1號線老街站通過換乘綜合體實現(xiàn)同站臺平行換乘，需對1號線老街站實施站臺的倒邊改擴(kuò)建來實現(xiàn)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(shè)備及管理用房區(qū)，不能滿足該標(biāo)準(zhǔn)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(cè)地下構(gòu)筑約50.00 m長的站臺結(jié)構(gòu)作為補(bǔ)充。該擴(kuò)建站臺位于已運(yùn)營1號線車站東端北側(cè)，永新商業(yè)城南側(cè)主樓下方，地理平面位置圖見圖1。

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

深圳既有運(yùn)營1號線老街地下車站與永新商業(yè)城南側(cè)主樓結(jié)構(gòu)走向處于平行關(guān)系，其最南側(cè)一排樁基外緣距離老街地下車站連續(xù)墻凈距為3.90 m，永新商業(yè)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(yùn)營1號線老街站東端北側(cè)擴(kuò)建寬3.80 m、長50.00 m、埋深25.00 m左右的2層站臺結(jié)構(gòu)。鑒于1號線老街站東端北側(cè)與永新商業(yè)城平行且相距僅4.00 m，地下新擴(kuò)建的站臺結(jié)構(gòu)位于永新商業(yè)城基礎(chǔ)的地基土層范圍，兩者的關(guān)系見圖2。為確保永新商業(yè)城的結(jié)構(gòu)安全，站臺擴(kuò)建工程實施之前需先對永新商業(yè)城進(jìn)行樁基托換加固。

圖2 擴(kuò)建站臺結(jié)構(gòu)與永新商業(yè)城基礎(chǔ)關(guān)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(kuò)建工程實施的前提，是必須對永新商業(yè)城5根受影響的樁基(單樁基對應(yīng)上部單柱)進(jìn)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(xù)梁結(jié)構(gòu)。永新商業(yè)城樁基主動托換效果圖見圖3。

圖3 永新商業(yè)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(shè)計的明挖施工方案需對永新商業(yè)城及一樓商鋪門前進(jìn)行圍蔽，從而對永新商業(yè)城商家營業(yè)產(chǎn)生直接影響，補(bǔ)償費(fèi)用很高。面對工程復(fù)雜的周邊環(huán)境條件及困難的外部協(xié)調(diào)，終將原方案優(yōu)化為從換乘體基坑內(nèi)東側(cè)圍護(hù)樁處開洞門，施作1條隧道以揭示永新商業(yè)城被托換樁基，在隧道內(nèi)完成托換新樁及改擴(kuò)建站臺結(jié)構(gòu)圍護(hù)樁墻，現(xiàn)澆包樁托換連續(xù)梁，最后采用分序開挖的矩形連續(xù)墻作為托換新樁對永新商業(yè)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(kuò)建站臺工程實施前對永新商業(yè)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(xiàn)澆梁。既有樁、托換梁、托換新樁、樁墻與托換隧道位置關(guān)系見圖5(a)和5(b)。

樁基托換的關(guān)鍵是實現(xiàn)荷載平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，并嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)體變形，二者構(gòu)成了樁基托換的核心。永新商業(yè)城樁基主動托換的關(guān)鍵工序包括:1)托換大梁與既有樁有效連接，連接節(jié)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?shù)脑O(shè)置位置要保證梁體在整體頂升過程中各節(jié)點同步同力，不對被托換柱產(chǎn)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(jié)構(gòu)及托換結(jié)構(gòu)實施精密持續(xù)監(jiān)測，用信息化反饋指導(dǎo)操作進(jìn)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(nèi)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(dá)到強(qiáng)度后實施整體頂升。3)施作2序新樁，到達(dá)強(qiáng)度后進(jìn)行頂升，同時調(diào)整1序新樁的加載。4)施作3序新樁，到達(dá)強(qiáng)度后進(jìn)行頂升，同時調(diào)整1序和2序新樁的加載。5)截除既有樁基，注意調(diào)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(guān)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(jié)構(gòu)變形模擬結(jié)果

初始地應(yīng)力場下地層與樁基礎(chǔ)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(jìn)行之前，地層以及樁基礎(chǔ)在3方向的初始變形非常小(數(shù)量級10－6)，地應(yīng)力平衡結(jié)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(chǔ)周邊的3方向的位移有所增大，形成一個圍繞樁基礎(chǔ)的橢圓形且中間大、周邊小的沉降區(qū)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(chǔ)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(yè)城建筑物的載荷由千斤頂傳到新樁上，原先作用在樁基礎(chǔ)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(fēng)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(chǎn)生一定的回彈;4)在破除舊樁之前，上部載荷已經(jīng)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(xiàn)為上抬和下沉，變化幅度都控制在1 mm內(nèi)。2)托換過程中各樁之間沉降不同，導(dǎo)致各樁之間的系梁在與樁帽連接處拉應(yīng)力較大(見圖11)。

圖11 1號序樁頂升后托換大梁最大主應(yīng)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(yīng)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(yīng)力略高外，其他各點所受拉、壓應(yīng)力都遠(yuǎn)低于該處混凝土的強(qiáng)度極限。

圖15 托換過程中托換大梁下表面代表點最小主應(yīng)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(jié)構(gòu)監(jiān)測情況

永新商業(yè)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(chǎn)生有害新增裂縫及既有裂縫的發(fā)展，確保了托換工程的安全。樁基主動托換托換結(jié)構(gòu)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(xiàn)既有樁的荷載平穩(wěn)轉(zhuǎn)移到托換新樁，完成托換梁與新樁的連接?，F(xiàn)就具體監(jiān)測情況分析如下。

4.1 托換梁線形監(jiān)測

總體看來托換梁變形不大，根據(jù)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(guān)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(guān)系良好，說明托換梁處于彈性工作狀態(tài)，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(guān)系圖Fig.17 Relationship between measured deflection and load of underpinning beam

4.2 托換梁應(yīng)力監(jiān)測

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

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

4.3 托換新樁沉降監(jiān)測

由于有了預(yù)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(zhì)量較好，其承載力滿足托換和使用要求。

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

5 結(jié)論與討論

1)采用連續(xù)梁形式同時主動托換多根樁要求各節(jié)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(zhuǎn)換過程，精細(xì)化組織來確保各分組頂升單元間的信息化協(xié)同作業(yè)是非常關(guān)鍵的。

2)在樁基主動托換實施過程中，還須加強(qiáng)對被托換樁(柱)相鄰跨梁板的附加應(yīng)力、應(yīng)變變化進(jìn)行監(jiān)測，防止結(jié)構(gòu)主要受力變形敏感部位出現(xiàn)有害裂縫，確保托換結(jié)構(gòu)與被托換結(jié)構(gòu)體均處于良好工作狀態(tài)。

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