地铁施工中既有桩基托换技术

周志云,欧阳晶,李红鹏

(西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)

随着城市化的快速发展，受城市空间和环境的限制，为了缓解地面交通压力，越来越多的城市开始修建地铁。然而地铁隧道与普通的山岭隧道有所不同，除了更高的技术标准外，地铁还经常会穿越各种建筑物的基础。当基础为桩基础时，为了保证施工期间及地铁运营期间内建筑物的稳定及安全，需要对侵入隧道的桩基进行处理，而这种处理一般都是通过托换的方法来实现。桩基托换即利用新的加固、支撑体系改变等措施对基础进行处理，以达到建筑物在结构的受力平衡和建筑物的稳定等效果。本文通过理论计算和现场检测数据就成都地铁2#线西沿线中高压铁塔桩基托换进行介绍。

1 工程概况

成都地铁2#线二期工程位于成都市区，线路呈东西走向，是城市轨道交通主干线，本工程为土建1标，包括三个盾构区间隧道：盾构始发井～外语学校站、外语学校站～中间风井、中间风井～互助站，隧道起于盾构始发井，止于互助站西端。线路自西向东从盾构始发井出发，先后经过银河西路、新港路、银河东路、晨风路、金周路，最后到达互助站。本段工程地面环境的主要特点为：区间隧道位于城市道路下，下穿多处民房，侧穿、下穿候太东线高压铁塔。沿线地层以自稳性较差的砂、卵石为主，虽然对区间隧道结构影响较小，但在盾构施工过程中对地面沉降影响较为敏感。因此太东线高压铁塔1、2#桩基托换是始发井～外语学校站区间的一个控制工程，地面条件允许，可以进行地下托换，即进行地面桩基托换。

1.1 地质概况

成都地铁2#线二期工程位于川西平原岷江水系I、II级阶地上，为侵蚀～堆积地貌，地层以自稳性较差的砂、卵石为主。隧道采用盾构法施工，隧道顶埋深为10～25 m。高压铁塔所在地土层构成为素填土厚2 m、粉质粘土、粉土3 m、细砂土2 m、以下为卵石土。

1.2 水文地质条件

区间地下水主要是第四系孔隙水，主要赋存于各个时期沉积的卵石土及砂层中，土体透水性强、渗透系数大，地下水水量丰富，是本区段内地下水的主要存在形式。第四系孔隙水基本都赋存在全新统(Q4)的砂、卵石土中，两层砂卵石层含水极其丰富，形成一个整体含水层，为孔隙潜水。据勘察报告，卵石土综合含水层渗透系数K为15～24 m/d，本盾构区间水质类型以HCO3-―Ca2+型为主，经判定对混凝土及钢筋混凝土结构中的钢筋均无腐蚀性，但对钢结构有弱腐蚀性。

1.3 高压铁塔桩基概况

依据项目部提供的高压铁塔的基础调查资料以及基础与隧道的相互位置关系如图1，可以看到天河路太东线高压铁塔的1、2号桩基础均已经侵入了隧道内部，均为桩径φ1 000的人工挖孔桩，桩长16～20 m，需要进行桩基托换。

图1 隧道与桩基的关系示意

2 ANSYS有限元计算模拟

采用有限元软件ansys建模计算，其中桩和托换梁均采用三维弹性梁beam4单元，土体采用solid45单元，管片采用shell63单元。桩顶荷载520 kN,行人荷载5 kN(单桩)，所有材料服从D-P准则。材料参数按表1采用。

表1 材料参数

模型见图2，尺寸为66 m×37 m×60 m，托换桩与被托换桩与隧道关系见图3计算时通过控制单元的生死，来模拟盾构的推进过程以及管片的施加，最后经过统计工地实测的铁塔累计沉降和理论计算对比可以得到图4(从托换之日算起)。

图2 三维模型

图3 隧道与桩基的关系

图4 铁塔的理论沉降和实际沉降曲线

可以得到的结论：实际沉降与理论计算吻合较好，理论最大沉降为18.625 mm，实际最大沉降18.545 mm，沉降主要发生在盾构机通过铁塔下方这一段时间内，在托换后1个月基本能够完成沉降。

3 桩基托换实际施工

考虑到场地的情况及地基的特点，截断的被托换只能在被托换的桩旁边采用人工挖孔桩施工。经过计算表明，采用普通钢筋混凝土大梁(400 mm×600 mm)和φ1 200 mm的人工挖孔桩组成新的受力体系，并且采用预顶措施达到消除托换桩沉降引起的高压电塔的沉降和倾斜，从而达到主动托换的目的。

3.1 施工步骤

第一步：加固地层，开挖基坑到设计标高(比托换桩设计标高低500 mm)。

第二步：托换桩施工，采用人工挖孔桩。在灌注混凝土至基坑底面标高时，在桩顶预埋钢板。

第三步：浇筑水平大梁，待桩和梁均达到了设计强度后，在桩顶用千斤顶顶紧大梁。千斤顶所施加的力按支座反力标准值考虑。采用10级分级加载。大梁的主要挠曲和托换桩的主要沉降都在此阶段完成。加力过程中加强铁塔的监控，在被托换桩上抬量超过1.2 mm时，停止加力并用钢管垫块加塞楔块顶紧并与钢板焊接后置换千斤顶。

第四步：浇筑梁桩结合部位的混凝土，采用C35微膨胀混凝土，在浇筑前应先凿毛梁桩表面，并把桩和梁预留钢筋焊接牢固，回填基坑，恢复地面。

第五步：待盾构机到达桩基处，凿除侵入隧道内的被托换桩基。

3.2 托换期间施工监测

(1)桩基托换和盾构施工期间，必须对电塔进行沉降和倾斜观测，并且制定专门的监测措施。

(2)在桩基托换施工期间，监测梁的挠度和柱的竖向位移的测点应当布置在梁的两端和梁桩交界处。

(3)在托换桩加载时应当采用分级加载方式，每级荷载增量为千斤顶荷载加载上限的10 %，最大不得超过15 %，不能一次加到设计值，每级加载后保持20 min以上。被托换桩上抬量不得超过1 mm，大于这个值应该停止加载。托换梁的开裂不得大于0.18 mm，当大于这个值时需停止加载。

(4)对高压铁塔的监测应该在纵横两个轴线上进行，铁塔的整体倾斜不得超过0.003，所用的全站仪精度要求高于0.1 mm。

(5)在托换完成后，人需要监测两星期，监测数据要及时反馈。在盾构机到达铁塔前方30 m和盾尾过铁塔30 m的时间段内需要对铁塔倾斜沉降和地表沉降进行监测，并且及时把结构反馈给项目部。监测频率为每天两次，如有需要可以根据具体情况调整。盾构机通过是要保证轴线上沉降不得超过20 mm。

(6)严格按照规范要求施工，保证工程质量及安全，维护环境。

4 结论

(1)根据工程现场的特点，制定切实可行的施工方案是隧道施工能否进行的关键。

(2)托换期间和盾构通过时，监控量测非常重要，及时的反馈监测信息，是工程安全以及工程质量的保证。

(3)理论计算和现场监测数据比较吻合，说明施工过程是合理的，能够保证工程的安全。

(4)托换会引起新桩附近应力的剧烈变化，特别是桩地下3～5倍桩径范围内的土体竖向应力(人工挖孔桩)，因此，在托换前可以根据被托换桩承受的荷载对地层进行注浆加固，以避免造成土体的冲切破坏。

(5)铁塔的整体沉降主要发生在盾构通过后，并且在盾构通过的过程中沉降量变化最大，因此，监测是必要的。

[1] GB 50157-2003地铁设计规范[S]

[2] 张原，黄小许.广州地铁一号线楼房桩基托换工程施工[J].地基基础工程，1998,(9)：2,7-9

[3] 秦质朴，吕刚，蒋小锐.北京地铁4号线长河白石桥桩基主动托换技术[J].铁道标准设计，2009,(10)：97-99

[4] 谷伟平，李国雄.广州地铁一号线基础托换工程理论分析与设计[J].岩土工程学报，2000,22(1)：95-10

[5] 叶书麟.基础托换技术[M].北京：中国铁道出版社，1991