钢管桩托换法在隧道工程中扩大承台结合的应用

　　摘要:某隧道工程穿越某8层钢筋混凝土框架结构房屋时，房屋有20根桩处在盾构掘进影响区域内，若按原导线方向掘进，则需对该范围内的桩进行托换或加固处理。通过对该位置地质钻探相关数据结合房屋桩基础类型及其受力特点进行综合分析后，提出了采用扩大承台结合钢管桩托换方案。扩大承台结合钢管桩托换法在某隧道工程中的成功应用，对同类工程设计及施工具有指导及参考价值。
　　关键词:扩大承台;钢管桩托换;托换技术;
　　0引言
　　桩基托换技术，是将楼底有隧道穿过的楼房的桩与上部结构分离，既有桩基承受的上部荷载有效地转移到新托换结构上。本文将介绍扩大承台结合钢管桩托换法在隧道工程中的应用,并介绍了桩基托换的总体方案、设计方法。
　　1工程概况
　　本建筑物层高3.0m,基础为钻孔桩基础，单桩承台和两桩承台，桩径为0.8m和1.0m，φ800单桩承载力为2000kN,φ1000单桩承载力为3500kN。桩身混凝土强度为C20，桩长为20~23m，桩端入中~微风化泥岩1.0m。该建筑物有13根桩桩端处于盾构掘进区域，7根桩处于隧道外1m影响线内或属于双桩承台而受到盾构掘进时间接影响，即有20根桩需进行托换或加固处理，桩基位于隧道开挖区，属于隧道建设中难度较大桩基群托换问题，如图1.1，图1.2所示。
　　周边建筑物情况：该栋建筑物西临宽4m的某街，东侧为宽4.8m的街道，其南边7.5m处为A125房屋（7层），西边7.0m处为A124房屋（9层）。
　　周边管线情况：根据线路总体及承包商提供的地下管线资料，本施工场地内的筏板托换施工不需迁改地下管线。
　　图1.1平面布置图(单位:mm)图1.2桩基与隧道位置关系图
　　隧道轴线埋深为23m左右，盾构机身长8.0m，盾构外径为6.3m，盾构刀盘外径比盾构壳外径大10mm，衬砌每环1m宽，厚0.3m。
　　土层地质情况如表1-1，表1-2所示。
　　表1-1隧道穿过区岩土层特性
　　层号 岩土名称 主要工程地质特征 开挖后土岩
　　稳定状态 层厚（m）
　　<1> 人工填土 松散-稍密,均匀性差,土层
　　透水性较强 易崩塌 0～3
　　<2-1B> 淤泥质土 软塑,土层透水性弱 不能自稳 3～6.3
　　<3-1> 粉细砂 饱和,松散-稍密,透水性弱 不能自稳，易塌 6.3～11.3
　　<5-2> 残积硬塑状粘性土 可塑状,粘性较强,微透水性 自稳性较差 2.3~5.0
　　<6> 全风化岩层 岩石结构已基本破坏,已风化成土状,透水性稍弱 自稳性较好 11.3～15.9
　　<7> 强风化岩层 呈半岩半土状,碎块状,风化裂隙发育,弱渗透性 自稳性较好,但
　　易掉块 15.9～19.7
　　<8> 中风化岩层 软质岩,裂隙较发育,透水性中等 自稳性较好,但
　　易掉块 19.7～27.6
　　<9> 微风化岩层 软质岩，裂隙稍发育，微渗透性 自稳性较好 27.6～
　　表1-2各层土体参数表
　　岩土名称 厚度
　　（m） 含水率ω（%） 密度(g/cm3) 压缩模量Es（MPa） 泊松比
　　μ 黏聚力c（kPa） 内摩擦角φ(°) 弹性模量E（MPa）
　　人工填土层 3 35.0 1.80 4.00 0.38 15.0 12.0 10
　　淤泥质土层 3.3 49.4 1.65 2.50 0.42 5.0 5.2 6
　　粉细砂层 5 25.0 1.90 8.00 0.27 / 30.0 15
　　全风化粉砂质泥岩 3 23.7 2.00 7.50 0.28 35.0 24.0 50
　　强风化粉砂质泥岩 3.8 22.2 2.10 9.00 0.25 50.0 26.0 90
　　中风化粉砂质泥岩 8 / 2.20 / 0.23 600 38.0 500
　　微风化粉砂质泥岩 19 / 2.21 / 0.2 1000 40.0 2000
　　盾构管片   2.4  0.2   24000
　　桩基   2.4  0.2   24000
　　梁、柱   2.4  0.2   24000
　　2托换方案设计
　　2.1原桩单桩承载力复核
　　对处于隧道附近B、C轴上的桩，根据桩端地质、桩基规范及隧道工程托换经验，无论桩端是否侵入隧道，计算桩剩余承载力时，仅考虑桩的隧道顶上方约3m处以上发挥作用，对于距离隧道较远的其他轴线上的桩，则不考虑盾构通过时对其承载力的影响。选取钻孔MFZ3-YD-01A，对应表2-1，来计算隧道上方ZJ9～ZJ12；ZJ20～ZJ23的8个桩的剩余承载力。
　　 表2-1桩身地层分布图1 
　　地层编号 层厚
　　（m） 桩侧摩阻力经验值(kPa)
　　桩端阻力经验值(kPa)
　　地层编号 层厚 桩侧摩阻力经验值
　　(kPa)
　　桩端阻力经验值
　　(kPa)
　　〈1〉 ＞0.2 8  〈6〉 1.3 50 
　　〈2-1B〉 3.3 8  〈7〉 4.1 70 
　　〈3-1〉 4.7 11  〈8〉   
　　〈5-2〉 2.3 40  〈9〉   
　　不考虑〈2-1B〉、〈3-1〉的摩阻力作用，桩径为800的桩剩余承载力为：
　　=3.14×0.8×(40×2.3+50×1.3+70×4.1)/1.00
　　=1115/1.00≈1050KN<2000KN 
　　式中Ks=1/[(0.8/d)(1/3)]，d为钻孔桩桩径，
　　桩径为1000的桩剩余承载力为：
　　=3.14×1.0×(40×2.3+50×1.3+70×4.1)/1.05≈1300KN<3500KN
　　故桩径为800和1000的原桩剩余承载力均小于桩基资料中原桩的容许承载力。
　　下面表2-2列出原桩的上部荷载标准值和原桩剩余承载力数值大小关系。
　　表2-2原桩上部荷载标准值和原桩剩余承载力数值
　　桩编号 上部荷载标准值
　　(KN) 原桩剩余承载力(KN) 是否满足上部荷载要求 桩编号 上部荷载标准值
　　(KN) 原桩剩余承载力(KN) 是否满足上部荷载要求
　　ZJ9 872 1050 是 ZJ19 996 1150 是
　　ZJ10 872 1050 是 ZJ20 1189 1050 否
　　ZJ11 1221 1050 否 ZJ21 1189 1050 否
　　ZJ12 1221 1050 否 ZJ22 1855 1300 否
　　ZJ13 1009 1200 是 ZJ23 1855 1300 否
　　ZJ14 1009 1200 是 ZJ24 1428 1200 否
　　ZJ15 1562 1500 否 ZJ25 1428 1200 否
　　ZJ16 1238 1200 否 ZJ26 1496 1500 是
　　ZJ17 1238 1200 否 ZJ27 1714 1500 否
　　ZJ18 996 1150 是 ZJ28 1416 1400 否
　　由上表知，处于隧道上方的20根桩中，有13根桩的剩余承载力是不满足上部荷载要求。同时本建筑物的形状不规则，侧“凹”形，盾构机直接推过，可能发生较大的柱子沉降和框架梁裂缝。当地住户对宿舍的安全敏感度高，如产生不利结果社会影响大，从理论、建筑物的结构形式及盾构机的施工风险上，均应对隧道上方可能受影响的桩进行桩基托换处理。
　　2.2托换基本原则
　　(1)新托换结构体系的承载力有足够的保证和储备；
　　(2)托换体系的总变形应控制在原建筑物允许的局部附加变形范围以内；
　　(3)托换施工过程中必须保证把上部荷载从原来的桩基上可靠的转换到新的托换结构体系上，并有效控制被托换结构在施工中的有害变形；
　　(4)桩基托换后应保证区间隧道的施工安全，并严格控制隧道施工对新托换结构的影响和破坏；
　　(5)桩基托换施工不得改变原建筑物的使用功能。
　　3扩大承台结合钢管桩托换方法
　　本建筑物下基础大部分为二桩承台，布置不规则，且承台之间距离较小，桩梁托换方案不易布置。本建筑物下部存在约3m厚淤泥质土和5m厚粉细砂层，采用筏板托换方案，需对此软弱地基进行加固处理，而此处临近珠江，通常的地基处理方案因动水影响，加固效果难保证，故也不宜采用筏板托换方案。根据建筑物下的地质资料，盾构隧道顶部上方存在较厚的强、中风化岩层，盾构通过后原桩的剩余承载力仍较大，故可采取扩大承台＋钢管桩托换方案来承担部分上部荷载；原桩承台布置不规则且距离较近，故扩大承台后就连在一起成为筏板，可以加强基础的整体性和协调变形。
　　托换前隧道位置关系如图3.1所示，钢管桩施工后，原桩、新钢管桩与隧道的相对关系如图3.2所示。
　　图3.1托换前隧道位置关系图图3.2托换后位置关系图
　　3.1托换钢管桩的布置
　　建筑物○A~○C轴下的部分桩基侵入隧道，盾构通过时，原桩仍有部分剩余承载力，故可采用新增加的钢管桩和剩下的原桩一起来承担上部荷载，故新增的钢管桩主要布置在受影响的被托换桩和底柱周围。托换钢管桩的布置，是跟据上部荷载标准值＋新增筏板的自重与原桩剩余承载力差值来计算，且托换桩间距满足最小间距750mm的要求，忽略新增筏板下土对上部荷载的分担作用，筏板厚0.8m，具体布置的个数见下表3-1：
　　表3-1钢管桩数目统计表
　　桩编号 上部荷载＋筏板重量－原桩剩余承载力(KN) 理论所需布置钢管桩数目 实际布置钢管桩数目 桩编号 上部荷载＋筏板重量－原桩剩余承载力(KN) 理论所需布置钢管桩数目 实际布置钢管桩数目
　　ZJ9 -22 0 6 ZJ20 305 2 8
　　ZJ10 -22 0  ZJ21 305 2 
　　ZJ11 387 2 6 ZJ22 785 4 10
　　ZJ12 387 2  ZJ23 785 4 
　　ZJ13 -6 0 6 ZJ24 425 2 8
　　ZJ14 -6 0  ZJ25 425 2 
　　ZJ15 308 2 4 ZJ26 255 2 3
　　ZJ16 230 1 6 ZJ27 620 3 4
　　ZJ17 230 1  ZJ28 320 2 4
　　ZJ18 -19 0 6    
　　ZJ19 -19 0     
　　故在原桩周围理论上共需布置31根钢管桩，实际布置了71根，另考虑到新增筏板的自重影响，在钢管桩间距较大处，也布置了钢管桩，总共在筏板下布置了83根钢管桩。
　　下面对托换区○A~○C轴下基础的承载力进行整体核算：
　　柱子上部荷载标准值：35271KN；
　　筏板自重：25KN/m3×24.53m×12.38m×0.8m=6074KN；
　　○A~○C轴下原桩的剩余承载力：43300KN；
　　新增83根钢管桩的竖向总承载力：20750KN；
　　桩基上总荷载标准值为：N=35271＋6074=41345KN；
　　筏板下所有桩基的竖向承载力为：R=43300＋20750=64050KN>41345KN；
　　可见，经过托换后，筏板下桩基的竖向承载力远大于桩基上部总荷载，故托换方案的承载力满足上部荷载要求。
　　4结语
　　本工程通过计算理论结合工程实践将扩大承台结合钢管桩托换方案成功应用于隧道工程中，对工程地质钻探各项数据的充分掌握以及对局部、整体结构受力的深入分析为方案的提出直至方案成功的应用奠定了基础，原结构包括地基基础各项性能指标和周围环境条件则决定了托换体系的类型及托换方法。针对本工程的特点，提出了采用扩大承台结合钢管桩托换方案，并对托换后原桩承载力和钢管桩承载力进行验算，证明该方法的可行性。扩大承台结合钢管桩托换法在本工程中的成功应用，对同类工程设计及施工具有指导及参考价值。