地铁隧道施工中桩基托换技术研究

周大要

（中铁北京工程局集团第五工程有限公司，北京 100000）

0 引言

桩基托换是一种常见的地基处理方法，即在既有建筑物基础为桩基础的情况下，将桩基础与承台通过植筋连接在一起，将既有建筑物的荷载转移到承台上，再通过承台将荷载转移到托换桩上。桩基托换经常出现在地铁隧道工程中，目前，大部分地铁工程施工环境比较复杂，往往需要穿越建筑物，即在既有建筑物下方完成地铁隧道建设，因此需要采用桩基托换技术，减少地铁隧道施工对既有建筑物的影响。桩基托换是一项历时长、成本高的综合性复杂工程，具有较高的技术难度。近几年，桩基托换受到研究领域的高度重视与关注，但是多数研究集中在桩基托换施工管理与安全控制等方面，技术方面的研究则比较少，目前尚处于初步探索阶段。现行技术存在较大的优化空间，在实际工程中存在既有建筑物沉降变形比较严重、墙体裂缝问题突出等情况，无法保证桩基托换质量。由此可见，开展地铁隧道施工中桩基托换技术研究具有很大的现实意义。

1 地铁隧道施工中桩基托换技术

1.1 托换基础开挖

考虑到地铁隧道施工中桩基托换是在地下空间内完成，工程规模比较大，需要具有充足的托换空间，因此在桩基托换之前，应在施工区域内开挖一个桩基托换作业区，托换基础挖深在5～8m 之间，基坑长度在28.5～32.5m 之间，基坑宽度在15～22m 之间，具体数值可以根据工程实际情况确定。采用分层开挖方式，每层挖深控制在1.5～2.5m 之间，首层采用人工方式开挖，待挖掘机能够进场后，采用机械开挖方式[1]。使用运输车辆将挖出的土渣运输到指定地点，并且在开挖过程中要将放坡比例控制为1∶1[2]。为了防止托换基坑涌水，在挖至第二层时，在基坑周围设置2～3 条截水沟和排水沟，在沟内放置水泵，使用水泵及时将基坑内的地表水抽出，以防止托换基础受到地表水影响[3]。如果施工区域土层比较松散，为了保证后续桩基托换安全，应在施工区域设置围护桩，围护桩直径在0.55～1.15m 之间，为钢筋混凝土结构，以起到基坑支护的作用。在挖取的托换基础四周布设测点，用于测量桩基托换过程中既有建筑物的沉降、倾斜以及裂缝等信息数据，测点间距在5.45～6.45m 之间。

1.2 托换桩及承台施工

在挖取的托换基础内开展托换桩施工，托换桩直径、间距等参数的设计对桩基托换施工质量具有重要影响，浇筑形成的托换桩需要承载既有建筑物基础底面平均压力，既有建筑物基础底面平均压力计算公式为：

式（1）中：H表示既有建筑物基础底面平均压力值；F表示既有建筑物基础重量；U表示既有建筑物地上结构传至基础顶面的垂直应力；S表示隧道地铁桥梁穿越既有建筑物面积[4]。利用上述公式（1）计算得到的既有建筑物基础底面平均压力值，与托换桩承载力进行比较，托换桩承载力计算公式为：

式（2）中：P表示托换桩承载力；W表示单桩总级侧摩擦力标准值；X表示单桩总级侧阻力标准值；u表示托换桩身截面周长；q表示托换桩周第k层土的极限侧摩阻力；f表示托换桩周第k层土的厚度；α表示托换桩端阻力修正系数，通常情况下，该系数取值范围为0.45～0.95；p表示托换桩极限端阻力标准值；x表示托换桩端全截面面积[5]。根据该条件对托换桩承载性能进行验算，需要符合以下条件：

设计的托换桩需要满足公式（3），据此不断调整和优化托换桩直径和横截面积等参数[6]。确定托换桩参数后，即可开展托换桩施工，使用冲击钻机在桩位上钻孔，要求钻杆与地面垂直，误差控制在1%以内，在钻进过程中通过提升钻杆调整钻进方向，修正钻孔误差。采用分节钻进的方式进行钻孔作业，钻孔与注浆同步进行。按照水泥∶粗骨料∶细骨料∶添加剂=3∶3∶3∶1 的比例制备水泥砂浆，水泥砂浆的水灰比为53%，在钻孔过程中将事先制备好的水泥砂浆浇筑到钻孔内，每钻进1.55m，将托换桩钢筋深入承台内部，钢筋植入深度不能低于1.25m，使托换桩与承台连接[7]。在每一根托换桩端埋设一个或者两个钢筋计，用于计量后续在植筋和桩基托换受力体系转换过程中的桩基内力变化情况。

在托换桩顶部开展承台施工，施工之前，将托换桩表面的浮浆和浮渣清理干净，如果多余的浆液已经凝固，需要将其凿除[8]。承台的宽度要比托换桩直径大2～3 倍，承台高度计算公式为：

式（4）中：g表示承台高度；b1表示预顶承台距离；b2表示预顶空间[9]。利用该式对承台高度进行设计，采用砖砌外模的方式开展承台施工，在施工期间要求托换桩在承台内4.55～5.55m 处，每个承台需要预埋两块规格为1.5×0.2×0.95m 的钢板，并且预留10～15 个出气孔，以此保证承台混凝土浇筑的密实度。

1.3 既有桩基界面处理及植筋

托换桩与承台施工完成后，对既有桩基界面进行处理，并对其进行植筋。在既有桩基的表面进行放样划线，确定界面凿毛的位置，将既有桩基界面凿出深度为15mm 左右的毛面，目的是保证后期既有桩基与承台的有效黏结。用清水将毛面表面的灰尘去除，待表面干燥后在其上涂抹一层环氧树脂乳液水泥浆，待环氧树脂乳液水泥浆凝固后，开展承台混凝土浇筑施工，使既有建筑与承台有效连接在一起[10]。在此基础上，对既有桩基进行植筋，植筋的目的是加固既有桩基，利用钻机在既有桩基上钻孔，钻孔最大直径为35mm，钻孔直径要比待植入钢筋直径大5.5mm，钻孔间距控制在35～55mm 之间。钻孔完成后，在孔内注入水泥砂浆，并植入钢筋，为了保证植入的钢筋与水泥砂浆有效结合在一起，在植筋前需要将钢筋表面的锈渍清除，当钢筋达到植入深度后，在钻孔首端注入锚固胶，将钢筋固定。

1.4 托换受力体系转换

使用专用测量设备测量所有浇筑混凝土的抗压强度，当达到设计强度后开展托换受力体系转换作业。在托换桩端周围布置500t 千斤顶，并将托换桩顶部和承台底部对准千斤顶，为了保证托换受力体系转换顺利进行，在千斤顶安装前需要对其进行调试，确保千斤顶可以正常使用。在承台与托换桩之间施加顶力，开展托换受力体系预顶，预顶荷载进行分级加载，将托换受力体系预顶荷载加载分为十个层级，具体如表1 所示。

表1 体系转换加载每层级荷载增量（%）

当每层级预顶荷载加载到上限数值时，停止加载，停留10～15min，待承台与托换桩结构稳定后再进行下一层级预顶荷载加载。在预顶过程中要对既有建筑物沉降变形情况进行监测，如果出现既有建筑物沉降变形严重的情况，需要立即调整预顶荷载加载参数。当托换桩达到稳定状态后，将预顶千斤顶拆卸，使用楔形钢板将托换桩的钢管垫块打紧锁定，并将托换柱与承台使用钢筋加以锚固，浇筑桩芯混凝土，以此完成托换受力体系转换，进而完成地铁隧道施工中桩基托换。

2 实例分析

2.1 工程概况

以某隧道建设工程为研究背景，该隧道所在位置为市中心，隧道周边建筑物比较多，需要明挖隧道正穿建筑物，穿越宽度约为21.03m。建筑物为一栋8 层框架结构的商业建筑，在隧道明挖施工过程中需要对该建筑物75%的桩基础进行托换。根据工程地质调查报告显示，施工区域地质环境比较复杂，从地表到深度为33.81m 的地层分为杂项回填层、砂质黏土层、粉质黏土层、卵石土层以及轻微风化岩层，土层厚度分别为5.16m、6.35m、8.47m、7.48m、6.35m。由于地质属于软土性质，桩基托换施工难度较大，既有建筑物容易发生沉降变形。

2.2 托换结果与讨论

结合该隧道建设工程实际情况，采用本文设计的技术开展桩基托换施工。承台尺寸为22.45×8.45×2.45m，托换桩尺寸为15.35×3.26×4.56m，按照上述流程进行托换基础开挖、托换桩及承台施工、既有桩基界面处理及植筋、托换受力体系转换等一系列操作。考虑到建筑物桩基沉降变形是地铁隧道施工中桩基托换的重要控制对象，桩基沉降量越大，表示在施工中建筑物的稳定性和安全性越低，因此以建筑物桩基沉降变形作为该工程桩基托换施工质量的评价指标。随机选择10 根桩基，使用AIYUF-A8T8 测量仪对桩基施工前高程、施工后高程进行测量，使用电子表格对桩基横向沉降变形与纵向沉降变形进行记录，具体数据如表2 所示。

表2 建筑物桩基沉降量测量结果 单位：mm

建筑物桩基的横向沉降变形与纵向沉降变形可以反映出建筑物的倾斜度，沉降变形量越大，建筑物倾斜度越大。如表2 所示，相关规范规定地铁隧道施工中桩基托换后建筑物桩基横向沉降变形不能超过10.55mm，纵向沉降变形最大允许限值为13.55mm。该工程施工后建筑物桩基横向沉降最大仅为0.02mm，纵向沉降变形最大仅为0.05mm，均在规定范围内，符合相关规定要求，说明该工程桩基托换后建筑物没有发生较大的倾斜，具有良好的稳定性。为了进一步检验该工程桩基托换施工质量，对托换施工后建筑物裂缝情况进行测量，测量项目包括最大裂缝长度、最大裂缝宽度以及最大裂缝深度。随机选择8个墙体，将其作为测量对象，使用IYF-77F 激光测量仪对裂缝长度、裂缝宽度以及裂缝深度进行测量，具体测量结果如表3 所示。

表3 建筑物墙体裂缝测量结果 单位：mm

相关规范要求，地铁隧道施工中桩基托换施工后建筑物墙体最大裂缝长度不能超过30.55mm，最大裂缝宽度不能超过10.55mm，最大裂缝深度不能超过5.45mm。如表2 所示，该工程桩基托换施工后建筑物墙体最大裂缝宽度仅为1.21mm，最大裂缝长度仅为14.36mm，最大裂缝深度仅为3.14mm，均在规定范围内，符合相关规范要求，说明该次应用的桩基托换技术具有良好的托换效果，可以有效保证既有建筑物的稳定性和安全性，设计技术适用于地铁隧道施工中桩基托换施工。

3 结语

桩基托换作为地铁隧道施工中的一个重要施工技术，是保证既有建筑物安全性与稳定性的重要手段。此次针对桩基托换技术存在的不足与缺陷，参考相关文献资料，对地铁隧道施工中桩基托换技术进行研究，有效降低既有建筑物桩基沉降量，提高既有建筑物的安全性与稳定性。此次研究为地铁隧道施工中桩基托换施工提供了技术支撑，提高了桩基托换技术水平，实现对现有技术的优化与创新，具有一定的实践价值。地铁隧道建设行业在不断发展，今后还需要在该方面展开深层次探究，以促进基建行业可持续发展。