基础托换技术在地铁建设中的应用

2010-07-05丁赛华叶建忠

城市轨道交通研究 2010年7期

丁赛华叶建忠

(浙江省交通规划设计研究院,310006,杭州∥第一作者,教授级高级工程师)

地铁通常在城市密集区内敷设。早期的城市规划没有考虑地铁线网的布局,导致地铁施工下穿既有密集的建(构)筑物时有发生。如何处理好既有建筑物和地铁隧道的空间位置关系以及工程安全,成为工程实施的难点。特别是当隧道设计线路横穿既有建筑物下部桩基础时,必须对桩基采取托换,以保证既有建筑物和新建地铁隧道的安全。

1 托换技术简介

桩基托换即为“偷梁换柱“,就是在已经建成的建筑物中,重新施筑托换大梁,把既有柱与托换大梁连接起来,使上部已经存在的荷载转换到托换大梁,再通过托换大梁传递到新施筑的托换桩,从而用托换结构代替被托换桩以承受上部建筑的荷载。其目的就是要在基本维持上部结构受力变形不变、保证托换建筑物使用安全的前提下,将需托换的既有桩基承受的上部荷载有效地转移到新施筑的托换结构上。

桩基托换的关键在于荷载转换,效果体现在变形的有效控制。二者构成了桩基托换的核心。桩基托换设计与实施正是围绕此核心问题展开的。根据托换原理的不同,桩基托换分为主动托换与被动托换两种形式。

主动托换是当托换建筑物托换荷载大、变形控制要求严格,需要通过主动的变形调节来保证变形要求。即在托换桩切除之前对新桩和托换结构施加荷载,使需要托换的柱在上顶力的作用下,随托换大梁一起上升,从而克服由于托换大梁刚度不足可能产生的上部建筑物较大的沉降;同时也通过预加载消除部分新桩和托换结构的变形,使托换桩和结构的变形可以控制在较小的范围。因此,主动托换方式对变形的控制具有主动性。较有代表性的此类工程有深圳地铁一期工程区间隧道穿越百货广场工程[1]。该工程托换11根桩,最大轴力为15 734 kN,桩基托换工程施工难度大,作业时间长,是目前世界上托换楼层最高、单桩托换荷载最大的托换工程。该工程极其复杂,具有较强代表性。

被动托换是托换建筑物托换荷载小、变形控制要求不甚严格,依靠托换结构自身的截面刚度,可以在结构完成后即将托换桩切除,直接将上部荷载通过托换梁(板)传递到新桩,而不采取其它调节变形的措施。托换后既有建筑物及托换结构的变形不能再进行调节,上部建筑物的沉降由托换结构承受变形的能力控制,变形控制为被动适应。由于对变形无法有效控制,该托换方式在地铁工程中应用较少。

2 工程实例

2.1 工程概况

深圳地铁某区间隧道穿越1栋5层框架结构厂房。厂房采用柱下独立承台桩基础。区间采用双洞双线矿山法施工,平曲线半径400 m,线间距15.8 m。隧道与建筑物的平面关系如图1所示。该厂房需要托换的柱下独立承台共18个,每个承台下为6～9根预应力管桩,需托换的桩数量较多。图2为需托换的承台平面布置情况。

图1 区间下穿建筑物平面图

图2 需托换承台平面布置图

大楼经过十余年的使用,工后沉降已基本完成。由于仅对大楼部分范围实施桩基托换,托换部分的二次变形必须严格控制在一定范围内,以保证该厂房整体性能不受影响。根据主动托换主动控制变形的优势,对本区间下穿厂房采取预应力主次梁的主动托换方式。

2.2 地质情况

区间托换范围内上覆第四系人工堆积层、坡积层、残积层,下伏基岩包括侏罗系中统角岩、砂岩,加里东期混合花岗岩等。主要地层概述如下:

(1)素填土,杂色,成分以碎石为主,棱角状,直径3～15 cm 不等,体积分数为60%左右,稍湿,稍密,层厚约1.5 m。

(2)素填土,褐黄、褐红色,可塑,成分以含砾粉质黏土为主,层厚约1 m。

(3)淤泥质粉质黏土,褐、灰褐色,可塑,含少量有机质及砂粒,砂粒的体积分数约5%～10%,层厚约1.5 m。

(4)粉土,浅黄、褐黄色,饱和,中密,土质均匀,层厚约2 m。

(5)碎石土,褐黄色,主要成分为中、微风化的砂岩,呈棱角状,2～7 cm不等,体积分数约30%,层厚约1 m。

(6)粉质黏土,青灰、褐灰、少量呈褐黄色,可塑,原岩结构可辨析,由下伏角岩风化残积而成,层厚约7 m。

(7)中风化角岩,灰、灰黑色,晶体结构,块状构造,矿物成分以长英质为主,黑云母、方解石次之,岩体破碎,岩芯呈碎块状,裂面有浸染,层厚约8 m。

(8)微风化角岩,灰、灰黑色,晶体结构,块状构造,岩质较破碎,以短柱状及块状为主,顶面埋深约21 m。

2.3 托换方案

2.3.1 设计主要原则及要求

根据国内主要城市桩基托换施工经验并考虑本工程的具体情况,本桩基托换工程需遵循以下几个基本原则及要求:

(1)基础托换后,托换结构体系使用年限不少于被托换建筑物剩余使用年限,新托换结构体系的承载力必须具备足够的保证和储备。

(2)桩基托换完成后,必须保证建筑物原有功能,不得改变首层的结构和平面布置,维持原室内净空。

(3)根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2002)[2]对建筑物地基变形允许值的规定,托换体系引起的相邻柱基沉降差必须严格控制在允许附加变形范围以内。

(4)托换施工过程中,必须采取有效措施可靠地将荷载由被托换桩转换到托换桩上。

(5)桩基托换完成后,应保证区间隧道的施工安全;桩基本身应考虑由于矿山法区间施工降水对新桩产生的负摩阻力等不利影响。

2.3.2 托换主要步骤

托换工程由托换结构施工及荷载传递过程实施两部分组成。主要施工步骤如图3所示。

图3 托换主要步骤

2.3.3 托换桩设计

由于桩基施工必须在厂房内进行,而室内净空无法满足钻孔灌注桩及静压桩等的施工要求,故根据场地地质情况,本托换工程采用直径1 500 mm的人工挖孔桩作为托换新桩。为减小托换桩后续沉降带来的不利影响,托换桩按端承桩设计,桩端进入中风化层不少于2 m,且其深度需超过隧道底4.0 m以下。托换体系如图4所示。

使用PKPM结构计算软件,由厂房基本组合荷载工况得出柱底反力。使用SAP84结构通用计算软件建立计算模型,以柱底反力作为托换梁荷载输入,以托换桩为支座,计算支座反力,作为各人工挖孔桩的承载力设计值。图5为计算模型示意。

基桩承载力设计值满足下列两式:

式中:

R——基桩承载力设计值;

N——基本组合下计算所得支座反力;

Quk——基桩竖向极限承载力;

γsp——综合抗力分项系数。

根据建筑物原设计文件中给出的单根预应力管桩承载力设计值,确定本托换工程共设托换桩23根,单桩承载力设计值为6 000～8 000 kN。

图4 托换体系横剖面图

图5 计算模型示意图

2.3.4 建筑物变形的有效控制

托换结构体系中,柱底内力视为作用荷载,托换桩基视为支承;托换梁承受上部结构传来的荷载并将这些荷载传递给下部托换桩基,在力学上起到承上启下的作用。由于既有结构物经历了十余年的使用过程,变形与受力已达到一种弹塑性平衡状态,基础托换过程势必引起上部结构的内力重分布。一方面,托换梁变形取决于被托换柱的内力;另一方面,被托换柱的内力又与托换梁的变形有关。两者互相牵制,协同工作。

控制建筑物变形是桩基托换工程中最为关键的问题之一。首先,结构物对托换引起的变形非常敏感,且托换结构体系大部分变形是在上部结构与下部桩基逐步分离过程中完成的,故托换工程对控制不均匀变形的要求比新建工程更高[4]。此外,由于存在一栋楼房部分桩基被托换、其余部分未被托换的情况,应避免托换区与非托换区的结构产生过大的相对沉降变形。这对托换区结构体系的后续沉降提出了较高要求。

根据现行有关规范,参考国内外托换工程有关资料,结合本工程实际情况,该工程的建筑物沉降变形按表1要求控制。