韋青岑， 張俊儒， 何基香

(1. 中鐵二院工程集團有限責任公司地鐵設計研究院, 四川 成都　610031；2. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都　610031；3. 中國華西工程設計建設有限公司， 四川 成都　610031)

0　引言

國內外城市化高速發(fā)展的今天，地鐵設計和施工環(huán)境越來越復雜。一方面，隧道下穿既有建(構)筑物的情況越來越普遍，在既有建(構)筑物下方修建隧道的方法很多，樁基托換技術是一種相對安全、可靠、對周邊環(huán)境影響小的施工方法； 另一方面，隨著城市地鐵建設規(guī)模的進一步發(fā)展，大型地鐵換乘車站超寬深基坑[1]也越來越多。因此，在地鐵車站施工中，會出現超寬深基坑內既有高架橋梁樁基托換技術問題。目前國內學者對該問題主要進行了以下研究： 史金洪等[2]研究了地鐵車站采用蓋挖法施工時的樁基托換技術； 許東[3]采用樁基托換技術解決了橋梁樁基大跨度托換梁受力兩次轉換、橋梁托換結構與車站圍護及主體結構一體化設計的難點和重點問題，采用了主動與被動托換相結合的方案； 李文等[4]以地鐵車站高架橋墩樁基托換為例，主要對樁基托換方案設計、施工工藝及安全監(jiān)測等做了論述； 楊予等[5]對地下室擴增層托換樁-柱置換節(jié)點進行有限元計算，對其薄弱區(qū)應力進行了分析； 陳晨等[6]對地下車站通道采用蓋挖法托換技術進行了研究； 文獻[7-8]研究了大直徑微型鋼管樁、擴大板式基礎、地基加固等樁基托換技術，確保盾構掘進過程中隧道上方建筑物的安全； 宋南濤[9]提出采用拱形門式結構進行樁基托換后，再破除原有樁體，最后采用盾構空推拼裝管片的方式通過下穿既有樁體段； 文獻[10-11]重點闡述了進行樁體托換過程中的信息化管理和系統控制工作，指出在樁基托換過程中應實施動態(tài)施工; 黃新民[12]研究了“頂托+加固”主動加固法對既有人行天橋的保護技術措施，確保盾構施工過程期間人行天橋的營運安全及盾構隧道的施工安全?，F行關于樁基托換技術的規(guī)范、規(guī)程[13-15]主要對樁基托換中新舊混凝土界面處理、植筋要求、群樁布置、群樁與承臺連接等做了規(guī)定。

以上研究大多針對低樁承臺樁基托換技術，對地鐵車站超寬深基坑內既有橋樁采用高樁承臺樁基托換技術的相關研究較少，也未找到類似工程經驗可以借鑒?；谝陨媳尘埃疚囊劳蟹鹕降罔F換乘車站張槎站，對地鐵車站超寬深基坑內既有高架橋梁采用高樁承臺樁基托換關鍵技術展開研究。

1　工程概況

1.1　車站概況

張槎站為佛山地鐵2號線與規(guī)劃4號線的換乘車站(地下站)，車站采用雙島四線同站臺的換乘形式，其中2號線車站線路位于中間，4號線線路位于兩側，2、4號線同步修建。為吸引客流需要，車站設置在季華路與禪西大道交叉路口，受禪西大道高架橋跨度的限制，車站主體須布置于兩跨橋樁之間，導致2個橋墩侵入車站深基坑中央。車站長度為206 m，標準段寬度為50.3 m，埋深16.9 m，采用明挖法施工，總平面圖如圖1所示。

圖1　張槎站總平面圖(單位： m)

車站主要控制條件為： 禪西大道高架橋、東側南北大涌、在建廣佛環(huán)高架站和重要的地下管線(如給水管、雨水箱涵、燃氣管、電力管等)。下面重點介紹車站下穿禪西大道高架橋部分基坑方案和橋梁保護方案(其他控制條件按常規(guī)協調處理)。

1.2　禪西大道高架橋與車站結構關系

禪西大道為一級公路，采用橋梁跨越季華路，為雙向6車道，于2014年4月通車。禪西大道橋梁為雙線曲線公路橋，結構形式為預應力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，梁下墩為雙柱墩，墩臺下設矩形承臺，尺寸為8.8 m×2.3 m×1.5 m(長×寬×高)，承臺下為2根φ1 800 mm鉆孔灌注樁基礎，12#墩身下左幅樁長35 m，右幅樁長36 m，13#墩身樁長27 m，14#墩身下左幅樁長38 m，右幅樁長41 m，樁端均進入中風化巖層。

長度約60 m的部分車站位于禪西大道高架橋下，該處凈高僅為7 m，橋下基坑寬度為50.3 m，位于12#、14#橋墩之間，車站地下連續(xù)墻與兩側12#、14#橋墩承臺最近距離分別約為3.49、 2.73 m， 13#橋墩承臺位于車站中部。車站與高架橋關系如圖1所示。

2　重難點分析

張槎站車站下穿禪西大道高架橋處車站基坑方案和橋梁保護方案存在以下重難點。

1)禪西大道高架橋保護難度大。禪西大道橋基礎形式為樁基礎，為一墩一樁，車站基抗開挖及支護會對基坑兩側樁及侵入基坑中央樁產生較大的影響，施工風險大、保護難度大。

2)橋下施工條件困難。車站局部位于禪西大道高架橋下方，橋下凈高低矮，施工條件受限，圍護結構施工及土石方開挖困難。

3)工程地質條件較差。本段車站基坑從上到下地層依次為〈1-2〉素填土、〈2-1〉淤泥、〈2-4-2〉可塑性黏性土、〈6〉全風化泥質砂巖、〈7〉強風化泥質砂巖、〈8〉中風化泥質砂巖； 基坑面以上主要為填土層、淤泥層、黏性土層，淤泥層較厚，地質條件較差； 基坑底位于全風化、強風化地層。

3　關鍵技術研究

3.1　既有高架橋樁基托換技術

根據竣工資料，13#橋樁樁端進入中風化地層，為端承摩擦樁，車站基坑開挖使13#橋樁樁身土體提供的樁側摩阻力喪失。經計算，原樁基承載力不足，導致13#橋樁存在沉降和安全風險，所以有必要對13#橋樁進行樁基托換處理。

3.1.1樁基托換方案選擇

方案1： 低承臺主動托換方案。即在原被托換樁周邊一定寬度內采用密排樁，部分樁兼作圍護樁及托換樁(如圖2陰影部分，樁長30.85 m，為端承樁)，其他樁僅為圍護樁(樁長與外側圍護結構一致)。密排樁與基坑3道內支撐連接牢靠，中間土體及原樁保留，并與內支撐對托換結構形成較大的約束力，確保托換體系的整體穩(wěn)定性?；娱_挖過程中，為防止基坑內支撐巨大的軸力使原樁中間土體破壞，導致基坑兩側地下連續(xù)墻發(fā)生較大變形而存在安全風險，需要對原樁中間土體進行注漿加固，提高其承載力。該方案的托換方式為主動托換，如圖2所示。

(a) 平面圖(b)A-A剖面圖

圖2低樁承臺主動托換方案

Fig. 2Active underpinning scheme for low pile cap

方案2： 高樁承臺主動托換方案。即在13#樁(沿垂直高架橋方向)兩側各新增托換樁，不保留托換樁中間土體，僅保留原樁，基坑內支撐穿過托換樁及原樁形成對撐，內支撐不與托換樁連接(第1道支撐與新增承臺局部連接除外)，以新增托換樁為基礎新建高樁承臺，新建高樁承臺包裹原承臺形成一個整體，并采用主動托換，如圖3所示。

(a) 平面圖(b)B-B剖面圖

圖3高樁承臺主動托換方案

Fig. 3Active underpinning scheme for high pile cap

兩方案的主要區(qū)別在于是否保留原樁中間土體，托換樁是否與內支撐連接。方案1為低承臺主動托換，托換結構與內支撐連接，受力不明確，對車站使用功能影響和削弱大，基坑變形容易對托換結構造成偏載，而且施工工序復雜，可實施性差； 方案2為高樁承臺主動托換，基坑、托換體系受力相對明確，施工過程相互影響較小，施工風險較小，可操作性強，對車站功能影響相對較小，故推薦采用方案2。兩方案對比情況見表1。

表1　托換方案對比表

3.1.2高樁承臺主動托換方案簡介

1)承臺基坑設計?；由罴s4.1 m，基坑保護等級為Ⅲ級，采用放坡開挖，放坡率為1∶1，面層噴100 mm厚C20混凝土護坡，內置φ8@200×200鋼筋網。

2)承臺設計。尺寸為13 500 mm×7 700 mm×3 500 mm(長×寬×高)，采用鋼筋混凝土結構，承臺混凝土為C35、P8防水混凝土，長、短邊方向均配置φ25@150(HRB400級)鋼筋。

3)新建托換樁。采用C35鉆孔灌注樁，根據托換體系穩(wěn)定性、樁承載力計算，托換樁的根數為每墩各6根，直徑均為1 200 mm，托換樁長為30.85 m，且樁底進入〈8-2〉中風化砂巖不小于2 m。

4)新建承臺和被托換樁、承臺及橋墩的連接。主要通過它們相互之間的咬合、界面處理和植筋實現，即把被托換樁、承臺在與新建承臺相接觸部位表面鑿毛，深度宜為10～20 mm，并進行界面處理；沿原承臺、被托換樁周圍植入φ25@250鋼筋，植入既有承臺、樁長不小于21d(d為植筋直徑)，植入鋼筋和樁之間的縫隙用強植筋膠充填，如圖4所示。

Fig. 4Connection drawing of existing and new cap and pile foundation

5)預頂。在新建承臺底和托換樁頂分別預埋鋼板，待承臺、樁達到設計強度后，把千斤頂安放在托換樁頂的預埋鋼板上，進行分級加載，同時要求加強對被托換樁、新建承臺和橋墩、高架橋面板的監(jiān)測。待新建承臺、托換樁基及橋梁結構變形穩(wěn)定后，將千斤頂卸荷至穩(wěn)壓荷載。

6)新建承臺與托換樁的連接。托換樁預留連接鋼筋，預頂完成后，采用焊接將新建承臺、托換樁預留鋼筋連接起來，澆注C30微膨脹混凝土，將新建承臺和托換樁連接成為一個整體，同時將千斤頂、鋼墊塊澆注其中，如圖5所示。

圖5　新建承臺、樁連接大樣圖

7)新建托換系體與車站主體結構關系及處理。由于車站基坑超寬，參照文獻[2]將高樁承臺托換體系進行二次托換(將新樁荷載轉換至基坑外側)的難度太大，因此，考慮將該托換體系永久保留，由車站主體側墻將其包裹在內(該區(qū)域為設備區(qū)，對建筑功能影響較小)，結構相互分離，側墻與托換體之間的間隙采用C10混凝土填充。

8)既有樁處理。既有樁位于托換樁內側，預頂完成之后，保留該樁，基坑開挖、架設內支撐時考慮避開既有樁及托換樁。

9)同步頂升預防沉降措施。橋樁主動托換及基坑施工全過程均應在13#墩柱頂布置超薄液壓千斤頂同步頂升系統預防橋梁沉降,單幅橋支座處千斤頂總起質量不小于800 t；當梁底沉降達到10 mm時，啟動頂升系統，確保橋梁梁底沉降不大于10 mm。頂升控制的核心是“因勢利導”，按照橋梁沉降變形的現狀，動態(tài)調整千斤頂布置和頂力分布，主動控制橋梁沉降的發(fā)展；同時，采取在梁底粘貼鋼板等補強措施，增強橋梁自身抵抗變形的能力，確保既有橋梁的安全運營。

3.1.3高樁承臺主動托換施工步驟

13#墩頂布置超薄液壓千斤頂同步頂升措施(以下施工全過程根據監(jiān)測情況啟動同步頂升措施)為： 托換樁施工—新建承臺基坑開挖—施工新建高樁承臺(通過植筋與原承臺、樁、墩連成一體) —各托換樁頂與承臺之間通過千斤頂頂升，使13#墩荷載全部傳到新增托換樁上—各托換樁頂與承臺之間采用微膨脹混凝土后澆連成整體(千斤頂埋入后澆混凝土中)—車站主體基坑開挖及主體結構施工—回填覆土。

3.2　既有高架橋下超寬深基坑支護安全措施

3.2.1超寬深基坑設計

采用控制變形能力較好、止水效果較好的地下連續(xù)墻作為車站基坑圍護結構，地下連續(xù)墻(厚800 mm)墻底插入深度不小于5.5 m(基底為全風化、強風化層)；豎向設置3道混凝土支撐，第1道采用1 000 mm×1 100 mm混凝土支撐，第2、3道均采用1 200 mm×1 300 mm混凝土支撐，支撐間距為5～6 m。由于基坑寬度超寬，需要通過增設臨時立柱確保支撐在豎直方向的穩(wěn)定性； 同時，通過在臨時立柱之間增設系梁(4排)，確保水平方向的穩(wěn)定性。

3.2.2內支撐與13#樁、新舊樁關系處理措施

內支撐與新舊樁布置相互避讓，內支撐從樁中間穿過形成對撐。13#樁托換結構施工完成后、基坑開挖前，施工基坑第1道混凝土支撐，并與新建高樁承臺(通過預埋接駁器)連接牢固。向下開挖過程中，注意確保樁基周圍土體對稱開挖，以減少不平衡土壓力對樁的影響，第2、3道內支撐與托換樁之間沒連接，保持相對獨立。

3.2.3地下連續(xù)墻設計及施工措施

禪西大道橋下凈空低矮，橋面下地下連續(xù)墻施工困難，地下連續(xù)墻成槽不能采用一般的成槽機施工，而采用小型鉆機進行成槽施工，地下連續(xù)墻幅寬由一般段的6 m調整為4 m。同時，受橋下作業(yè)空間限制，吊裝機械小，吊裝能力有限，每幅地下連續(xù)墻(寬4 m)鋼筋籠需分批吊裝分段連接。

3.2.4車站基坑兩側12#、14#橋樁保護措施

根據竣工資料，12#、14#橋樁樁進入中風化地層，為端承樁，與車站基坑距離較近，基坑開挖會引起12#、14#的側向變形，保護方案如下。

1)地下連續(xù)墻成槽前先進行槽壁加固，減少成槽對橋樁的擾動。橋下地下連續(xù)墻施工因受橋下凈空的限制，地下連續(xù)墻成槽時間長，且側壁有〈2-1A〉淤泥，自穩(wěn)能力差、場區(qū)地質差，施工中槽壁有坍槽的可能。為降低橋面下地下連續(xù)墻施工坍槽對12#、14#橋樁的影響，在橋面下地下連續(xù)墻縱向60 m范圍內槽壁外側采取高壓旋噴加固，旋噴樁采用φ600@450單管旋噴樁，加固深度為地面以下17 m，且進入強風化巖面以下不小于1 m。

2)增加基坑圍護結構剛度，限制其開挖后變形。為減少基坑沉降及側向變形對橋梁樁基的影響，本站下穿禪西大道段圍護結構采取800 mm厚地下連續(xù)墻+3道混凝土支撐限制基坑變形，并采用對撐段加板撐、增大此段插入深度、減小地下連續(xù)墻墻幅、地下連續(xù)墻接頭采用工字鋼接頭等措施來增大圍護結構剛度，達到控制基坑變形的目的。

3)跟蹤注漿(見圖6)。為減少12#、14#橋墩側向變形，除采取以上措施之外，根據基坑施工監(jiān)測情況(12#、14#橋墩變形達預警值時)，在主體基坑外與12#、14#橋墩之間進行跟蹤注漿，采用地面袖閥管注漿，注漿參數如下： 漿液類型為1∶1水玻璃+水泥雙液漿(材料為42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰質量比為 0.8∶1～1∶1，水玻璃波美度為35 °Bé，模數為2.6)； 漿液擴散半徑R=65 cm； 注漿孔間距為500 mm×500 mm，梅花形布置； 注漿壓力，初壓為0.5～1.0 MPa，穩(wěn)壓為2.0～3.0 MPa； 注漿范圍，12#、14#橋墩從承臺下開始注漿，向下深度以穿過淤泥質土進入強風化巖面以下不小于1 m為注漿范圍。

圖6　跟蹤注漿大樣圖

3.2.5基坑開挖對托換體系穩(wěn)定性影響控制措施

由于本托換體系采用高樁承臺托換，基坑開挖及內支撐架設可能會對其產生較大影響。因此，除托換體系自身剛度滿足穩(wěn)定性等要求外，對于托換體系附近基坑，應注意對稱開挖，以減少不平衡土壓力對托換體系的影響；同時將原樁中間土體挖掉，并將內支撐穿過托換樁及原樁形成對撐，以避免兩側基坑不對稱變形對托換體系的影響。

4　數值模擬計算分析

4.1　計算模型及物理力學參數

針對張槎站車站下穿禪西大道橋部分車站結構基坑方案和橋梁保護方案設計，為確保方案安全、合理、可行，采用有限元軟件對本方案施工過程進行數值模擬計算分析。由于該工程基坑規(guī)模比較大，計算截取了橋樁影響范圍內的開挖基坑區(qū)域進行空間三維有限元數值模擬計算分析，采用的模型如圖7所示。數值模擬計算充分考慮了基坑施工過程的影響范圍，模型長(X方向)120 m，寬(Y方向)80 m，深(Z方向)50 m。土體采用D-P本構模型實體單元模擬，內支撐采用梁單元模擬，地下連續(xù)墻、車站和基坑樓板均采用板單元模擬，臨時和永久立柱均采用梁單元模擬，以上結構單元都采用彈性本構模擬。數值模擬計算的物理力學參數見表2。

(a) 整體模型圖(b) 結構模型圖

圖7模型圖

Fig. 7Model diagrams

表2數值模擬計算物理力學參數表

Table 2Physico-mechanical parameters of numerical simulation calculation

地層及材料彈性模量/kPa泊松比重度/(kN/m3)內聚力/kPa內摩擦角/(°)備注填土層6.0×1030.4　18.0　15　10巖土淤泥層3.0×1030.5　15.0　3　8巖土粉質黏土2.5×1040.33　19.4　25　16巖土　全風化泥巖6.0×1040.3　21　26　20巖土　強風化泥巖1.2×1050.28　23　50　21巖土　中風化泥巖3.0×1050.2　14　100　23巖土C353.15×1070.167　25結構構件

4.2　計算結果及分析

部分計算結果如圖8所示。根據國內規(guī)范和橋梁產權單位相關要求，結合國內地鐵工程經驗，本工程橋樁基沉降控制值為-15～15 mm，相鄰支座的差異沉降為-5～5 mm，高架橋樁基水平位移控制在-10～10 mm。由計算結果可知，本方案樁基托換體系最大沉降量為13.5 mm<15 mm，差異沉降為3 mm<5 mm，最大水平位移為5.0 mm(順橋向)<10 mm，計算結果滿足相關要求。

(a) 橋樁水平向變形(X方向)云圖

(b) 橋樁水平向變形(Y方向)云圖

(c) 橋樁豎向變形云圖

5　現場施工及監(jiān)測情況

張槎站車站下穿禪西大道高架橋部分車站基坑及樁基托換施工，截至2017年6月已完成車站中間13#橋基托換，車站基坑已開挖至基底，并已施作大部分主體結構(見圖9)。根據現場監(jiān)測數據，13#橋墩最大沉降為11 mm(數值模擬值為13.5 mm)，墩柱最大差異沉降為2.7 mm(數值模擬值為3.0 mm)，兩側12#、14#樁基最大水平變形為4.8 mm(數值模擬值為5.0 mm)?，F場監(jiān)測數據與數值計算結果比較接近，均小于規(guī)范及產權單位規(guī)定的控制值，施工過程中基坑及既有橋梁未出現險情，既有橋梁未出現變形和開裂。

(a) 橋梁及基坑總體照片

(b) 舊樁與托換結構照片

(c) 舊樁與內支撐照片

6　結論與討論

本文以佛山地鐵張槎站為背景，針對車站位于禪西大道橋下低矮空間條件下，樁基托換及超寬深基坑設計存在的技術難題進行研究，主要得到以下結論。

1)首次提出高樁承臺主動托換技術，并在佛山地鐵張槎站成功實施。運用高樁承臺主動托換技術對既有13#橋樁進行托換，將原樁力傳到新增樁上，新舊樁基與基坑內支撐相對獨立，基坑、托換體系受力相對明確，使施工過程相互影響達到最小。

2)橋下空間低矮、車站基坑超寬，通過采用對撐(穿過新舊樁)的內支撐形式，并增設臨時立柱及連梁確保內支撐的整體穩(wěn)定，保證了車站基坑及橋墩結構的安全；通過改善圍護結構設計及施工工藝提高了橋下施工效率。

3)本文提出的高架橋樁基侵入地鐵車站深基坑的樁基托換關鍵技術，如高樁承臺樁基托換技術、低矮空間下超寬深基坑方案，并在張槎站成功實施，可為今后類似工程的修建提供借鑒和參考。但同時還存在進一步研究和探討的空間，如能否取消臨時支頂，低矮空間下主動托換空間十分有限，能否采用被動托換等。