在地鐵隧道上方進(jìn)行地面橋梁樁基托換的施工技術(shù)

摘要：簡(jiǎn)述了樁基托換技術(shù)的重要性，闡述樁基托換方法、托換梁施工步驟、托換梁縱向受力狀況、托換梁外形尺寸與應(yīng)力范圍、鋼管樁受力狀況等方面樁基托換技術(shù)。通過地鐵車站隧道施工與地面人行過街天橋樁基托換工程實(shí)例，驗(yàn)證了本文研究的樁基托換技術(shù)具有可靠性和可行性。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道；地面橋梁；樁基托換；施工技術(shù)

0 引言

地鐵施工過程中，受到土體本身壓縮性質(zhì)的影響，上方建筑物會(huì)發(fā)生一定的沉降。施工不當(dāng)造成荷載變化的不均勻，會(huì)導(dǎo)致地鐵隧道和線軌出現(xiàn)變形問題，很大程度上削弱了地鐵隧道結(jié)構(gòu)的整體性與耐久性，影響了地鐵軌道的正常運(yùn)行[1]。只有將土體正常的壓縮沉降荷載轉(zhuǎn)移到其他結(jié)構(gòu)上，才能避免上述問題，確保地鐵軌道的正常運(yùn)行[2-3]。

嚴(yán)格控制地面橋梁基礎(chǔ)變形以及由此帶來的地鐵隧道和線軌變形，是樁基托換的關(guān)鍵目標(biāo)。為了避免城市地鐵施工與現(xiàn)有地面橋梁的樁基發(fā)生沖突，可采用樁基托換技術(shù)轉(zhuǎn)移樁基荷載，從而確保橋梁的正常通行和地鐵工程的正常施工[4]。本文以轉(zhuǎn)移荷載為基本目的，對(duì)地鐵隧道施工中的地面橋梁鋼管樁樁基托換技術(shù)進(jìn)行研究。

1 樁基托換方法

在城市地鐵車站隧道工程施工過程中，會(huì)遇到地面橋梁等建筑物的樁基深入地鐵車站隧道掘進(jìn)面、或者在臨近建筑物基礎(chǔ)下面進(jìn)行隧道施工等情況。為了打通地鐵車站隧道，需要對(duì)位于地鐵車站隧道斷面內(nèi)的建筑物樁基、或者在臨近隧道頂部的建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行pmhveKGzyhkKlWK2oROEMQ==托換加固處理。建筑物樁基的托換加固可采用主動(dòng)托換或者被動(dòng)托換方法，也有側(cè)向保護(hù)式、底托式或者兩者互相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。常用的托換樁有鉆孔樁、人工挖孔樁、鋼管樁等。

2 托換梁施工步驟

地鐵車站隧道開挖段下穿原有建筑物樁基時(shí)，可采用被動(dòng)坑式基礎(chǔ)托換梁的施工技術(shù)，托換原有建筑物樁基（即被托換樁）。托換梁的主要施工步驟如下：首先，在地鐵車站隧道兩側(cè)各施工1根托換樁，其中垂線與被托換梁的中垂線保持一致，并在托換樁頂部施工帽梁，帽梁的頂部與設(shè)計(jì)托換梁的頂面高程保持一致。其次，在托換樁與被托換樁連線的下方斷面挖出澆筑托換梁的坑、槽和墩柱，在設(shè)計(jì)的托換梁與被托換樁的節(jié)點(diǎn)位置，將被托換樁鑿毛并植入鋼筋，然后綁扎托換梁鋼筋。最后，澆筑混凝土形成托換梁，澆筑混凝土之后的托換梁與被托換樁形成一個(gè)整體，通過托換樁承擔(dān)地鐵車站隧道開挖時(shí)橋梁樁基（被托換樁）的壓力[5]。

3 樁基托換關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 加固托換梁周邊土層

以開挖深度調(diào)整托換梁縱向荷載托換條件，在托換梁開挖深度范圍內(nèi)若無地下水的影響，可適當(dāng)降低托換梁的深度[6]。托換梁在地鐵車站隧道施工期間，無論是地鐵車站隧道還是地面建筑物的樁基均應(yīng)保證正常使用。為了確保托換梁的荷載轉(zhuǎn)移效果，灌注水泥砂漿加固托換梁周邊土層。

3.2 托換梁參數(shù)確定

3.2.1 托換梁縱向受力分析

混凝土托換梁的灌漿強(qiáng)度應(yīng)超過10MPa，以承擔(dān)地面建筑物樁基的荷載壓力。托換梁上凸區(qū)、下凹區(qū)須滿足其基底承壓條件，并在上凸區(qū)、下凹區(qū)設(shè)置間隔式墩柱，以達(dá)到最佳托換目的。托換梁橫向受力曲線如圖1所示。

3.2.2 外形尺寸的選擇

在橋梁樁基托換過程中，將地鐵車站隧道工程上部現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)的荷載轉(zhuǎn)移到托換梁上，并形成臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)[7]。不同應(yīng)力的托換梁，其外形尺寸會(huì)有所不同。要根據(jù)地面橋梁或其他建筑物樁基應(yīng)力情況，選擇合適外形尺寸的托換梁，在最大程度上避免地鐵線軌變形問題。

3.2.3 應(yīng)力范圍

地鐵車站隧道的上部橋梁荷載轉(zhuǎn)移到已經(jīng)完成施工的托換梁上，托換梁與地鐵車站隧道結(jié)構(gòu)的受力狀況完全分離，以臨時(shí)支撐的狀態(tài)完成荷載托換。托換梁的設(shè)置，可避免因鋼管樁獨(dú)自承擔(dān)較大荷載而出現(xiàn)變形問題。托換梁外形尺寸與應(yīng)力范圍如表1所示。

3.3 鋼管樁受力分析

托換梁代替地面橋梁樁基（被托換樁）承受壓力，將地面橋梁樁基荷載轉(zhuǎn)移到托換梁上，再通過托換梁轉(zhuǎn)移到鋼管樁等受力構(gòu)件上，避免地面橋梁樁基的失穩(wěn)和下沉，從而保證了地鐵車站隧道的正常施工。鋼管樁的受力狀態(tài)如圖2所示。圖2中，r為靜力荷載壓入半徑；σr為初始應(yīng)力；ry為鋼管樁的應(yīng)力范圍。

鋼管樁樁端與樁周土體根據(jù)靜力荷載而變化，荷載擴(kuò)張的情況下，鋼管樁承受的荷載會(huì)增加。荷載擴(kuò)張效應(yīng)引起的樁周土塑性變化情況可表示為：

（1）

式（1）中：rd為鋼管樁荷載壓入半徑；G為土體剪切模量；m為鋼管樁的荷載擴(kuò)張量；σ0為彈塑性邊界的徑向應(yīng)力。σ0表達(dá)式為：

（2）

式（2）中：p0為樁周塑性區(qū)內(nèi)平均有效主應(yīng)力；ηy為徑向應(yīng)力比。鋼管樁受到荷載壓力時(shí)，其對(duì)托換梁產(chǎn)生較大約束作用，很大程度上提升托換梁的承載強(qiáng)度[8]。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的樁基托換技術(shù)是否滿足地鐵施工需求，以某地鐵站為例進(jìn)行驗(yàn)證和分析。該地鐵站位于K4+809.705～K6+763.223施工段，在該施工段K5+624.328處的地面建有一座人行過街天橋。該過街天橋共4跨，其跨度的排列順序?yàn)?0.25m、15.75m、15.75m、10.25m。

該過街天橋主體由10個(gè)橋墩支撐，每個(gè)橋墩下方設(shè)有承臺(tái)，承臺(tái)尺寸為2.05m×1.80m×1.25m。承臺(tái)下方由鋼筋混凝土灌注樁支撐，灌注樁深入正在掘進(jìn)的地鐵車站隧道頂部以下2m左右。為此需要采用本文設(shè)計(jì)的樁基托換技術(shù)，對(duì)該過街天橋灌注樁進(jìn)行樁基托換施工，并截除深入地鐵車站隧道部位的灌注樁。

4.2 樁基托換方案

4.2.1 總體施工方案

根據(jù)該過街天橋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及其受力情況，采用本文所述樁基托換技術(shù)和大直徑鋼管樁加托換梁的托換結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，總體施工方案如下：在距離承臺(tái)2.0m的位置鉆孔，并設(shè)置直徑為1.5m的鋼板樁，在鋼板樁上設(shè)置鋼筋混凝土托換梁。該托換梁通過鋼筋綁扎、焊接和澆筑混凝土，與鋼板樁和橋墩承臺(tái)連接為一個(gè)整體。托換梁的尺寸與承臺(tái)完全一致。

4.2.2 具體托換方法

托換梁與橋墩承臺(tái)的具體連接方法如下：將承臺(tái)朝向鋼板樁一側(cè)的混凝土表面鑿毛并鉆孔，在孔中植入主筋，將該主筋與承臺(tái)主筋牢固焊接。在鋼板樁的樁頭支搭托換梁模板，將該模板與承臺(tái)等寬等高并與承臺(tái)連接。支搭底模后綁扎鋼筋，其主筋與鋼板樁和承臺(tái)主筋焊接牢固；上述施工完成后，澆筑托換梁混凝土。該人行過街天橋樁基托換方法如圖3所示。

4.3 監(jiān)測(cè)方法和效果分析

4.3.1 監(jiān)測(cè)方法

按照上述施工方案，對(duì)該人行過街天橋?qū)嵤┝藰痘袚Q施工。在施工過程中，對(duì)地鐵車站隧道變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本文以地鐵車站隧道施工的上行軌道1、2與下行軌道3、4，作為變形監(jiān)測(cè)軌道。

隨機(jī)選取出4#、7#、10#橋墩對(duì)應(yīng)的地鐵車站隧道施工段，測(cè)量該人行過街天橋?qū)嵤╀摴軜稑痘袚Q后的地鐵軌道變形情況。將實(shí)施樁基托換施工后的實(shí)際變形量，與規(guī)定的最大變形量進(jìn)行對(duì)比，實(shí)際變形量越低，則樁基托換效果越佳。

4.3.2 效果分析

實(shí)際變形量與規(guī)范規(guī)定的最大變形量對(duì)比如表2所示。表2中，4#橋墩位于地鐵施工的K4+856.723m段；7#橋墩位于地鐵施工的K5+369.526m段；10#橋墩位于地鐵施工的K6262.635m段。S表示豎向變形；H表示橫向變形。由表2可知，在該地鐵工程施工中使用本文設(shè)計(jì)的鋼管樁樁基托換技術(shù)之后，4#、7#、10#橋墩對(duì)應(yīng)線軌段的變形量均在最大變形量的范圍之內(nèi)，且4#橋墩上行線軌1的橫向變形、下行線軌4的豎向變形均為0mm；7#橋墩下行線軌4的橫向變形為0mm；10#橋墩上行線軌2的橫向變形為0mm。

由此可見，使用本文設(shè)計(jì)的樁基托換技術(shù)之后，地鐵軌道橫向、豎向變形量均較低，托換后的樁基可以承擔(dān)地鐵車站隧道上方的荷載，使地鐵軌道能夠正常通行，達(dá)到了本文研究目的。

5 結(jié)束語

綜上所述，在地鐵車站隧道施工中采用本文設(shè)計(jì)的鋼管樁樁基托換技術(shù)，通過鋼管樁、托換梁等方面的設(shè)計(jì)和施工，將樁基對(duì)地鐵車站隧道和線軌的荷載轉(zhuǎn)移到鋼管樁和托換梁上，最大限度地滿足了地鐵施工需求，保證了地面人行過街天橋的正常使用，同時(shí)保證了地鐵車站隧道和線軌的正常運(yùn)行，取得了預(yù)期的施工效果。

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