微型鋼管樁樁基托換在廣州地鐵工程中的應(yīng)用

魏玉省

(中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133)

0 引言

為了應(yīng)對日益擁堵的城市交通，城市軌道交通線網(wǎng)需要加密，新規(guī)劃的線路往往要穿越人口密集的老城區(qū)，地鐵線路不可避免地要下穿一些建構(gòu)筑物，導(dǎo)致建構(gòu)筑物的基礎(chǔ)侵入隧道，需要樁基托換，盾構(gòu)機(jī)才能夠通過。所謂樁基托換［1］就是采用新增加基礎(chǔ)工程的方法，對既有的建構(gòu)筑物某一部位的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分或者完全替換，并與原有基礎(chǔ)共同承擔(dān)上部荷載，以取得預(yù)期的沉降和沉降差控制效果。

樁基托換根據(jù)鑿樁前是否采用預(yù)先頂升等措施來消除新樁和托換結(jié)構(gòu)的沉降變形可以分為主動(dòng)托換［2－3］和被動(dòng)托換［4－6］。主動(dòng)托換適用于大噸位和控制變形嚴(yán)格的工程，被動(dòng)托換適用于小噸位、結(jié)構(gòu)物對變形要求不太嚴(yán)格的工程。樁基托換中常用樁的類型為鉆孔灌注樁［4］、微型鋼管樁［5］、錨桿靜壓樁［7］、人工挖孔樁、樹根樁等。目前有關(guān)采用微型鋼管樁進(jìn)行被動(dòng)托換和加固的文獻(xiàn)中:文獻(xiàn)［4］闡述了廣州地鐵三號線區(qū)間隧道下穿明麗園建筑物采用微型鋼管樁進(jìn)行被動(dòng)托換的施工技術(shù);文獻(xiàn)［5］研究了在施工條件受限的情況下采用微型鋼管樁在大噸位橋梁淺基礎(chǔ)加固中的應(yīng)用技術(shù);文獻(xiàn)［6］介紹了深圳地鐵一號線下穿華中國際酒店采用無砂混凝土鋼管樁進(jìn)行被動(dòng)托換的工程實(shí)例。以上文獻(xiàn)主要論述了采用微型鋼管樁進(jìn)行樁基托換或加固的案例，對樁基的沉降計(jì)算等方面論述較少，本文通過托換方案比選、樁基沉降理論計(jì)算、施工監(jiān)測等多方面論述，說明本工程采用微型鋼管樁群樁+承臺受力體系進(jìn)行托換是成功的。

1 工程概況

廣州地鐵五號線草暖公園—小北站區(qū)間盾構(gòu)隧道在里程ZDK8+231.390處下穿內(nèi)環(huán)路高架A匝道(橋面結(jié)構(gòu)是簡支箱梁，橋面板寬度是8.5 m，2車道)。其A4樁基(樁徑1500mm、樁長20.043m)侵入盾構(gòu)隧道內(nèi)1.65 m，需要先樁基托換，盾構(gòu)機(jī)才能通過。A4樁基的橋墩位于地面寬度為5 m的綠化帶內(nèi)，綠化帶南、北兩側(cè)均為環(huán)市東路車道，路面交通車流量大。樁基北側(cè)有1根φ1 200 mm鋼管給水管，埋深2.63 m，南側(cè)是1根φ500mm的混凝土排水管，埋深2.21m。A4樁處橋面板到地面的高度約3.5 m。

A4樁基從地面到隧道底地層依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖、中風(fēng)化花崗巖，地層厚度分別為 2.9，4.3，14.8，9.7 m。地下穩(wěn)定水位在地面下約 2 m，強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖裂隙很發(fā)育，透水性強(qiáng)。左線盾構(gòu)隧道與A4樁基位置關(guān)系、地質(zhì)柱狀圖詳見圖1。

2 托換方案分析

根據(jù)工程所處的環(huán)境、工程地質(zhì)條件，可行的托換方案主要有地面微型鋼管樁群樁被動(dòng)托換、地面樁梁式主動(dòng)托換和地下暗挖小導(dǎo)洞托換3個(gè)方案。方案設(shè)計(jì)及其對比詳見表1。

從對周邊環(huán)境影響、技術(shù)難度、工程造價(jià)、工期等綜合比較發(fā)現(xiàn):地面微型鋼管樁施工不需要大型設(shè)備，橋下施工難度小，且工序轉(zhuǎn)換相對簡單，工期短、造價(jià)低，內(nèi)環(huán)路A匝道A4樁基托換推薦采用方案1，即微型鋼管樁被動(dòng)托換+人工挖孔鑿樁方案。

表1 托換方案分析表Table 1 Comparison and contrast between different underpinning schemes

圖1 盾構(gòu)隧道與A4樁基位置關(guān)系及地質(zhì)柱狀圖Fig.1 Relationship between shield-bored tunnel and A4 pile foundation and geological logs

3 托換方案設(shè)計(jì)

托換方案確定后，需要對方案進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，微型鋼管樁和承臺組成的支撐體系承擔(dān)A4樁截?cái)嗪笊喜總飨聛淼暮奢d，方案設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)方面。

3.1 承臺基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

基坑長12.5 m、寬 7.1 m、深 3 m，支護(hù)形式采用土釘墻支護(hù)，北側(cè)采用超前φ114 mm、壁厚3 mm的鋼管，間距500 mm，垂直放坡;其他側(cè)采用1∶0.5放坡，坡面上噴射100 mm厚C20混凝土，掛單層φ6.5@200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)。

3.2 微型鋼管樁設(shè)計(jì)

1)根據(jù)承載力計(jì)算，需要18根長8 m的微型鋼管樁，鉆孔φ300mm，內(nèi)插φ219mm、壁厚4.5mm 的鋼管，樁底要求進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖不少于4 m，每根樁承載力特征值為450 kN。

2)豎向每500 mm沿鋼管周邊均勻開3個(gè)φ30 mm的小孔，孔口下焊接100 mm長的φ20 mm短鋼筋。

3)鋼管內(nèi)、外灌注C30細(xì)石微膨脹混凝土。

4)鋼管頂部插4φ18鋼筋，每根長1 300 mm，下部插入鋼管600 mm，上部錨入承臺。

5)鋼管樁進(jìn)入承臺100 mm。

3.3 承臺設(shè)計(jì)

1)承臺設(shè)計(jì)為臺階式。

2)上承臺長4 500 mm、寬4 500 mm、高1 500 mm，包裹A4樁既有承臺，新舊承臺之間采用植筋連接。

3)下承臺長7 500 mm、寬4 500 mm、高1 000 mm，上托A4樁既有承臺。

4)為了讓新舊承臺共同協(xié)調(diào)作用，新舊混凝土界面均要求處理，將舊混凝土表面鑿毛，深度宜為10～20 mm，鑿毛后用水清洗干凈，在新加承臺混凝土澆搗前4 h內(nèi)刷界面處理劑。

微型鋼管樁、承臺設(shè)計(jì)詳見圖2。

圖2 微型鋼管樁、承臺設(shè)計(jì)圖(單位:mm)Fig.2 Design of micro steel pipe piles and pile cap(mm)

3.4 微型鋼管樁承載力驗(yàn)算

1)樁基類型按照摩擦樁考慮。

2)樁長要求進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖不少于4 m，樁長8 m。

3)〈5－1〉粉質(zhì)黏土、〈5－2〉粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖的極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值分別取40，65，165 kPa，強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖極限端承力標(biāo)準(zhǔn)值取1 800 kPa。

4)計(jì)算單根鋼管樁極限承載力。根據(jù)JGJ 1994—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》計(jì)算

式中:μ為樁身周長;qsik為樁周第i層土的極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值;qsp為樁底土的極限端承力標(biāo)準(zhǔn)值;li為樁穿越第i層土的厚度。

將各值代入式(1)，得:

5)鋼管樁單樁承載力特征值Ra=953kN/2=478kN。

6)鋼管樁群樁承載力計(jì)算:478×18=8 604 kN＞7 700 kN(上部結(jié)構(gòu)荷載和車輛荷載設(shè)計(jì)值)，滿足承載力要求。

3.5 鑿樁孔及通道設(shè)計(jì)

1)鑿樁孔采用人工挖孔，孔深14.9 m。

2)人工挖孔外徑2 400 mm、內(nèi)徑2 000 mm、護(hù)壁厚度200 mm。

3)通道采用暗挖法施工，采用直墻拱形斷面(寬2 500 mm、高2 500 mm、長3 670 mm)，單層襯砌，襯砌厚度250 mm，架設(shè)格柵鋼架，噴射C25混凝土。

4 樁基沉降計(jì)算

4.1 樁基沉降的主要因素

1)A4樁鑿除后，上部荷載轉(zhuǎn)移到微型鋼管樁上的沉降。

2)盾構(gòu)機(jī)從鋼管樁下掘進(jìn)通過時(shí)的地層沉降。

3)承臺基坑較淺和鑿樁人工挖孔孔徑較小，二者開挖引起的樁基沉降可以不計(jì)。

4.2 樁基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

1)樁基傾斜≤0.004，傾斜指基礎(chǔ)傾斜方向兩端點(diǎn)的沉降差與其距離比值，A4樁與相鄰樁基距離為25.4 m。

2)樁基沉降按照內(nèi)環(huán)路設(shè)計(jì)單位提出的沉降標(biāo)準(zhǔn)≤15 mm。

4.3 鋼管樁沉降計(jì)算

4.3.1 單樁的沉降計(jì)算

樁在荷載作用下主要有樁身壓縮沉降Sc、樁底沉渣的壓縮沉降Ss和樁底持力層壓縮沉降Sb，樁底持力層壓縮沉降近似用半無限彈性體公式計(jì)算，樁底沉降［10］計(jì)算公式為將式(3)—(5)代入式(2)，得:

式中:h，hs分別為樁長及樁底沉渣厚度，取8，0 m;p0為樁頂荷載，430 kN;A，A0分別為樁身截面積及樁底截面積，均為0.071 m2;d，D分別為樁徑及樁底直徑，均為0.3 m;Ec，Es，E0分別為樁身混凝土彈性模量、沉渣壓縮模量、樁底持力層變形模量，取30 000 MPa、不考慮、200MPa;ω為樁底形狀系數(shù)，圓形樁ω取0.79;v為樁底持力層泊松比，土層v為0.3～0.4，巖層 v為0.2～0.3;Qsk為單樁極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，826 kN。因樁底采用壓漿工藝，沉渣厚度考慮為0m。

單根樁基沉降S1=3.0mm。

4.3.2 群樁影響系數(shù)

群樁沉降主要是受樁距和樁側(cè)土層剪切應(yīng)力傳遞的綜合作用而引起的，群樁影響系數(shù)［8］

式中:a為樁間距;d為樁徑;n為樁根數(shù)。

將各值代入式(6)計(jì)算，得:

4.3.3 樁基的最終沉降S

4.4 盾構(gòu)隧道掘進(jìn)引起的地層沉降計(jì)算

盾構(gòu)隧道計(jì)算作為平面應(yīng)變問題來近似處理，考慮圍巖與結(jié)構(gòu)的共同作用、分步施工過程，采用平面有限元數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算范圍上取至地面，下取至隧底下10m處，橫向取至距洞室中線15 m，采用2D－σ程序進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算模型為Mohr-Coulomb法則。計(jì)算模型及位移網(wǎng)格圖分別見圖3和圖4。隧道地表沉降為1.08mm，樁端處的沉降為2.1mm。

4.5 鋼管樁基礎(chǔ)的總沉降

托換前期沉降量為5.79mm，盾構(gòu)掘進(jìn)樁端沉降量為2.1 mm，因此鋼管樁樁基礎(chǔ)總的沉降量為7.89 mm。

5 施工關(guān)鍵技術(shù)

5.1 鋼管樁施工工序及技術(shù)要求

1)基坑開挖到底后，準(zhǔn)確定位鋼管樁位置進(jìn)行鉆孔施工。

2)放置加工好的φ219鋼管，并在管內(nèi)放置混凝土下料管和樁底注漿管。

3)用清水清孔直到孔口流出清水，要求孔底沉渣厚度不大于50 mm。

4)灌注C30微膨脹細(xì)石混凝土，并在混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%時(shí)進(jìn)行樁底注漿，注漿壓力為2.0～3.0MPa，保證樁底與巖層以及鋼管側(cè)壁的有效接觸。

5)在細(xì)石混凝土初凝前插入豎向連接筋。

5.2 新舊承臺混凝土連接技術(shù)措施

1)為了讓新、舊承臺結(jié)構(gòu)共同協(xié)調(diào)作用，新舊混凝土界面均應(yīng)處理。

2)將舊混凝土表面鑿毛，深度宜為10～20 mm，承臺盡可能鑿成上大下小呈倒錐形狀，以增大新舊混凝土面的抗剪能力，然后再植筋。

3)鑿毛后用水清洗干凈，在新加混凝土澆搗前4h內(nèi)刷界面處理劑。

4)新承臺混凝土澆填時(shí)，特別是與舊承臺接觸面的混凝土振搗必須密實(shí)。

5.3 人工挖孔、鑿樁施工及技術(shù)措施

1)在承臺混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%后才能施工鑿樁人工挖孔。

2)人工挖孔挖到底后采用暗挖法施工橫通道。

3)開挖到A4樁基后再向下人工挖孔直至開挖到A4樁底。

4)從A4樁樁底開始鑿除樁基，并鑿除樁基鋼筋，直至鑿除到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

5)回填人工挖孔及橫通道。人工挖孔樁采用夯實(shí)土回填，上部用片石混凝土封堵固結(jié);回填土使用前應(yīng)分別取樣測定其最大干容重和最佳含水量并做壓實(shí)試驗(yàn)，確定填料含水量控制范圍、鋪土厚度和壓實(shí)遍數(shù)等參數(shù)?；靥钍┕r(shí)應(yīng)分層壓實(shí)，每層的分層厚度和壓實(shí)遍數(shù)應(yīng)滿足規(guī)范要求，壓實(shí)度≥90%。對于回填困難處，可采用水泥砂漿注漿壓密回填。

5.4 盾構(gòu)掘進(jìn)通過樁基時(shí)的施工措施

1)盾構(gòu)掘進(jìn)通過前，要進(jìn)行盾構(gòu)刀盤等設(shè)備維修，保證盾構(gòu)機(jī)良好的掘進(jìn)性能。

2)同步注漿必須飽滿，及時(shí)進(jìn)行二次注漿，防止地層沉降、失水。

3)控制好盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)、出土量等參數(shù)，盡可能確保土倉的壓力持續(xù)穩(wěn)定，以保證盾機(jī)機(jī)刀盤前的地層掌子面穩(wěn)定。

4)盾構(gòu)掘進(jìn)通過樁基時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對A4樁及相鄰樁基的沉降監(jiān)測頻率。

5.5 施工監(jiān)測

1)監(jiān)測項(xiàng)目。A4樁基及相鄰樁基的沉降、傾斜，橋面板裂縫觀測，地面沉降及裂縫，地下水位監(jiān)測等。

2)各施工階段橋面板結(jié)構(gòu)沉降控制要求和控制值。原A4樁未鑿樁前，施工鋼管樁及樁基礎(chǔ)承臺，人工挖孔樁、橫向通道施工，地下水位下降，樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩擦引起的沉降，橋面板結(jié)構(gòu)基本不產(chǎn)生沉降，沉降值不得大于5 mm;原A4鉆孔樁鑿樁后，由新設(shè)鋼管樁承受上部荷載，橋面板結(jié)構(gòu)基本不產(chǎn)生沉降，沉降值不得大于5mm;地鐵盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工階段，橋面板結(jié)構(gòu)基本不產(chǎn)生沉降，沉降值不得大于5 mm。

3)監(jiān)測結(jié)果。樁基托換施工完成和盾構(gòu)掘進(jìn)通過后的A4樁基的總沉降量為7.5 mm，相鄰A3，A5樁基沉降量較小，且與理論計(jì)算A4樁總的沉降量7.89 mm是接近的。

6 結(jié)論

樁基沉降理論計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果基本一致，滿足內(nèi)環(huán)路高架設(shè)計(jì)單位提出的沉降值不大于15 mm的要求，說明樁基沉降計(jì)算方法是正確的，內(nèi)環(huán)路高架A匝道A4樁采用微型鋼管樁群樁托換方案是合理的、可行的，對于類似環(huán)境條件下的工程具有借鑒意義。

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