史金洪， 魯 彬， 黃明利， 瞿曉巍,*

(1. 中鐵昆明建設(shè)投資有限公司， 云南 昆明 650118； 2. 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044)

火車站地下廣場內(nèi)樁基托換并蓋挖法施工地鐵車站關(guān)鍵技術(shù)

史金洪1， 魯 彬1， 黃明利2， 瞿曉巍2,*

(1. 中鐵昆明建設(shè)投資有限公司， 云南 昆明 650118； 2. 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044)

為保證重慶北站地鐵車站施工過程中地面交通以及地下停車場的正常運行，提出火車站地下廣場內(nèi)樁基托換并蓋挖法施工地鐵車站技術(shù)： 先采用樁基托換上部結(jié)構(gòu)，然后以托板為基坑頂板進行蓋挖施工地鐵車站。既有樁基和結(jié)構(gòu)的臨時支撐以及托板與既有樁基、鋼管柱的節(jié)點處理是工程的關(guān)鍵和難點： 在樁基托換過程中，根據(jù)既有樁基上主梁數(shù)量設(shè)置H形臨時支撐體系，并及時連接相鄰臨時立柱，形成整體； 在托板與既有樁基節(jié)點處，鑿除既有樁基基礎(chǔ)部分混凝土，保留既有鋼筋，長邊方向底板部分縱筋從未鑿除的樁體鉆孔通過，短邊縱筋繞行； 鋼管柱與托板節(jié)點施作時預(yù)留樁頂鋼筋，將其伸入到托板中，連接成一個整體，一同灌注混凝土。現(xiàn)場監(jiān)測最大變形為16.6 mm，說明本工程采用的樁基托換并蓋挖施工技術(shù)合理可行。

地鐵車站； 樁基托換； 蓋挖法； 既有樁基； 托板

0 引言

隨著我國人口、經(jīng)濟的發(fā)展以及城市化進程的推進，城市所面臨的交通擁堵問題也日趨嚴重，軌道交通是一種改善城市交通問題的有效方式[1]。在城市修建地下隧道時，經(jīng)常會遇到各種管線、樁基、基坑以及既有隧道等地下構(gòu)筑物[2]。在既有構(gòu)筑物下方修建隧道的方法很多，樁基托換技術(shù)是一種相對安全、可靠、對周邊環(huán)境影響小的施工方法。

國內(nèi)學(xué)者對樁基托換技術(shù)和蓋挖法進行了相關(guān)研究。如： 文獻[3-4]對地鐵盾構(gòu)隧道樁基托換施工技術(shù)進行了研究;文獻[5]認為樁基托換技術(shù)是地鐵建設(shè)中亟待深入研究的巖土力學(xué)課題；文獻[6]介紹了地鐵車站高架橋墩下樁基托換施工監(jiān)測技術(shù)；文獻[7]和文獻[8]分別研究飽和黃土和有水條件下地鐵隧道穿越橋梁樁基的托換技術(shù)；文獻[9]研究了大直徑微型鋼管樁樁基托換技術(shù)；文獻[10]采用ABAQUS軟件模擬驗證樁基主動托換方案的可靠性；文獻[11]分析了托換樁-柱置換節(jié)點薄弱區(qū)產(chǎn)生的原因及其應(yīng)力變化規(guī)律；文獻[12]研究了重疊隧道施工對樁基托換區(qū)沉降的影響；文獻[13]分析蓋挖托換中托板的作用以及基坑開挖對周邊環(huán)境的影響；文獻[14-17]對地鐵車站蓋挖法施工中結(jié)構(gòu)受力及變形進行分析。以上研究多側(cè)重于樁基托換或蓋挖施工單項施工技術(shù)，鮮有地鐵工程中采用樁基托換的同時進行蓋挖施工的報道，在這方面可借鑒的經(jīng)驗很少。本文依托重慶北站10號線D區(qū)蓋挖段，研究火車站地下廣場內(nèi)樁基托換并蓋挖施工地鐵車站的關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概述

1.1 工程概況

重慶北站位于重慶市龍頭寺火車站南廣場既有地下廣場下方，軌道交通3號線、10號線、環(huán)線匯集于此。環(huán)線與3號線、10號線呈T形換乘關(guān)系，環(huán)線為東西走向，3號線與10號線為南北走向。重慶北站平面布置見圖1。

1.2 既有結(jié)構(gòu)概況及存在的問題

龍頭寺火車站南廣場分上下2層： 上層為旅客進出火車站通道；下層為商業(yè)配套及交通層，旅客可由此直接換乘3號線、出租車及社會車輛，高度為4.8 m。地下廣場結(jié)構(gòu)形式為四級框架結(jié)構(gòu)，頂板為井字梁，基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)和梁式擴展基礎(chǔ)。

由于本站是火車站，每天進出人數(shù)和交通量大，不允許施工影響地面廣場及廣場旁邊道路正常通行，所以不能采用明挖法施工；車站與地下停車場樁基底部距離較近，采用暗挖法施工會影響地下停車場、地面廣場及周邊道路安全。考慮以上因素，并結(jié)合國內(nèi)外已有工程經(jīng)驗，在保證既有停車場、地面與道路使用功能的前提下，提出樁基托換并蓋挖施工技術(shù)。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計概況

重慶北站D區(qū)蓋挖段位于火車站南廣場地下室下方，本段主體結(jié)構(gòu)基坑開挖長度約33.9 m、寬度約25.7 m、深度約17.6 m，為14.6 m寬島式站臺車站。大里程端為單拱三跨單層結(jié)構(gòu)，采用暗挖法施工；小里程端為雙層箱型框架結(jié)構(gòu)，采用蓋挖和明挖2種方法施工。托換并蓋挖段概況見圖2。

圖2 托換并蓋挖段概況

Fig. 2 Sketch diagram of pile foundation underpinning and cut and cover method

1.4 地質(zhì)條件

蓋挖段地層由上而下依次為： 1)素填土，雜色，主要由黏性土組成，其中夾雜砂、泥巖塊石和碎石； 2)砂質(zhì)泥巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級，巖質(zhì)較軟，抗風(fēng)化能力差； 3)砂巖，灰色，屬較軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅲ級，巖質(zhì)較硬，抗風(fēng)化能力強。各層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

2 托換并蓋挖施工技術(shù)

2.1 施工工藝

重慶北站蓋挖段采用托換并蓋挖法施工，其蓋挖施工采用蓋挖順作法。托換并蓋挖法總體施工工藝如下： 圍護樁施工—基坑土方開挖—冠梁施工—敷設(shè)側(cè)墻矮墻及托板下防水層—澆筑托板—恢復(fù)地下室地坪—托板下方基坑開挖—施作基坑內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2.2 施工步序

1)第1步(見圖3(a))。整場地，施作圍護結(jié)構(gòu)、托換樁、立柱基礎(chǔ)人工挖孔灌注樁及鋼管混凝土柱，東、西側(cè)施作錨索的預(yù)留錨孔。主體結(jié)構(gòu)基坑圍護結(jié)構(gòu)采用人工挖孔灌注樁+錨索的支護方案，人工挖孔灌注樁直徑為1 200 mm和1 500 mm，嵌固深度為4 m或5 m； 預(yù)應(yīng)力錨索采用φs15.2@2.5 m×3.0(2.5) m 鋼絞線，錨孔直徑150(200) mm，角度15°； 樁間網(wǎng)噴100 mm厚C25混凝土，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為φ8@200 mm×200 mm。

2)第2步(見圖3(b))?；娱_挖至托板底標(biāo)高處，施工冠梁，敷設(shè)側(cè)墻矮墻及托板下防水層，澆筑側(cè)墻矮墻，處理托換既有樁基節(jié)點，澆筑托板，待混凝土強度達到設(shè)計要求后，敷設(shè)托板頂部防水層，回填處理，恢復(fù)地下室地坪。其中： 托板厚1 500 mm，托換樁采用φ1 500 mm人工挖孔灌注樁，中立柱樁基采用φ2 000 mm人工挖孔灌注樁。

3)第3步(見圖3(c))。在托板下逐層開挖、施工錨索(施工混凝土腰梁，及時架設(shè)鋼支撐)至基坑底，施工墊層。

4)第4步(見圖3(d))。敷設(shè)底板、部分側(cè)墻防水層，澆筑底板、底縱梁及部分側(cè)墻，待混凝土達到設(shè)計強度后，架設(shè)換撐。

5)第5步(見圖3(e))。拆除第2道鋼管支撐，敷設(shè)基坑內(nèi)地下2層剩余側(cè)墻防水層，澆筑中樓板及中縱梁。

6)第6步(見圖3(f))。待中樓板混凝土達到設(shè)計強度后，拆除換撐及第1道鋼管支撐，敷設(shè)側(cè)墻剩余防水層，澆筑基坑內(nèi)地下1層側(cè)墻，施作車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

3 工程難點

樁基托換并蓋挖施工過程中，對既有樁基的保護和托換節(jié)點的處理是工程的難點，下文對工程難點部分進行詳細介紹。

3.1 既有樁基臨時支撐

托板范圍內(nèi)共有13個既有結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)，分布位置見圖4。施工時需對既有樁基進行支撐，以確保既有樁及既有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全。

(a) 第1步

(b) 第2步

(c) 第3步

(d) 第4步

(e) 第5步

(f) 第6步

WZ1—WZ5表示樁基型號，型號左側(cè)的數(shù)字表示樁基直徑。

圖4 既有樁基平面圖(單位： mm)

Fig. 4 Plan of existing pile foundations (mm)

根據(jù)既有樁基上主梁數(shù)量設(shè)置H形狀的臨時支撐體系，臨時支撐體系架設(shè)后，及時連接相鄰臨時立柱，形成整體，確保施工安全，既有結(jié)構(gòu)的臨時支撐見圖5。

(a) 示意圖

(b) 現(xiàn)場施工圖

臨時支撐的具體要求如下：

1)臨時立柱采用HW(寬翼緣H型鋼)300 mm×300 mm×10 mm×15 mm型鋼；

2)φ800型鋼既有樁基處的臨時橫梁采用HN(窄翼緣H型鋼)700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型鋼，臨時立柱間距l(xiāng)<2 500 mm。其他既有樁基處的臨時橫梁采用HN700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型鋼，臨時立柱間距l(xiāng)<3 000 mm，既有結(jié)構(gòu)主梁應(yīng)布置于臨時橫梁跨中位置；

3)臨時橫梁上部短柱采用HW300 mm×300 mm×10 mm×15 mm型鋼，短柱長度小于2 m，短柱兩端節(jié)點板做法同臨時立柱節(jié)點板；

4)臨時橫梁應(yīng)與既有結(jié)構(gòu)主梁底面頂緊，施工時不得破壞既有結(jié)構(gòu)，在靠近既有樁基施工時應(yīng)減少對基礎(chǔ)的擾動，支撐體系的臨時立柱基礎(chǔ)嵌入基巖深度不得小于500 mm，臨時橫梁上部短柱僅在臨時橫梁不能直接支撐既有結(jié)構(gòu)主梁的情況下設(shè)置。

3.2 托板施工

托換結(jié)構(gòu)托板厚1.5 m，分2段施工，施工要點如下： 1)結(jié)構(gòu)分段施工長度控制在20 m以內(nèi)，分段太長對混凝土的防裂抗?jié)B不利，太短則施工縫設(shè)置過多； 2)施工縫設(shè)置避開結(jié)構(gòu)預(yù)留孔洞位置； 3)施工縫設(shè)置在梁跨的1/4～1/3處。既有樁基與托板的節(jié)點處理以及托板與鋼管柱的節(jié)點處理是托板施工的重點與難點，具體處理方法如下。

3.2.1 既有樁基與托板節(jié)點處理

對既有樁基基礎(chǔ)加固完善后進行節(jié)點既有基礎(chǔ)部分混凝土鑿除及鋼筋加固處理，施工時加強對既有樁基的沉降變形觀測，具體施工步序如下。

1) 鑿除既有樁基礎(chǔ)部分混凝土，保留既有鋼筋。WZ1—WZ4型樁基鑿除30 cm寬混凝土，WZ5型樁基鑿除45 cm寬混凝土，在鑿除混凝土部分，樁基兩側(cè)分別設(shè)置4根φ50 mm吊筋，既有樁基節(jié)點處理見圖6。

圖6 既有樁基節(jié)點處理(單位： mm)

Fig. 6 Treatment of connection between underpinning plate and existing pile foundation (mm)

2)托板短邊方向板底縱筋由保留樁體兩側(cè)繞行通過，長邊方向底板部分縱筋從保留樁體鉆孔通過(鉆孔直徑φ35 mm)，節(jié)點處理平面圖見圖7。

圖7 既有樁基節(jié)點處理平面圖

Fig. 7 Plan of treatment of connection between underpinning plate and existing pile foundation

3)對既有樁基表面進行鑿毛，清理原有混凝土缺陷至密實部位，并除去浮渣、塵土。既有樁基、地梁表面必須鑿成凹凸差不小于10 mm的粗糙面。

4)原混凝土表面應(yīng)沖洗干凈，并保持濕潤，澆筑混凝土前，原混凝土表面應(yīng)采用水泥漿等界面劑進行處理。

3.2.2 托板與鋼管柱節(jié)點處理

1)鋼管柱施作時預(yù)留樁頂鋼筋，預(yù)留鋼筋伸入到托板中，托板與鋼管柱通過預(yù)留鋼筋連接成一個整體，如圖8所示。

圖8 托板與鋼管柱節(jié)點處理示意圖(單位： mm)

Fig. 8 Treatment of connection between underpinning plate and steel pipe column (mm)

2)托板鋼筋在節(jié)點處設(shè)置φ28@150 mm的附加筋，托板施工時，清洗及鑿毛樁頂和預(yù)留鋼筋，并保護好該預(yù)留鋼筋。

3)節(jié)點處混凝土同托板混凝土一同灌注，并用插入式搗固器加強搗固，確保節(jié)點處混凝土質(zhì)量。

4 監(jiān)測分析

為評價方案效果，對人工挖孔樁和既有建筑物沉降進行監(jiān)測，蓋挖段監(jiān)測點布置見圖9。

DC表示D區(qū)蓋挖人工挖孔樁沉降; CBJC表示重慶北站建筑物垂直沉降; DB表示地表沉降。

圖9 蓋挖段監(jiān)測點布置圖

Fig. 9 Layout of monitoring points

DC144監(jiān)測點在托板中間，變形具有代表性； CBJC027監(jiān)測點在施工通道與基坑交界處上方，沉降較大。因此，選取這2個監(jiān)測點進行分析。目前托換并蓋挖施工已經(jīng)完成，2點監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖10?？梢钥闯觯?1)沉降曲線比較平緩，在相鄰施工步之間沒有太大的沉降變化，且整體變形趨勢都是先緩慢、后增加較快、最后趨于平穩(wěn)。2)CBJC027監(jiān)測點初期沉降變化較快，然后趨于平穩(wěn)，主要原因是在進行施工通道施工，從施工通道進入托換并蓋挖段托板下部，對周圍土層產(chǎn)生了擾動；從A-A處開始，沉降發(fā)生較大突變，原因是CBJC027監(jiān)測點下方在進行爆破作業(yè)，對該點沉降產(chǎn)生較大影響。3)蓋挖段CBJC027監(jiān)測點沉降最大，為16.6 mm。DC144監(jiān)測點最大隆起值為3.52 mm。2監(jiān)測點變形都在控制要求范圍內(nèi)(控制值為30 mm)，且施工中未出現(xiàn)異常，說明該方案可行。

圖10 測點變形曲線

5 結(jié)論與討論

1)為保證重慶北站地鐵車站施工過程中地面交通以及地下停車場的正常運行，提出樁基托換并蓋挖法施工地鐵車站技術(shù)。施工中采取H形臨時支撐體系對既有結(jié)構(gòu)進行加固，采用縱筋穿過樁體及預(yù)留樁頂鋼筋的方法把既有樁、鋼管柱與托板連成一個整體，確保既有樁基及既有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全。

2)現(xiàn)場監(jiān)測最大變形為16.6 mm，未超過控制要求，且施工中未發(fā)生異常，驗證了托換并蓋挖方案的合理可行。

3)既有樁基的臨時支撐是根據(jù)既有樁基上主梁數(shù)量設(shè)置的，主梁多設(shè)置的臨時支撐多，反之則少，是否會因局部臨時支撐過多造成材料浪費或因局部較少產(chǎn)生安全隱患問題，有待進一步研究。

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Key Construction Technologies for Pile Foundation Underpinning and Metro Station Constructed by Cut and Cover Method

SHI Jinhong1, LU Bin1, HUANG Mingli2, QU Xiaowei2,*

(1.ChinaRailwayKunmingConstructionInvestmentCo.,Ltd.,Kunming650118,Yunnan,China; 2.SchoolofCivilEngineering&Architecture,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

During the construction of underground Metro station of Chongqing North Railway Station, the running of traffic on the ground and underground parking lot should be guaranteed. The construction technologies for pile foundation underpinning and the Metro station constructed by cut and cover method are proposed. The upper structure of the Metro station is underpinned by temporary piles and the underpinning plate is regarded as cover of cut and cover construction. The temporary support of existing piles and structures and the treatment of connection points between underpinning plate and existing foundation pile and those between underpinning plate and steel pipe column are the construction keys and difficulties of the project. During the pile foundation underpinning construction, H-shaped temporary support system is set according to amount of main beam on existing pile foundations and the adjacent temporary column should be connected in time. During the construction of connection between underpinning plate and foundation pile, part of concrete of foundation of pile foundation is cut off and the rebar is kept. During the construction of connection between underpinning plate and steel pipe column, the pile top rebar reserved is inserted into underpinning plate and then casted. The site monitored deformation results show that the above-mentioned technologies are feasible and rational.

Metro station; pile foundation underpinning; cut and cover method; existing pile foundation; underpinning plate

2016-06-15;

2016-11-05

史金洪(1963—)，男，山東武城人，1983年畢業(yè)于中國人民解放軍鐵道兵工程學(xué)院，隧道專業(yè)，本科，高級工程師，現(xiàn)從事隧道與地下工程施工、科研及管理工作。E-mail： Ztshijh@126.com。*通訊作者： 瞿曉巍，E-mail： 153990780@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.02.015

U 45< class="emphasis_bold"> 文獻標(biāo)志碼： B

B

1672-741X(2017)02-0223-07