謝永盛

(廣州市地下鐵道總公司建設事業(yè)總部，廣州 510380)

0 引言

隨著城市飛速發(fā)展，地面交通越來越擁擠，修建地鐵，將大部分客流引向地下是緩解地面交通擁擠情況的最有效辦法。而地鐵隧道在繁華的城市地下穿越，時常會遇到一些主要建筑物樁基侵入地鐵隧道，需要對侵入隧道的樁基進行托換加固處理。樁基托換根據(jù)截樁前的預頂情況分為主動托換和被動托換。常用的托換樁類型有人工挖孔樁、鉆孔樁、靜壓樁、樹根樁、微型鋼管樁等。文獻 ［1－5］主要介紹了樁基托換及微型鋼管樁的理論研究;文獻［6］介紹了在動荷載作用下進行樁基托換的施工方法;文獻［7］介紹了鉆孔鋼管樁在既有建筑進行改造中的應用;文獻［8－11］介紹了微型鋼管樁應用于樁基托換或加固中的工程實例。目前國內對微型鋼管樁的研究及應用逐漸增多，但多數(shù)是采用φ200，φ250 mm的微型鋼管樁，φ300 mm以上的微型鋼管樁應用還不多，主要原因是使用的成孔設備難匹配。本文以廣州地鐵二、八號線延長線洛溪站—南洲站盾構區(qū)間為例，通過對地質鉆機的改造，分二次成孔，采用φ350 mm大直徑微型鋼管樁，順利完成了彩虹花園群樁樁基托換工程，達到預期效果，可供類似工程進行參考。

1 工程概況

1.1 項目概述

廣州地鐵二、八號線延長線洛溪站—南洲站區(qū)間全長4 463單線延米，區(qū)間隧道于里程YDK7+835.0 (ZDK7+830.0)～+910.0(ZDK7+890.0)下穿彩虹花園3#，8#，9#樓。其中3#樓為7層框架結構，8#，9#樓為8層框架結構，樁基為預制鋼筋混凝土管樁，樁徑為φ300，φ400 mm，共有75根樁侵入盾構掘進區(qū)域，15根處于隧道外1 m范圍內，即有90根原樁需進行托換或加固處理。

3#，8#，9#樓φ300樁基設計單樁承載力650 kN，φ400樁基設計單樁承載力1 300 kN，樁身混凝土強度等級C70，樁端地層主要為強風化巖層。該3棟建筑物位于洛溪新城彩虹花園小區(qū)范圍內，地面較為平坦，建筑物一層為停車場，東側為洛溪大橋，南側臨北環(huán)路鋼筋混凝土行車道，西側及北側均為密集的民房。

1.2 工程地質情況

本工程地質情況由上至下依次為:〈1〉人工填土層、〈2－1B〉淤泥土層、〈2－2〉淤泥質砂層、〈3－2〉中粗砂層、〈4－1〉沖－洪積黏性土層、〈5－2〉硬塑－堅硬狀風化殘積粉質黏土層、〈6〉巖石全風化帶、〈7〉巖石強風化帶、〈8〉巖石中風化帶和〈9〉巖石微風化帶。

盾構隧道過該段主要穿越地層為〈6〉、〈7〉、〈8〉和〈9〉層，拱頂?shù)貙訛椤?〉和〈7〉層。

1.3 施工場地條件

彩虹花園樁基托換是在住戶不搬遷的情況下進行施工，施工空間狹小，基坑處于3#，8#，9#樓車庫下，車庫高度僅有2.2 m，基坑開挖最深5.55 m，在住戶不搬遷的情況下，施工最大操作空間僅有7.75 m。為滿足鋼管樁現(xiàn)場施工需要，鉆機設備需重新改造。

2 大直徑微型鋼管樁樁基托換技術

彩虹花園樁基托換采用微型鋼管樁樁基托換技術，采用新樁換原樁的托換形式(托換梁直接托住既有樁基承臺，將建筑物的荷載通過托換梁傳遞至托換承臺，再由托換承臺傳遞至托換樁)。原樁在盾構到達后，在盾構內進行開倉截樁，新樁采用φ350 mm大直徑微型鋼管樁，工程技術和施工工法相對新穎，目前在國內還比較少用，在廣州地鐵眾多樁基托換工程項目中大量樁群使用φ350 mm大直徑微型鋼管樁托換尚屬首次。其主要施工工藝見圖1。

圖1 樁基托換施工流程圖Fig.1 Technological process of pile foundation underpinning

2.1 前期準備及輔助措施

做好建筑物樁基的復測工作，明確樁基位置;清理施工場地并做好二樓通往地面一層的樓梯改移工作;探明施工場地范圍內的管線(化糞池)等分布情況，進行管線(化糞池)改移;拆除地面一層范圍內非承載結構。

2.2 地層加固、止水帷幕及試驗樁施工

基坑開挖前，先對盾構隧道拱頂上下各3 m、左右兩側各3 m范圍內采用袖閥管注漿加固處理(為盾構開倉截樁做地層加固處理)，水平間距1.2 m×1.2 m;基槽止水帷幕采用2排φ550@400 mm單管旋噴樁止水，深度以進入不透水層≥1.5 m為控制標準。

由于以往多采用φ200，φ250 mm的鋼管樁，現(xiàn)在廣州地鐵首次采用φ350 mm大直徑微型鋼管樁的托換，因此有必要驗證φ350 mm大直徑微型鋼管樁的設計承載力是否滿足設計要求，基坑開挖前需先在現(xiàn)場施作1根試驗樁進行抗壓靜載試驗。

本工程φ350 mm大直徑微型鋼管樁的設計單樁承載力為500 kN，試驗樁經中國輕工業(yè)廣州工程院進行抗壓靜載試驗，試驗結果為單樁承載力均≥1 000 kN，達到設計單樁承載力的2倍以上，滿足設計要求(試驗樁加載至1 000 kN后，本想繼續(xù)加載至試驗樁破壞，以便試驗出φ350 mm微型鋼管樁的極限荷載，可惜試驗樁距小區(qū)居民進出便橋太近，出于安全考慮，實際堆載至1 200 kN后被迫停止，只能對設計單樁復核，未完成極限承載力試驗)。

2.3 坑內井點降水

基坑止水帷幕施工完成后，在基坑內側設置降水井點，將地下水位降低到基坑最大開挖深度以下0.5 m。

2.4 施工基槽開挖、支護

樁基托換施工主基槽最大開挖深度5.55 m，采用復合土釘墻支護，超前樁為φ108@500 mm微型鋼管樁，鋼管樁長6～12 m，樁底3 m范圍內開注漿孔，孔徑15 mm，間距500 mm，樁頂設置300 mm×400 mm的冠梁，土釘為φ48×3.5(局部4.0)mm花管注漿，花管管壁設置出漿孔，孔徑8 mm，間距200 mm，靠近花管外端頭2 m范圍內不設置出漿孔，花管注1∶1水泥砂漿，土釘長度根據(jù)不同支護形式分15，12，10，8 m等，土釘傾角15°(局部20°);施工基槽面層采用100～200 mm厚C20網噴混凝土，鋼筋網為φ6.5@200 mm× 200 mm;基槽放坡坡度1∶1。

2.5 大直徑微型鋼管樁的成樁方法和工作機制

微型鋼管樁成樁設備不是普通鉆機，而是采用普通地質鉆機進行改造而成(因施工空間最大高度為7.75 m，最小為 7.0 m，地質鉆機高度改造后為6.5 m)。本項目托換樁采用孔徑350 mm，內插φ219 mm×6.5 mm的鋼管，鋼管內外灌注M25水泥砂漿。由于地質鉆機成φ350 mm孔徑的鉆桿扭距不夠，需為分2次成孔，第1次用φ150 mm鉆頭，先形成φ150 mm樁孔;第2次再換φ350 mm鉆頭擴鉆至φ350 mm樁孔。內插φ219×6.5 mm的鋼管作為微型鋼管樁鋼筋籠，鋼管內M25水泥砂漿作為樁芯混凝土，鋼管外M25水泥砂漿作為鋼筋籠護壁，由φ219×6.5 mm的鋼管及鋼管內M25水泥砂漿共同承載受力。

2.6 微型鋼管樁施工工藝

微型鋼管樁工藝流程為:測量放線—鉆機定位及成孔—吊放鋼管及注漿管—注漿及二次注漿—養(yǎng)護。

鋼管樁施工時先用鉆機分2次成孔，孔徑350 mm;然后放置φ219×6.5 mm的鋼管，鋼管每隔0.5 m均勻開3個30 mm直徑的小孔，放置一次注漿管及二次樁底注漿管，同時焊接防砂筋;用清水清孔直到孔口流出清水;再用M25砂漿進行孔內灌漿操作并在樁頂插入4根直徑18 mm HRB335鋼筋，插入深度1 000 mm，同時應滿足鋼筋錨入承臺35倍鋼筋直徑的要求。

一次注漿管及二次樁底注漿管隨鋼管下放。二次注漿管采用φ32 mm無縫鋼管，接頭處應采用內縮節(jié)，使管外壁光滑，注漿管管底口用膠布封住;二次注漿管端部應做成花管形式，在管底口以上3 m范圍內開孔，開孔直徑8 mm，間距250 mm，孔眼用膠布封住。鋼管樁所用機械如圖2—5所示。鋼管樁施工大樣如圖6所示。

2.7 托換承臺及托換梁施工

鋼管樁施工完成后，進行托換承臺施工，承臺頂面預埋20 mm厚鋼板。

托換承臺施工完成后，進行托換梁施工，對托換承臺和原承臺新老混凝土接觸面進行鑿毛，深度為10～20 mm。托換梁端部底面也預埋20 mm厚鋼板。預埋鋼板上焊接3排φ20錨筋，錨筋焊縫采用穿孔塞焊，焊縫高度不小于15 mm。預埋件大樣詳見圖7。

2.8 預頂、封樁施工

預頂施工工藝流程為:預頂—加型鋼墊塊—打入鋼楔并焊實—拆卸千斤頂—澆注C30微膨脹混凝土。

為了消除托換鋼管樁的變形，并檢驗托換梁承載能力及節(jié)點連接性能(見圖8)，在托換承臺上設置千斤頂及安全裝置［5］，預頂完成后對托換樁進行穩(wěn)壓封樁處理。

2.8.1 預頂施工

預頂?shù)闹饕康氖翘崆跋蟛糠滞袚Q梁的撓度變形和微型鋼管樁的沉降變形，有效控制建筑物的不均勻沉降，確保樁基托換過程中建筑物的安全［6］，預頂示意圖見圖9。預頂過程中應加強既有承臺、托換承臺、托換梁和托換管樁的變形監(jiān)測(見圖10)。當托換承臺的混凝土強度達到設計強度的90%，并且托換梁的強度達到設計強度的85%后，可以對托換梁進行預頂作業(yè)。本項目采用的千斤頂為實用動力公司生產的RSC－1002薄型液壓缸，行程為57 mm，承載能力90 kN，配備的液壓泵為該公司生產的PUJ－1400E雙作用液壓泵。

2.8.2 加型鋼墊塊、打入鋼楔并焊實及拆卸千斤頂

工字鋼加入后，與下部鋼墊板焊為一體，焊縫高度不小于6 mm。鋼楔必須用鐵錘打緊，當鋼楔高度不夠時，可在托換梁和托換承臺的預埋鋼板上加焊鋼板充實剩余空間。鋼楔尺寸、坡度可按施工情況適當調緩，但必須不能小于圖中尺寸(見圖11)。鋼楔打緊后在接縫外焊實并與鋼墊板焊實，以保證卸去千斤頂后工字鋼支撐穩(wěn)定。

圖11 鋼楔大樣示意圖(單位:mm)Fig.11 Details of steel wedge(mm)

2.8.3 封樁

拆卸千斤頂之后，托換梁與托換承臺之間用C30微膨脹混凝土充填密實，如圖12所示。順利將托換梁的荷載傳遞至托換承臺上，再由托換承臺傳遞至新施作的微型鋼管樁，實現(xiàn)樁基托換過程中的受力體系轉換。

圖12 膨脹混凝土封樁Fig.12 Plugging by swelling concrete

3 盾構開倉截樁

3.1 盾構過彩虹花園前的準備工作

1)提前對盾構隧道拱頂上下各3 m、左右兩側各3 m范圍內采用袖閥管注漿進行地層加固處理，確保盾構開倉截樁的安全。

2)提前對侵入隧道的原樁坐標進行人工復測，以便與盾構VMT顯示屏上自動測量系統(tǒng)測得的坐標進行比對，確保原樁定位準確。

3)選擇合適的地方開倉檢查刀具情況，同時檢查機械設備的運轉情況，對盾構進行一次全面的維護保養(yǎng)，使各種機械設備保持最佳狀態(tài)，防止下穿彩虹花園時出現(xiàn)機械設備異常而造成停機。

4)提前對盾構刀盤進行一次全面的刀具更換，確保刀具完好。即每臺盾構更換4把中心滾刀，31把單刃滾刀，64把齒刀，16把邊刮刀，1把超挖刀。

3.2 盾構姿態(tài)控制

盾構掘進過程中其軸線不可能始終與隧道設計軸線平行，盾構姿態(tài)會隨著盾構的推進而變化，特別是在曲線段這種變化尤其大。盾構姿態(tài)包括水平姿態(tài)變化及豎直姿態(tài)變化，其變化將在盾構四周產生空洞區(qū)和擾動擠壓區(qū)，對周圍土體產生影響。盾構在曲線掘進、糾偏、上坡或下坡推進時，實際開挖斷面不是圓形而是橢圓形，因此必然引起地層損失。盾構軸線與隧道設計軸線偏角越大，則對土體擾動和超挖程度及其引起的地層損失也越大;盾構掘進的糾偏量越小，則對土體的擾動越小。

發(fā)現(xiàn)盾構偏差時應逐漸調整，嚴禁糾正過急。在實際控制時，可根據(jù)VMT顯示屏上自動測量系統(tǒng)測得值與DTA的差值來調整，即調整圖標頭部與尾部盡可能靠近坐標原點。

3.3 盾構掘進模式及掘進參數(shù)控制

為了方便判斷刀盤是否碰到原樁及減小對原樁的推力影響，防止原樁在較軟的〈7〉、〈8〉地層中產生縱向位移，盾構從第1根原樁的理論位置前1 m開始至通過最后1根原樁為止，掘進模式采用敞開式，掘進參數(shù)如下。

1)盾構距離原樁即定里程1 m之前，開始降低及嚴控各項掘進參數(shù)。推力為6 000～8 000 kN;推進速度為10～15 mm/min;刀盤轉速為1.0～1.2 r/min。

2)盾構通過樁時，繼續(xù)降低及嚴控各項掘進參數(shù)。推力為5 000～7 000 kN;推進速度為5～10 mm/min;刀盤轉速為0.8～1.0 r/min。

3.4 洞內同步注漿及二次注漿管理

加強洞內注漿管理，每環(huán)同步注漿量應不小于6 m3，確保足夠的注漿量。截樁施工期間，盾構掘進的同時，在脫出盾尾4～5環(huán)的管片上，及時通過手孔在1，11點位對每環(huán)管片進行二次補注雙液漿回填，每環(huán)注漿量為1～1.3 m3，注漿壓力控制在0.4 MPa以內，保證建筑空隙的填充密實，防止地面建筑物產生過大的沉降。

3.5 開倉截樁施工

1)盾構刀盤碰到原樁時立即停機開倉，同時通風降溫，清除易燃易爆有毒等有害氣體。

2)檢查掌子面穩(wěn)定情況，判定穩(wěn)定后，施工人員進倉清理巖面、刀盤及土倉內部渣土，確定原樁侵入隧道的確切位置和長度。

3)搭建作業(yè)平臺，采用手持式液壓破碎錘破除樁基周圍巖層，再破除原樁混凝土;原樁的鋼筋露出后，采用液壓鉗對鋼筋進行分段切除。每段鋼筋長度不宜超過1 m，以便鋼筋運出土倉。

注意鋼筋和鋼樁靴應確保清理干凈后，方可繼續(xù)向前掘進尋找下一根侵入隧道的原樁。如此反復循環(huán)，直至所有侵入隧道的原樁截除完畢。

4 大直徑微型鋼管樁樁基托換效果

本工程φ350 mm大直徑微型鋼管樁的設計單樁承載力為500 kN，共243根。鋼管樁完工后，再次隨機抽取3根鋼管樁進行抗壓靜載試驗，試驗結果為單樁承載力均≥1 000 kN，達到設計單樁承載力的2倍以上，完全滿足設計要求。

施工監(jiān)測顯示，當樁基托換完畢，房屋沉降最大值為6 mm。盾構通過時，由于托換鋼管樁的沉降，房屋最大沉降值為17 mm。累計沉降值滿足±30 mm沉降控制要求。樁基托換工程于2008年7月18日完工，2008年11月25日驗收。沉降已穩(wěn)定，房屋未出現(xiàn)任何裂縫，結構完好無損，樁基托換效果完全達到對建筑物的加固保護作用。

5 結論與討論

大直徑微型鋼管樁樁基托換技術是一種較新的樁基托換技術，具有單樁承載力較高、所需施工空間較小、所用機械設備簡單等優(yōu)點，特別適合在施工空間狹小的困難條件中使用。通過廣州地鐵二、八號線彩虹花園樁基托換工程的成功使用，微型鋼管樁樁基托換技術在今后的地鐵隧道施工中必將得到推廣和應用。然而，現(xiàn)階段仍存在制約其推廣和應用因素。

1)成孔設備難匹配。本工程使用的地質鉆機需進行設備改造，而φ350 mm鉆頭則需通過特殊加工才能滿足施工需要。

2)各項技術參數(shù)尚未穩(wěn)定。由于目前φ300 mm以上的大直徑微型鋼管樁在國內還比較少用，可供參考的工程實例及技術參數(shù)不多，對于各類樁徑的大直徑微型鋼管樁在不同樁長、不同地層中的極限承載力及設計承載力尚未明確，有待進一步研究和完善。

一旦突破上述2大難題，便可合理利用大直徑微型鋼管樁的極限承載力，提高其設計單樁承載力，進而減少大直徑微型鋼管樁數(shù)量，同時還能節(jié)約設備改造、二次成孔及鉆頭特殊加工的時間和費用。由于能夠大量降低工程造價和縮短工期，大直徑微型鋼管必將得到推廣和應用。建議有條件的工程企業(yè)和研究機構做進一步試驗和研究，希望φ350 mm大直徑微型鋼管樁樁基托換技術在廣州地鐵二、八號線彩虹花園樁基托換工程中的成功使用實例，能為類似工程或研究提供參考作用。

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