地下空间工程中结构托换设计与关键技术研究

潘阳之 浙江华展工程研究设计院有限公司

地下空间工程在当前城市的发展中占据着重要的地位，合理、高效地开发城市地下空间资源，对扩大城市总体面积、提高城市综合防灾能力、缓解城市交通压力有重要作用，如地铁、地下商场等，其中最重要的就是地铁工程。随着城市的发展，地铁线路相比于原有的规划增多，导致穿过原有的建筑，破坏建筑基础结构，减弱建筑的承载力。对此，应用基础结构托换技术可有效解决[1]。

1 结构托换设计研究的背景、目的及意义

在我国城市逐渐步入现代化和大型化的过程中，城市交通出行也越来越成为人们关注的问题。地铁已经成为一个城市交通运行的血脉。

当前中国已经进入地铁发展的高速时代，地铁所带来的交通便利性为人们提供了一种新的出行方式，节省了更多浪费在交通上的时间。但大部分城市的地铁规划与城市早期发展设计有冲突，新的地铁线路通常需要穿过既有的地表建筑物，对建筑物的基础造成破坏。除此之外，地下施工还会造成土体位移，影响周围建筑物的安全，如何避免对建筑物造成影响是地下工程实施需要考虑的重要问题[2]。

为了保证既有建筑物的安全，结构托换设计是首要方式。结构托换工程的最终目的是将建筑物从原有基础上转移到后建立的托换结构上，确保建筑物在施工期间可以正常使用[3]。目前，我国地下工程的建设越来越多，但一些技术难度较大的特殊工程缺少借鉴案例，因此需要对托换结构设计和其中的关键技术进行研究。

2 基础结构托换的研究现状

基础结构托换技术的起源是英国的Winchester 教堂，当时是为了解决下沉问题，使用混凝土将基础进行托换，但直到20 世纪30 年代，托换技术才得以发展。基础托换技术在国外发展年限较久，经验较为丰富，其主要的托换形式有预试桩托换、压入桩托换、灌注桩托换、树根桩托换、地下连续墙托换以及斜向钻孔桩托换等，技术种类较多，应用较为成熟[4]。

我国的基础托换工程起步较晚，但随着城市化的飞速发展和旧城改造项目的推进，托换技术的数量和规模都取得了长足进步，并出现了具有一定区域特点的托换方法，如基础加压纠偏托换、锚杆静压桩托换以及基础加强刚度法托换等[5]。总而言之，国外基础结构托换技术的理论研究已经比较深入，在实际应用方面也十分成熟，而我国基础结构托换技术还存在许多不足，无论是大型的基础托换工程还是托换技术形式都不够丰富，对托换技术的研究造成了阻碍。

3 结构托换的定义及分类

3.1 结构托换的定义

通常来讲，结构托换是指在地下建筑的建设过程中，为了解决对地表原有建筑物的威胁，为地表建筑物进行地基加固或基础构件替换。运用托换技术的工程被统称为托换工程，主要包括地下建设要穿过的建筑物以及会受到影响的临近建筑物[6]。

3.2 按托换原理分类

按照托换原理进行分类，结构托换的类型主要包括补救性托换、预防性托换以及维持性托换。其中，补救性托换是由于既有建筑物的基础无法对建筑物进行有效承载，不满足地基的变形和承载要求，在这种情况下，需要将原有的基础加深，直至地基具有较好的承载力。另外，当地下软土层过厚或施工时遇到地下水时，会导致基础加深的工作出现困难，可以采用扩大原本基础面积的方式，以提高基础的承载力[7]。

预防性托换是为了避免临近的新建筑物对原有建筑物产生影响而采用的托换方式，如周围有隧道或深基坑建设等。这种托换方式需要将原有建筑物的基础加深，所应用的托换方式包括桩基托换、地基土灌浆托换等。维持性托换是指在新建建筑物的基础上设置可顶升的设施，以避免之后出现地基沉降。

3.3 按托换方法分类

按照托换方法分类可以将托换分为基础扩大托换、坑式托换、桩基托换、加强刚度托换以及基础减压托换，另外还有树根桩托换、灌浆托换、纠偏托换、顿时托换以及振冲法托换等。其中，桩基托换通常用于质量加大的建筑，这种情况下基础所承受的荷载较大，应用桩基托换可以有效避免托换梁过大的变形。

3.4 按托换荷载转移方式分类

按照荷载转移方式进行分类可以将托换分为主动托换和被动托换。其中，主动托换对托换整体工作具有较强的控制性，是建筑物基础承受荷载较大时所采用的托换方式，可以主动调节变形，来满足托换建筑物对变形的严格要求。需要在托换新桩和托换梁之间布置千斤顶等设备，利用千斤顶上抬托换大梁，这一过程可以有效避免因新托换结构的强度不足致使建筑物结构沉降，还可以避免新装部分产生沉降和变形[8]。

被动托换是在基础荷载较小时所应用的托换方式，这种托换方式对变形的控制不严格，是在原有桩基卸载过程中，上部结构荷载随着桩基的卸载，将载荷转移到新桩基上，完成托换后能够直接拆除原基础。但这种托换方式无法对结构变形进行控制，容易导致建筑物开裂。因此，大多数托换工程都选择主动托换的方式。

4 托换前准备工作

4.1 被托换建筑物调查

为了保证托换工作的顺利进行，要做好托换前准备工作，详细了解被托换建筑物的具体情况。调查托换建筑物的具体情况，包括查阅原有的地质勘察报告，以确定托换现场的地质条件，摸清基础下方岩层情况、地下水情况以及变化等，为托换方案的初期制定提供依据。

4.2 施工前卸载

在施工前需要挖除原桩基旁的土体，减小原有桩基的承载力，规避桩基去除后带来的不利影响。这种情况下，可以凿除上部建筑物的部分填充墙，以减小对下方基础的压力，待托换完成后再重新建造。

4.3 基坑支护

基坑支护是顺利开展托换工作的保证，在实际工作中，基坑支护一般有以下两种方案。一种是在原建筑外围进行排桩支护，这种支护方式是将结构柱作为支柱，利用新建的梁板作为支撑。另一种则是采用放坡开挖的形式，当需要施工的基础范围较大时，先对地下夹层部分进行施工，为了提高安全性，节省支护费用，可应用外围放坡的方案[9]。

4.4 降排水与止水

在地下水比较丰富的地区，基础的下层土层有较厚的细砂层，这会降低桩基的承载力，使建筑物发生沉降，所以要设定好降排水与止水方案。

一般情况下，排水不通畅会造成流砂的情况，且当地下水水位较浅时，开挖场地也容易出现流砂的问题。土层中的水除了地下水外，还有地表雨水的渗入以及岩石裂隙水，当土层水分较大时需要进行降排水作业。降排水施工包括基坑内降排水以及基础上部外围截水，前者可以有效防止流砂，后者可以有效防止地表水渗入。

4.5 托换桩型选择

桩基托换常见的桩型有压入桩、灌注桩以及打入桩等。其中，压入桩和灌注桩是最常用的托换桩型，压入桩具有承载力高、施工时无振动、对原有结构影响较小、施工简单的特点，灌注桩具有适用范围广、单桩承载力大、更加经济实惠的特点。

5 托换技术分类

5.1 压入桩托换

压入桩的作用原理为利用建筑物上部结构的重力作为支撑的反力，将桩体压入土体中来进行原有基础的替换，又称为顶承静压桩。其具体施工方法为在基础的一侧开挖，在基础地面挖开缺口，将钢管桩垂直放入缺口中，在钢管桩顶部放置钢板，并利用千斤顶将杠杆装压入土中。撤出千斤顶后向管内浇灌混凝土，使钢管桩和原有基础形成整体承力结构并构成新基础[10]。

随着结构托换技术的发展，压入桩托换也出现了更多的种类，如预试桩托换、自承静压桩托换、锚杆静压桩托换等。其中，锚杆静压桩托换（图1）是一项新的托换技术，于20 世纪50 年代在我国沿海地区率先应用并在机械技术的发展下逐渐向全国推广，其优点是施工时无噪音，且使用设备简单，造价更低、移动灵活，施工更加简便，可以在狭窄的条件下进行施工。

图1 锚杆静压桩

5.2 树根桩托换

树根桩托换起源于20 世纪30 年代，是一种小直径的就地灌注混凝土桩，主要依靠桩体与土层的摩擦来承载上部建筑的荷载。其主要施工方式是利用小型钻机进行钻孔，穿过原有基础进入地基土层后形成桩孔，后续进行钢筋施工并完成混凝土灌注工作，最后形成树根桩。当前网状结构树根桩在国外得到广泛使用，可以更好地承担应力，以提高对建筑物的承载力，减少沉降。

5.3 灌注桩托换

灌注桩托换施工内容包括成孔、清孔、下放钢筋笼、混凝土灌注、凿除不密实的混凝土并与上部结构进行连接。在成孔过程中主要采用钻孔灌注桩（图2）以及人工挖孔灌注桩两种形式。随着技术的发展，膨胀混凝土灌注桩逐渐得到应用，这种灌注桩的桩杆由铁皮折叠而成，而施工中所使用的膨胀混凝土具有化学与应力作用，在凝固膨胀过程中铁皮胀开并完成基础托换。

图2 钻孔灌注桩

6 结构托换关键技术分析

在托换施工过程中，必须严格控制施工流程，施工前应详细分析相应的施工设计，明确设计意图和相应的施工技术。一般情况下，在进行托换施工时首先要对既有基础进行开挖和加固，同时也要对地面以上的建筑结构进行妥善处理。以住宅建筑为例，在对既有基础进行开挖加固时，需要根据墙体受力情况砌实部分门窗洞口提高墙体的抗剪能力。后续进行支撑体系的布设工作时，如采用灌注桩进行托换，先完成桩孔施工，而后按顺序完成钢筋施工和混凝土灌注施工。采用其他托换形式时也必须严格遵照施工流程完成作业。

施工过程中如果需要拆除原有的承重墙体，必须在拆除前对当前新形成的梁柱结构进行检测，确保新形成的承力结构满足建筑强度需求，而且拆除工作需分批次进行，最大限度保障建筑结构安全。

此外，在整个施工过程中必须进行全程监控管理，技术管理人员应针对现场施工情况做好施工日志的填写记录工作，保障各子工程在施工中严守设计要求，应用正确的施工技术。同时还需要对施工过程中所用的原材料进行监管，从施工技术和施工材料两方面保障整体施工质量。

7 结语

随着我国地下空间建设的发展，基础结构托换技术的应用也越来越多，由于多数托换工程对变形有较为严格的要求，因此大多数托换工程采用主动托换的形式。在当前结构托换的研究中，由于并没有一个规范化、系统化的设计过程，因此无法针对结构托换中所产生的问题提出一个标准化的解决方案。为此，后续发展中应重点针对设计规范化和工程系统化进行研究。