地鐵隧道施工中樁基托換技術(shù)研究

周大要

（中鐵北京工程局集團第五工程有限公司，北京 100000）

0 引言

樁基托換是一種常見的地基處理方法，即在既有建筑物基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)的情況下，將樁基礎(chǔ)與承臺通過植筋連接在一起，將既有建筑物的荷載轉(zhuǎn)移到承臺上，再通過承臺將荷載轉(zhuǎn)移到托換樁上。樁基托換經(jīng)常出現(xiàn)在地鐵隧道工程中，目前，大部分地鐵工程施工環(huán)境比較復(fù)雜，往往需要穿越建筑物，即在既有建筑物下方完成地鐵隧道建設(shè)，因此需要采用樁基托換技術(shù)，減少地鐵隧道施工對既有建筑物的影響。樁基托換是一項歷時長、成本高的綜合性復(fù)雜工程，具有較高的技術(shù)難度。近幾年，樁基托換受到研究領(lǐng)域的高度重視與關(guān)注，但是多數(shù)研究集中在樁基托換施工管理與安全控制等方面，技術(shù)方面的研究則比較少，目前尚處于初步探索階段。現(xiàn)行技術(shù)存在較大的優(yōu)化空間，在實際工程中存在既有建筑物沉降變形比較嚴(yán)重、墻體裂縫問題突出等情況，無法保證樁基托換質(zhì)量。由此可見，開展地鐵隧道施工中樁基托換技術(shù)研究具有很大的現(xiàn)實意義。

1 地鐵隧道施工中樁基托換技術(shù)

1.1 托換基礎(chǔ)開挖

考慮到地鐵隧道施工中樁基托換是在地下空間內(nèi)完成，工程規(guī)模比較大，需要具有充足的托換空間，因此在樁基托換之前，應(yīng)在施工區(qū)域內(nèi)開挖一個樁基托換作業(yè)區(qū)，托換基礎(chǔ)挖深在5～8m 之間，基坑長度在28.5～32.5m 之間，基坑寬度在15～22m 之間，具體數(shù)值可以根據(jù)工程實際情況確定。采用分層開挖方式，每層挖深控制在1.5～2.5m 之間，首層采用人工方式開挖，待挖掘機能夠進場后，采用機械開挖方式[1]。使用運輸車輛將挖出的土渣運輸?shù)街付ǖ攸c，并且在開挖過程中要將放坡比例控制為1∶1[2]。為了防止托換基坑涌水，在挖至第二層時，在基坑周圍設(shè)置2～3 條截水溝和排水溝，在溝內(nèi)放置水泵，使用水泵及時將基坑內(nèi)的地表水抽出，以防止托換基礎(chǔ)受到地表水影響[3]。如果施工區(qū)域土層比較松散，為了保證后續(xù)樁基托換安全，應(yīng)在施工區(qū)域設(shè)置圍護樁，圍護樁直徑在0.55～1.15m 之間，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，以起到基坑支護的作用。在挖取的托換基礎(chǔ)四周布設(shè)測點，用于測量樁基托換過程中既有建筑物的沉降、傾斜以及裂縫等信息數(shù)據(jù)，測點間距在5.45～6.45m 之間。

1.2 托換樁及承臺施工

在挖取的托換基礎(chǔ)內(nèi)開展托換樁施工，托換樁直徑、間距等參數(shù)的設(shè)計對樁基托換施工質(zhì)量具有重要影響，澆筑形成的托換樁需要承載既有建筑物基礎(chǔ)底面平均壓力，既有建筑物基礎(chǔ)底面平均壓力計算公式為：

式（1）中：H表示既有建筑物基礎(chǔ)底面平均壓力值；F表示既有建筑物基礎(chǔ)重量；U表示既有建筑物地上結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的垂直應(yīng)力；S表示隧道地鐵橋梁穿越既有建筑物面積[4]。利用上述公式（1）計算得到的既有建筑物基礎(chǔ)底面平均壓力值，與托換樁承載力進行比較，托換樁承載力計算公式為：

式（2）中：P表示托換樁承載力；W表示單樁總級側(cè)摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值；X表示單樁總級側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；u表示托換樁身截面周長；q表示托換樁周第k層土的極限側(cè)摩阻力；f表示托換樁周第k層土的厚度；α表示托換樁端阻力修正系數(shù)，通常情況下，該系數(shù)取值范圍為0.45～0.95；p表示托換樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；x表示托換樁端全截面面積[5]。根據(jù)該條件對托換樁承載性能進行驗算，需要符合以下條件：

設(shè)計的托換樁需要滿足公式（3），據(jù)此不斷調(diào)整和優(yōu)化托換樁直徑和橫截面積等參數(shù)[6]。確定托換樁參數(shù)后，即可開展托換樁施工，使用沖擊鉆機在樁位上鉆孔，要求鉆桿與地面垂直，誤差控制在1%以內(nèi)，在鉆進過程中通過提升鉆桿調(diào)整鉆進方向，修正鉆孔誤差。采用分節(jié)鉆進的方式進行鉆孔作業(yè)，鉆孔與注漿同步進行。按照水泥∶粗骨料∶細骨料∶添加劑=3∶3∶3∶1 的比例制備水泥砂漿，水泥砂漿的水灰比為53%，在鉆孔過程中將事先制備好的水泥砂漿澆筑到鉆孔內(nèi)，每鉆進1.55m，將托換樁鋼筋深入承臺內(nèi)部，鋼筋植入深度不能低于1.25m，使托換樁與承臺連接[7]。在每一根托換樁端埋設(shè)一個或者兩個鋼筋計，用于計量后續(xù)在植筋和樁基托換受力體系轉(zhuǎn)換過程中的樁基內(nèi)力變化情況。

在托換樁頂部開展承臺施工，施工之前，將托換樁表面的浮漿和浮渣清理干凈，如果多余的漿液已經(jīng)凝固，需要將其鑿除[8]。承臺的寬度要比托換樁直徑大2～3 倍，承臺高度計算公式為：

式（4）中：g表示承臺高度；b1表示預(yù)頂承臺距離；b2表示預(yù)頂空間[9]。利用該式對承臺高度進行設(shè)計，采用磚砌外模的方式開展承臺施工，在施工期間要求托換樁在承臺內(nèi)4.55～5.55m 處，每個承臺需要預(yù)埋兩塊規(guī)格為1.5×0.2×0.95m 的鋼板，并且預(yù)留10～15 個出氣孔，以此保證承臺混凝土澆筑的密實度。

1.3 既有樁基界面處理及植筋

托換樁與承臺施工完成后，對既有樁基界面進行處理，并對其進行植筋。在既有樁基的表面進行放樣劃線，確定界面鑿毛的位置，將既有樁基界面鑿出深度為15mm 左右的毛面，目的是保證后期既有樁基與承臺的有效黏結(jié)。用清水將毛面表面的灰塵去除，待表面干燥后在其上涂抹一層環(huán)氧樹脂乳液水泥漿，待環(huán)氧樹脂乳液水泥漿凝固后，開展承臺混凝土澆筑施工，使既有建筑與承臺有效連接在一起[10]。在此基礎(chǔ)上，對既有樁基進行植筋，植筋的目的是加固既有樁基，利用鉆機在既有樁基上鉆孔，鉆孔最大直徑為35mm，鉆孔直徑要比待植入鋼筋直徑大5.5mm，鉆孔間距控制在35～55mm 之間。鉆孔完成后，在孔內(nèi)注入水泥砂漿，并植入鋼筋，為了保證植入的鋼筋與水泥砂漿有效結(jié)合在一起，在植筋前需要將鋼筋表面的銹漬清除，當(dāng)鋼筋達到植入深度后，在鉆孔首端注入錨固膠，將鋼筋固定。

1.4 托換受力體系轉(zhuǎn)換

使用專用測量設(shè)備測量所有澆筑混凝土的抗壓強度，當(dāng)達到設(shè)計強度后開展托換受力體系轉(zhuǎn)換作業(yè)。在托換樁端周圍布置500t 千斤頂，并將托換樁頂部和承臺底部對準(zhǔn)千斤頂，為了保證托換受力體系轉(zhuǎn)換順利進行，在千斤頂安裝前需要對其進行調(diào)試，確保千斤頂可以正常使用。在承臺與托換樁之間施加頂力，開展托換受力體系預(yù)頂，預(yù)頂荷載進行分級加載，將托換受力體系預(yù)頂荷載加載分為十個層級，具體如表1 所示。

表1 體系轉(zhuǎn)換加載每層級荷載增量（%）

當(dāng)每層級預(yù)頂荷載加載到上限數(shù)值時，停止加載，停留10～15min，待承臺與托換樁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后再進行下一層級預(yù)頂荷載加載。在預(yù)頂過程中要對既有建筑物沉降變形情況進行監(jiān)測，如果出現(xiàn)既有建筑物沉降變形嚴(yán)重的情況，需要立即調(diào)整預(yù)頂荷載加載參數(shù)。當(dāng)托換樁達到穩(wěn)定狀態(tài)后，將預(yù)頂千斤頂拆卸，使用楔形鋼板將托換樁的鋼管墊塊打緊鎖定，并將托換柱與承臺使用鋼筋加以錨固，澆筑樁芯混凝土，以此完成托換受力體系轉(zhuǎn)換，進而完成地鐵隧道施工中樁基托換。

2 實例分析

2.1 工程概況

以某隧道建設(shè)工程為研究背景，該隧道所在位置為市中心，隧道周邊建筑物比較多，需要明挖隧道正穿建筑物，穿越寬度約為21.03m。建筑物為一棟8 層框架結(jié)構(gòu)的商業(yè)建筑，在隧道明挖施工過程中需要對該建筑物75%的樁基礎(chǔ)進行托換。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查報告顯示，施工區(qū)域地質(zhì)環(huán)境比較復(fù)雜，從地表到深度為33.81m 的地層分為雜項回填層、砂質(zhì)黏土層、粉質(zhì)黏土層、卵石土層以及輕微風(fēng)化巖層，土層厚度分別為5.16m、6.35m、8.47m、7.48m、6.35m。由于地質(zhì)屬于軟土性質(zhì)，樁基托換施工難度較大，既有建筑物容易發(fā)生沉降變形。

2.2 托換結(jié)果與討論

結(jié)合該隧道建設(shè)工程實際情況，采用本文設(shè)計的技術(shù)開展樁基托換施工。承臺尺寸為22.45×8.45×2.45m，托換樁尺寸為15.35×3.26×4.56m，按照上述流程進行托換基礎(chǔ)開挖、托換樁及承臺施工、既有樁基界面處理及植筋、托換受力體系轉(zhuǎn)換等一系列操作?？紤]到建筑物樁基沉降變形是地鐵隧道施工中樁基托換的重要控制對象，樁基沉降量越大，表示在施工中建筑物的穩(wěn)定性和安全性越低，因此以建筑物樁基沉降變形作為該工程樁基托換施工質(zhì)量的評價指標(biāo)。隨機選擇10 根樁基，使用AIYUF-A8T8 測量儀對樁基施工前高程、施工后高程進行測量，使用電子表格對樁基橫向沉降變形與縱向沉降變形進行記錄，具體數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 建筑物樁基沉降量測量結(jié)果 單位：mm

建筑物樁基的橫向沉降變形與縱向沉降變形可以反映出建筑物的傾斜度，沉降變形量越大，建筑物傾斜度越大。如表2 所示，相關(guān)規(guī)范規(guī)定地鐵隧道施工中樁基托換后建筑物樁基橫向沉降變形不能超過10.55mm，縱向沉降變形最大允許限值為13.55mm。該工程施工后建筑物樁基橫向沉降最大僅為0.02mm，縱向沉降變形最大僅為0.05mm，均在規(guī)定范圍內(nèi)，符合相關(guān)規(guī)定要求，說明該工程樁基托換后建筑物沒有發(fā)生較大的傾斜，具有良好的穩(wěn)定性。為了進一步檢驗該工程樁基托換施工質(zhì)量，對托換施工后建筑物裂縫情況進行測量，測量項目包括最大裂縫長度、最大裂縫寬度以及最大裂縫深度。隨機選擇8個墻體，將其作為測量對象，使用IYF-77F 激光測量儀對裂縫長度、裂縫寬度以及裂縫深度進行測量，具體測量結(jié)果如表3 所示。

表3 建筑物墻體裂縫測量結(jié)果 單位：mm

相關(guān)規(guī)范要求，地鐵隧道施工中樁基托換施工后建筑物墻體最大裂縫長度不能超過30.55mm，最大裂縫寬度不能超過10.55mm，最大裂縫深度不能超過5.45mm。如表2 所示，該工程樁基托換施工后建筑物墻體最大裂縫寬度僅為1.21mm，最大裂縫長度僅為14.36mm，最大裂縫深度僅為3.14mm，均在規(guī)定范圍內(nèi)，符合相關(guān)規(guī)范要求，說明該次應(yīng)用的樁基托換技術(shù)具有良好的托換效果，可以有效保證既有建筑物的穩(wěn)定性和安全性，設(shè)計技術(shù)適用于地鐵隧道施工中樁基托換施工。

3 結(jié)語

樁基托換作為地鐵隧道施工中的一個重要施工技術(shù)，是保證既有建筑物安全性與穩(wěn)定性的重要手段。此次針對樁基托換技術(shù)存在的不足與缺陷，參考相關(guān)文獻資料，對地鐵隧道施工中樁基托換技術(shù)進行研究，有效降低既有建筑物樁基沉降量，提高既有建筑物的安全性與穩(wěn)定性。此次研究為地鐵隧道施工中樁基托換施工提供了技術(shù)支撐，提高了樁基托換技術(shù)水平，實現(xiàn)對現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)化與創(chuàng)新，具有一定的實踐價值。地鐵隧道建設(shè)行業(yè)在不斷發(fā)展，今后還需要在該方面展開深層次探究，以促進基建行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。