史金洪， 魯 彬， 黃明利， 瞿曉巍,*

(1. 中鐵昆明建設(shè)投資有限公司， 云南 昆明 650118； 2. 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044)

火車站地下廣場(chǎng)內(nèi)樁基托換并蓋挖法施工地鐵車站關(guān)鍵技術(shù)

史金洪1， 魯 彬1， 黃明利2， 瞿曉巍2,*

(1. 中鐵昆明建設(shè)投資有限公司， 云南 昆明 650118； 2. 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044)

為保證重慶北站地鐵車站施工過(guò)程中地面交通以及地下停車場(chǎng)的正常運(yùn)行，提出火車站地下廣場(chǎng)內(nèi)樁基托換并蓋挖法施工地鐵車站技術(shù)： 先采用樁基托換上部結(jié)構(gòu)，然后以托板為基坑頂板進(jìn)行蓋挖施工地鐵車站。既有樁基和結(jié)構(gòu)的臨時(shí)支撐以及托板與既有樁基、鋼管柱的節(jié)點(diǎn)處理是工程的關(guān)鍵和難點(diǎn)： 在樁基托換過(guò)程中，根據(jù)既有樁基上主梁數(shù)量設(shè)置H形臨時(shí)支撐體系，并及時(shí)連接相鄰臨時(shí)立柱，形成整體； 在托板與既有樁基節(jié)點(diǎn)處，鑿除既有樁基基礎(chǔ)部分混凝土，保留既有鋼筋，長(zhǎng)邊方向底板部分縱筋從未鑿除的樁體鉆孔通過(guò)，短邊縱筋繞行； 鋼管柱與托板節(jié)點(diǎn)施作時(shí)預(yù)留樁頂鋼筋，將其伸入到托板中，連接成一個(gè)整體，一同灌注混凝土?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)最大變形為16.6 mm，說(shuō)明本工程采用的樁基托換并蓋挖施工技術(shù)合理可行。

地鐵車站； 樁基托換； 蓋挖法； 既有樁基； 托板

0 引言

隨著我國(guó)人口、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市所面臨的交通擁堵問(wèn)題也日趨嚴(yán)重，軌道交通是一種改善城市交通問(wèn)題的有效方式[1]。在城市修建地下隧道時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到各種管線、樁基、基坑以及既有隧道等地下構(gòu)筑物[2]。在既有構(gòu)筑物下方修建隧道的方法很多，樁基托換技術(shù)是一種相對(duì)安全、可靠、對(duì)周邊環(huán)境影響小的施工方法。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)樁基托換技術(shù)和蓋挖法進(jìn)行了相關(guān)研究。如： 文獻(xiàn)[3-4]對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道樁基托換施工技術(shù)進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[5]認(rèn)為樁基托換技術(shù)是地鐵建設(shè)中亟待深入研究的巖土力學(xué)課題；文獻(xiàn)[6]介紹了地鐵車站高架橋墩下樁基托換施工監(jiān)測(cè)技術(shù)；文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]分別研究飽和黃土和有水條件下地鐵隧道穿越橋梁樁基的托換技術(shù)；文獻(xiàn)[9]研究了大直徑微型鋼管樁樁基托換技術(shù)；文獻(xiàn)[10]采用ABAQUS軟件模擬驗(yàn)證樁基主動(dòng)托換方案的可靠性；文獻(xiàn)[11]分析了托換樁-柱置換節(jié)點(diǎn)薄弱區(qū)產(chǎn)生的原因及其應(yīng)力變化規(guī)律；文獻(xiàn)[12]研究了重疊隧道施工對(duì)樁基托換區(qū)沉降的影響；文獻(xiàn)[13]分析蓋挖托換中托板的作用以及基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響；文獻(xiàn)[14-17]對(duì)地鐵車站蓋挖法施工中結(jié)構(gòu)受力及變形進(jìn)行分析。以上研究多側(cè)重于樁基托換或蓋挖施工單項(xiàng)施工技術(shù)，鮮有地鐵工程中采用樁基托換的同時(shí)進(jìn)行蓋挖施工的報(bào)道，在這方面可借鑒的經(jīng)驗(yàn)很少。本文依托重慶北站10號(hào)線D區(qū)蓋挖段，研究火車站地下廣場(chǎng)內(nèi)樁基托換并蓋挖施工地鐵車站的關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概述

1.1 工程概況

重慶北站位于重慶市龍頭寺火車站南廣場(chǎng)既有地下廣場(chǎng)下方，軌道交通3號(hào)線、10號(hào)線、環(huán)線匯集于此。環(huán)線與3號(hào)線、10號(hào)線呈T形換乘關(guān)系，環(huán)線為東西走向，3號(hào)線與10號(hào)線為南北走向。重慶北站平面布置見(jiàn)圖1。

1.2 既有結(jié)構(gòu)概況及存在的問(wèn)題

龍頭寺火車站南廣場(chǎng)分上下2層： 上層為旅客進(jìn)出火車站通道；下層為商業(yè)配套及交通層，旅客可由此直接換乘3號(hào)線、出租車及社會(huì)車輛，高度為4.8 m。地下廣場(chǎng)結(jié)構(gòu)形式為四級(jí)框架結(jié)構(gòu)，頂板為井字梁，基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)和梁式擴(kuò)展基礎(chǔ)。

由于本站是火車站，每天進(jìn)出人數(shù)和交通量大，不允許施工影響地面廣場(chǎng)及廣場(chǎng)旁邊道路正常通行，所以不能采用明挖法施工；車站與地下停車場(chǎng)樁基底部距離較近，采用暗挖法施工會(huì)影響地下停車場(chǎng)、地面廣場(chǎng)及周邊道路安全?？紤]以上因素，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外已有工程經(jīng)驗(yàn)，在保證既有停車場(chǎng)、地面與道路使用功能的前提下，提出樁基托換并蓋挖施工技術(shù)。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

重慶北站D區(qū)蓋挖段位于火車站南廣場(chǎng)地下室下方，本段主體結(jié)構(gòu)基坑開(kāi)挖長(zhǎng)度約33.9 m、寬度約25.7 m、深度約17.6 m，為14.6 m寬島式站臺(tái)車站。大里程端為單拱三跨單層結(jié)構(gòu)，采用暗挖法施工；小里程端為雙層箱型框架結(jié)構(gòu)，采用蓋挖和明挖2種方法施工。托換并蓋挖段概況見(jiàn)圖2。

圖2 托換并蓋挖段概況

Fig. 2 Sketch diagram of pile foundation underpinning and cut and cover method

1.4 地質(zhì)條件

蓋挖段地層由上而下依次為： 1)素填土，雜色，主要由黏性土組成，其中夾雜砂、泥巖塊石和碎石； 2)砂質(zhì)泥巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)，巖質(zhì)較軟，抗風(fēng)化能力差； 3)砂巖，灰色，屬較軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ級(jí)，巖質(zhì)較硬，抗風(fēng)化能力強(qiáng)。各層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

2 托換并蓋挖施工技術(shù)

2.1 施工工藝

重慶北站蓋挖段采用托換并蓋挖法施工，其蓋挖施工采用蓋挖順作法。托換并蓋挖法總體施工工藝如下： 圍護(hù)樁施工—基坑土方開(kāi)挖—冠梁施工—敷設(shè)側(cè)墻矮墻及托板下防水層—澆筑托板—恢復(fù)地下室地坪—托板下方基坑開(kāi)挖—施作基坑內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2.2 施工步序

1)第1步(見(jiàn)圖3(a))。整場(chǎng)地，施作圍護(hù)結(jié)構(gòu)、托換樁、立柱基礎(chǔ)人工挖孔灌注樁及鋼管混凝土柱，東、西側(cè)施作錨索的預(yù)留錨孔。主體結(jié)構(gòu)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用人工挖孔灌注樁+錨索的支護(hù)方案，人工挖孔灌注樁直徑為1 200 mm和1 500 mm，嵌固深度為4 m或5 m； 預(yù)應(yīng)力錨索采用φs15.2@2.5 m×3.0(2.5) m 鋼絞線，錨孔直徑150(200) mm，角度15°； 樁間網(wǎng)噴100 mm厚C25混凝土，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為φ8@200 mm×200 mm。

2)第2步(見(jiàn)圖3(b))。基坑開(kāi)挖至托板底標(biāo)高處，施工冠梁，敷設(shè)側(cè)墻矮墻及托板下防水層，澆筑側(cè)墻矮墻，處理托換既有樁基節(jié)點(diǎn)，澆筑托板，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，敷設(shè)托板頂部防水層，回填處理，恢復(fù)地下室地坪。其中： 托板厚1 500 mm，托換樁采用φ1 500 mm人工挖孔灌注樁，中立柱樁基采用φ2 000 mm人工挖孔灌注樁。

3)第3步(見(jiàn)圖3(c))。在托板下逐層開(kāi)挖、施工錨索(施工混凝土腰梁，及時(shí)架設(shè)鋼支撐)至基坑底，施工墊層。

4)第4步(見(jiàn)圖3(d))。敷設(shè)底板、部分側(cè)墻防水層，澆筑底板、底縱梁及部分側(cè)墻，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，架設(shè)換撐。

5)第5步(見(jiàn)圖3(e))。拆除第2道鋼管支撐，敷設(shè)基坑內(nèi)地下2層剩余側(cè)墻防水層，澆筑中樓板及中縱梁。

6)第6步(見(jiàn)圖3(f))。待中樓板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除換撐及第1道鋼管支撐，敷設(shè)側(cè)墻剩余防水層，澆筑基坑內(nèi)地下1層側(cè)墻，施作車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

3 工程難點(diǎn)

樁基托換并蓋挖施工過(guò)程中，對(duì)既有樁基的保護(hù)和托換節(jié)點(diǎn)的處理是工程的難點(diǎn)，下文對(duì)工程難點(diǎn)部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 既有樁基臨時(shí)支撐

托板范圍內(nèi)共有13個(gè)既有結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)，分布位置見(jiàn)圖4。施工時(shí)需對(duì)既有樁基進(jìn)行支撐，以確保既有樁及既有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全。

(a) 第1步

(b) 第2步

(c) 第3步

(d) 第4步

(e) 第5步

(f) 第6步

WZ1—WZ5表示樁基型號(hào)，型號(hào)左側(cè)的數(shù)字表示樁基直徑。

圖4 既有樁基平面圖(單位： mm)

Fig. 4 Plan of existing pile foundations (mm)

根據(jù)既有樁基上主梁數(shù)量設(shè)置H形狀的臨時(shí)支撐體系，臨時(shí)支撐體系架設(shè)后，及時(shí)連接相鄰臨時(shí)立柱，形成整體，確保施工安全，既有結(jié)構(gòu)的臨時(shí)支撐見(jiàn)圖5。

(a) 示意圖

(b) 現(xiàn)場(chǎng)施工圖

臨時(shí)支撐的具體要求如下：

1)臨時(shí)立柱采用HW(寬翼緣H型鋼)300 mm×300 mm×10 mm×15 mm型鋼；

2)φ800型鋼既有樁基處的臨時(shí)橫梁采用HN(窄翼緣H型鋼)700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型鋼，臨時(shí)立柱間距l(xiāng)<2 500 mm。其他既有樁基處的臨時(shí)橫梁采用HN700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型鋼，臨時(shí)立柱間距l(xiāng)<3 000 mm，既有結(jié)構(gòu)主梁應(yīng)布置于臨時(shí)橫梁跨中位置；

3)臨時(shí)橫梁上部短柱采用HW300 mm×300 mm×10 mm×15 mm型鋼，短柱長(zhǎng)度小于2 m，短柱兩端節(jié)點(diǎn)板做法同臨時(shí)立柱節(jié)點(diǎn)板；

4)臨時(shí)橫梁應(yīng)與既有結(jié)構(gòu)主梁底面頂緊，施工時(shí)不得破壞既有結(jié)構(gòu)，在靠近既有樁基施工時(shí)應(yīng)減少對(duì)基礎(chǔ)的擾動(dòng)，支撐體系的臨時(shí)立柱基礎(chǔ)嵌入基巖深度不得小于500 mm，臨時(shí)橫梁上部短柱僅在臨時(shí)橫梁不能直接支撐既有結(jié)構(gòu)主梁的情況下設(shè)置。

3.2 托板施工

托換結(jié)構(gòu)托板厚1.5 m，分2段施工，施工要點(diǎn)如下： 1)結(jié)構(gòu)分段施工長(zhǎng)度控制在20 m以內(nèi)，分段太長(zhǎng)對(duì)混凝土的防裂抗?jié)B不利，太短則施工縫設(shè)置過(guò)多； 2)施工縫設(shè)置避開(kāi)結(jié)構(gòu)預(yù)留孔洞位置； 3)施工縫設(shè)置在梁跨的1/4～1/3處。既有樁基與托板的節(jié)點(diǎn)處理以及托板與鋼管柱的節(jié)點(diǎn)處理是托板施工的重點(diǎn)與難點(diǎn)，具體處理方法如下。

3.2.1 既有樁基與托板節(jié)點(diǎn)處理

對(duì)既有樁基基礎(chǔ)加固完善后進(jìn)行節(jié)點(diǎn)既有基礎(chǔ)部分混凝土鑿除及鋼筋加固處理，施工時(shí)加強(qiáng)對(duì)既有樁基的沉降變形觀測(cè)，具體施工步序如下。

1) 鑿除既有樁基礎(chǔ)部分混凝土，保留既有鋼筋。WZ1—WZ4型樁基鑿除30 cm寬混凝土，WZ5型樁基鑿除45 cm寬混凝土，在鑿除混凝土部分，樁基兩側(cè)分別設(shè)置4根φ50 mm吊筋，既有樁基節(jié)點(diǎn)處理見(jiàn)圖6。

圖6 既有樁基節(jié)點(diǎn)處理(單位： mm)

Fig. 6 Treatment of connection between underpinning plate and existing pile foundation (mm)

2)托板短邊方向板底縱筋由保留樁體兩側(cè)繞行通過(guò)，長(zhǎng)邊方向底板部分縱筋從保留樁體鉆孔通過(guò)(鉆孔直徑φ35 mm)，節(jié)點(diǎn)處理平面圖見(jiàn)圖7。

圖7 既有樁基節(jié)點(diǎn)處理平面圖

Fig. 7 Plan of treatment of connection between underpinning plate and existing pile foundation

3)對(duì)既有樁基表面進(jìn)行鑿毛，清理原有混凝土缺陷至密實(shí)部位，并除去浮渣、塵土。既有樁基、地梁表面必須鑿成凹凸差不小于10 mm的粗糙面。

4)原混凝土表面應(yīng)沖洗干凈，并保持濕潤(rùn)，澆筑混凝土前，原混凝土表面應(yīng)采用水泥漿等界面劑進(jìn)行處理。

3.2.2 托板與鋼管柱節(jié)點(diǎn)處理

1)鋼管柱施作時(shí)預(yù)留樁頂鋼筋，預(yù)留鋼筋伸入到托板中，托板與鋼管柱通過(guò)預(yù)留鋼筋連接成一個(gè)整體，如圖8所示。

圖8 托板與鋼管柱節(jié)點(diǎn)處理示意圖(單位： mm)

Fig. 8 Treatment of connection between underpinning plate and steel pipe column (mm)

2)托板鋼筋在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置φ28@150 mm的附加筋，托板施工時(shí)，清洗及鑿毛樁頂和預(yù)留鋼筋，并保護(hù)好該預(yù)留鋼筋。

3)節(jié)點(diǎn)處混凝土同托板混凝土一同灌注，并用插入式搗固器加強(qiáng)搗固，確保節(jié)點(diǎn)處混凝土質(zhì)量。

4 監(jiān)測(cè)分析

為評(píng)價(jià)方案效果，對(duì)人工挖孔樁和既有建筑物沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，蓋挖段監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖9。

DC表示D區(qū)蓋挖人工挖孔樁沉降; CBJC表示重慶北站建筑物垂直沉降; DB表示地表沉降。

圖9 蓋挖段監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

Fig. 9 Layout of monitoring points

DC144監(jiān)測(cè)點(diǎn)在托板中間，變形具有代表性； CBJC027監(jiān)測(cè)點(diǎn)在施工通道與基坑交界處上方，沉降較大。因此，選取這2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。目前托換并蓋挖施工已經(jīng)完成，2點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖10?？梢钥闯觯?1)沉降曲線比較平緩，在相鄰施工步之間沒(méi)有太大的沉降變化，且整體變形趨勢(shì)都是先緩慢、后增加較快、最后趨于平穩(wěn)。2)CBJC027監(jiān)測(cè)點(diǎn)初期沉降變化較快，然后趨于平穩(wěn)，主要原因是在進(jìn)行施工通道施工，從施工通道進(jìn)入托換并蓋挖段托板下部，對(duì)周圍土層產(chǎn)生了擾動(dòng)；從A-A處開(kāi)始，沉降發(fā)生較大突變，原因是CBJC027監(jiān)測(cè)點(diǎn)下方在進(jìn)行爆破作業(yè)，對(duì)該點(diǎn)沉降產(chǎn)生較大影響。3)蓋挖段CBJC027監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降最大，為16.6 mm。DC144監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大隆起值為3.52 mm。2監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形都在控制要求范圍內(nèi)(控制值為30 mm)，且施工中未出現(xiàn)異常，說(shuō)明該方案可行。

圖10 測(cè)點(diǎn)變形曲線

5 結(jié)論與討論

1)為保證重慶北站地鐵車站施工過(guò)程中地面交通以及地下停車場(chǎng)的正常運(yùn)行，提出樁基托換并蓋挖法施工地鐵車站技術(shù)。施工中采取H形臨時(shí)支撐體系對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，采用縱筋穿過(guò)樁體及預(yù)留樁頂鋼筋的方法把既有樁、鋼管柱與托板連成一個(gè)整體，確保既有樁基及既有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全。

2)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)最大變形為16.6 mm，未超過(guò)控制要求，且施工中未發(fā)生異常，驗(yàn)證了托換并蓋挖方案的合理可行。

3)既有樁基的臨時(shí)支撐是根據(jù)既有樁基上主梁數(shù)量設(shè)置的，主梁多設(shè)置的臨時(shí)支撐多，反之則少，是否會(huì)因局部臨時(shí)支撐過(guò)多造成材料浪費(fèi)或因局部較少產(chǎn)生安全隱患問(wèn)題，有待進(jìn)一步研究。

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Key Construction Technologies for Pile Foundation Underpinning and Metro Station Constructed by Cut and Cover Method

SHI Jinhong1, LU Bin1, HUANG Mingli2, QU Xiaowei2,*

(1.ChinaRailwayKunmingConstructionInvestmentCo.,Ltd.,Kunming650118,Yunnan,China; 2.SchoolofCivilEngineering&Architecture,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

During the construction of underground Metro station of Chongqing North Railway Station, the running of traffic on the ground and underground parking lot should be guaranteed. The construction technologies for pile foundation underpinning and the Metro station constructed by cut and cover method are proposed. The upper structure of the Metro station is underpinned by temporary piles and the underpinning plate is regarded as cover of cut and cover construction. The temporary support of existing piles and structures and the treatment of connection points between underpinning plate and existing foundation pile and those between underpinning plate and steel pipe column are the construction keys and difficulties of the project. During the pile foundation underpinning construction, H-shaped temporary support system is set according to amount of main beam on existing pile foundations and the adjacent temporary column should be connected in time. During the construction of connection between underpinning plate and foundation pile, part of concrete of foundation of pile foundation is cut off and the rebar is kept. During the construction of connection between underpinning plate and steel pipe column, the pile top rebar reserved is inserted into underpinning plate and then casted. The site monitored deformation results show that the above-mentioned technologies are feasible and rational.

Metro station; pile foundation underpinning; cut and cover method; existing pile foundation; underpinning plate

2016-06-15;

2016-11-05

史金洪(1963—)，男，山東武城人，1983年畢業(yè)于中國(guó)人民解放軍鐵道兵工程學(xué)院，隧道專業(yè)，本科，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事隧道與地下工程施工、科研及管理工作。E-mail： Ztshijh@126.com。*通訊作者： 瞿曉巍，E-mail： 153990780@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.02.015

U 45< class="emphasis_bold"> 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

B

1672-741X(2017)02-0223-07