在地鐵建設(shè)過程中,地鐵隧道往往不可避免地在現(xiàn)有建筑物下方地基中穿過.當(dāng)現(xiàn)有建筑物的基礎(chǔ)是樁基時(shí),隧道施工將減弱甚至破壞這些樁基的承載力.為了保護(hù)現(xiàn)有建筑物安全,必須在現(xiàn)有建筑物下方設(shè)計(jì)建造一個(gè)托換結(jié)構(gòu),使建筑物荷載從原樁基安全地轉(zhuǎn)移到新托換結(jié)構(gòu)上.這一托換結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受所托換的全部荷載,并避開隧道施工范圍,確保建筑物在樁基托換施工、隧道施工和地鐵運(yùn)營(yíng)期間的安全.雖然在國(guó)內(nèi)地鐵建設(shè)中遇到的建筑物樁基托換工程越來(lái)越多,但面對(duì)這種難度大且以前很少遇到的特種工程,工程技術(shù)人員 目前 可借鑒的工程實(shí)例很少,可 參考 的托換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法更是缺乏.托換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為當(dāng)前急需解決的 問題 .

 在某些條件下,盡管可考慮設(shè)置樹根樁進(jìn)行托換或通過注漿改良地基的托換方法[1],但受到地質(zhì)條件、樁基類型、隧道位置和托換荷載等條件的限制,在大部分情況下并不適用.采用樁梁式托換結(jié)構(gòu)對(duì)建筑物實(shí)施樁基托換,具有結(jié)構(gòu)布置靈活的優(yōu)點(diǎn),是一種適用性廣、安全性佳的樁基托換技術(shù),被廣泛應(yīng)用于地鐵建設(shè)過程中的建筑物樁基托換工程.本研究對(duì)樁梁式托換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討,并提出樁梁式托換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)概念和計(jì)算方法.

 

1 樁梁式托換結(jié)構(gòu)的概念

 

 樁梁式托換結(jié)構(gòu)是指用于托換建筑物樁基、由若干托換樁和托換梁組成的托換結(jié)構(gòu)體系,典型的樁梁式托換結(jié)構(gòu)立面布置如圖1所示.托換樁采用鉆孔灌注樁、挖孔灌注樁或鋼管灌注樁等樁型.托換梁采用鋼筋混凝土梁,為減少撓度變形在托換梁內(nèi)實(shí)施預(yù)應(yīng)力張拉,托換梁通過新舊砼交接面與被托換建筑物的結(jié)構(gòu)相連,新舊交接面需承受并傳遞全部的托換荷載.

 

2 隧道施工通廊的概念

 

 假設(shè)隧道襯砌外徑為ｄ,綜合考慮隧道施工的方位偏差、隧道施工對(duì)地基土的擾動(dòng)和托換樁施工的方位偏差等三方面因素,將隧道襯砌外沿1ｍ定義為隧道施工通廊,即隧道施工通廊的直徑取Ｄ=ｄ+2ｍ,托換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求:

 

1) 對(duì)于樁身侵入隧道施工通廊范圍內(nèi)的原基礎(chǔ)樁應(yīng)進(jìn)行托換,托換荷載取該樁承受的全部荷載;

 

2) 對(duì)于樁端位于隧道施工通廊上方的原基礎(chǔ)樁,應(yīng)考慮樁的持力層情況、確定該樁是否托換及托換荷載的取值;

 

3) 新設(shè)的托換樁應(yīng)該位于隧道施工通廊的范圍以外.

 

3 樁梁式托換結(jié)構(gòu)的變形控制

 

3.1 被托換建筑物的變形

 

 被托換建筑物的變形由以下兩部分組成:

 

1)在托換結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工期間,由于地基土?xí)�受到托換樁施工和托換梁基坑施工的擾動(dòng),因而樁基產(chǎn)生附加沉降.

 

2)在原樁基分離施工和隧道施工期間,托換結(jié)構(gòu)承受荷載而產(chǎn)生變形.

 

 在進(jìn)行樁基托換工程的過程中,樁基附加沉降主要依靠采取有效的施工技術(shù)措施來(lái)加以控制,而托換結(jié)構(gòu)的變形則需要通過合理的托換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行十分嚴(yán)格的控制.

 

3.2 樁梁式托換結(jié)構(gòu)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)

 

 被托換建筑物的自身變形已在托換前完成,托換過程對(duì)建筑物而言是一個(gè)二次變形,并且這一過程是在相對(duì)短暫的時(shí)間內(nèi)完成的.建筑物耐受二次變形的能力,低于新建建筑物耐受自身一次變形的能力,托換結(jié)構(gòu)的變形允許值應(yīng)小于新建建筑物的變形允許值.綜合考慮托換工程的變形特點(diǎn)和工程經(jīng)驗(yàn),建議對(duì)樁梁式托換結(jié)構(gòu)的變形實(shí)行絕對(duì)變形和相對(duì)變形雙控制標(biāo)準(zhǔn):

 

1) 托換樁樁頂沉降量不宜大于3ｍｍ,托換梁撓度值不應(yīng)大于5ｍｍ,托換結(jié)構(gòu)最大豎向變形不宜大于8ｍｍ;

 

2) 建筑物的最大相對(duì)沉降量不宜大于0.8‰,不應(yīng)大于1.0‰.

 

3.3 樁梁式托換結(jié)構(gòu)的變形控制措施

 

 1)結(jié)構(gòu)措施.在現(xiàn)場(chǎng)條件許可的情況下,盡可能減少托換梁跨度、提高托換梁抗彎剛度,并采用嵌巖樁作為托換樁.

 

 2)預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉技術(shù).在托換梁內(nèi)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉技術(shù),通過張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋產(chǎn)生反拱作用來(lái)抵消托換結(jié)構(gòu)的部分變形.在對(duì)托換梁的預(yù)應(yīng)力鋼筋實(shí)施張拉時(shí),上部結(jié)構(gòu)已經(jīng)客觀存在,下部被托換樁基尚未與托換結(jié)構(gòu)截?cái)喾蛛x,上部結(jié)構(gòu)和下部樁基對(duì)托換梁都有一個(gè)豎向的約束作用,張拉過程并不是一個(gè)自由的反拱過程,而是一個(gè)在復(fù)雜約束條件下的小變形反拱過程.在這一反拱過程中,實(shí)測(cè)反拱變形并不大,但已經(jīng)完成了上部結(jié)構(gòu)向托換結(jié)構(gòu)施加部分荷載、被托換樁基向托換樁基轉(zhuǎn)移部分荷載的過程,從而可以減少分離托換樁基時(shí)因荷載轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生的變形.在進(jìn)行樁基托換工程的過程中,預(yù)應(yīng)力鋼筋宜采用高強(qiáng)度低松馳的鋼鉸線,鋼鉸線的數(shù)量主要依據(jù)變形控制要求來(lái)確定,張拉控制應(yīng)力應(yīng)取(0.55～0.70)ｆptk(ｆptk為預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值).

 

 3)樁底注漿技術(shù).為了避免鉆孔灌注樁施工時(shí)樁底沉渣造成托換樁的沉降過大,在制作安裝托換樁鋼筋籠時(shí),預(yù)埋兩根注漿管,注漿管端部伸至樁底.在注漿管端部500ｍｍ高的范圍內(nèi)預(yù)留注漿孔,孔徑為5ｍｍ,孔距為50ｍｍ,采用橡膠薄膜封閉注漿孔和管端孔口.待樁身砼終凝后,采用水泥漿液對(duì)樁底可能存在的沉渣進(jìn)行壓力注漿使之固結(jié),注漿壓力不小于1.0ＭＰａ.

 

 以上變形控制措施能夠很好地控制托換結(jié)構(gòu)的變形,在一般情況下,無(wú)需通過千斤頂?shù)捻斏齺?lái)補(bǔ)償托換變形.

 

4 新舊砼交接面的承載力計(jì)算

 

 被托換建筑物的荷載由原結(jié)構(gòu)通過新舊砼交接面?zhèn)鬟f給樁梁式托換結(jié)構(gòu),需要計(jì)算新舊砼交接面的承載力.新舊砼交接面是一個(gè)周邊封閉的豎直面,主要承受豎向力.

 

 為了研究新舊砼交接面的承載力,先后進(jìn)行了12組共25個(gè)試件的試驗(yàn)[2].試件設(shè)計(jì)和新舊砼交接面處理模擬實(shí)際工程情況,先澆制的短柱代表原結(jié)構(gòu),后澆制的包柱梁代表托換結(jié)構(gòu),梁柱之交接面即新舊砼交接面,如圖2所示.試件的新舊砼交接面按以下工藝要求處理:

 

1) 砼基面鑿毛10～20ｍｍ,并用清水沖洗干凈;

 

2) 在澆筑砼前,淋水養(yǎng)護(hù)砼基面不少于12ｈ;

 

3) 在澆筑梁砼前30ｍｉｎ時(shí)間內(nèi),在砼基面涂刷水灰比為1∶1(質(zhì)量比)的水泥漿,采用Ｒ32.5普通硅酸鹽水泥.

 

 分級(jí)加載進(jìn)行靜載試驗(yàn),新舊砼交接面承載力的試驗(yàn)結(jié)果列于表1,其中ｆｃ取梁、柱砼軸心抗壓強(qiáng)度較低值.試驗(yàn)結(jié)果表明,破壞形態(tài)為新舊砼交接面的豎向滑移破壞,破壞時(shí)的滑移變形實(shí)測(cè)值為1.8～4.5ｍｍ,具有明顯的破壞預(yù)兆和良好的延性性能.

 

 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸 分析 ,可以得到新舊砼交接面極限承載力Ｖｕ的計(jì)算公式:

 

Ｖｕ=0.314ｆｃＡ(1)

 

 式中Ａ為新舊砼交接面的面積.

 

 考慮到托換梁剪跨比、正截面彎矩和界面處理質(zhì)量等因素的 影響 ,對(duì)公式(1)取下包線作為新舊砼交接面承載力的計(jì)算公式為

 

Ｖｕ=0.227ｆｃＡ(2)

 

 核算25個(gè)試件新舊砼交接面承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值之比的結(jié)果如下:對(duì)公式(1),比值平均值μ=1.00,變異系數(shù)Ｃｖ=0.177;對(duì)于公式(2),比值平均值μ=1.38,變異系數(shù)Ｃｖ=0.177.5 樁梁式托換結(jié)構(gòu)的 計(jì)算  方法 

 

 樁梁式托換結(jié)構(gòu)與被托換結(jié)構(gòu)連系在一起,不是一個(gè)獨(dú)立的受力結(jié)構(gòu).作用于托換結(jié)構(gòu)上的荷載與托換結(jié)構(gòu)自身的變形相關(guān),與預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉反拱作用相關(guān).為此,在進(jìn)行托換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí),必須考慮托換結(jié)構(gòu)與被托換結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作,并同時(shí)考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉反拱作用.托換結(jié)構(gòu)可以采用如圖3所示的結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖.為了充分利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)計(jì)算程序,按以下方法進(jìn)行計(jì)算:

 

 1) 進(jìn)行托換結(jié)構(gòu)布置,選取構(gòu)件載面尺寸.托換梁的截面高度決定了新舊砼交接面的面積,應(yīng)滿足新舊砼交接面承載力計(jì)算公式(2)的要求.

 

 2) 按被托換結(jié)構(gòu)和托換梁協(xié)同工作、托換樁樁頂鉸支及被托換樁分離的條件進(jìn)行空間 分析 ,計(jì)算首層柱腳內(nèi)力和托換梁撓度Ｗ1.如果托換梁變形不滿足變形控制要求,則采用通過虛擬托換梁截面尺寸人為調(diào)整托換梁抗彎剛度的方法模擬張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋產(chǎn)生的反拱作用,重新進(jìn)行空間分析,逐步調(diào)整托換梁的抗彎剛度,直至托換梁變形滿足托換梁撓度和建筑物相對(duì)沉降變形的控制要求,計(jì)算在該變形條件下的首層柱腳內(nèi)力和轉(zhuǎn)換層撓度Ｗ1.

 

 3)以2)計(jì)算得到的首層柱腳內(nèi)力作為托換梁的荷載,采用托換梁實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸(不考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉反拱作用),按托換樁樁頂鉸支條件分析托換梁的內(nèi)力、撓度Ｗ2和托換樁的樁頂荷載.

 

 4) 根據(jù)3)確定的托換梁內(nèi)力,計(jì)算托換梁的配筋.托換梁的預(yù)應(yīng)力鋼筋按照托換梁的預(yù)應(yīng)力反拱要求計(jì)算確定,計(jì)算時(shí)反拱目標(biāo)值�。�1-Ｗ2,預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力取張拉控制應(yīng)力.應(yīng)該指出,反拱目標(biāo)值只是一個(gè) 理論 值,在托換梁變形受到原結(jié)構(gòu)及其樁基約束的條件下,實(shí)測(cè)反拱值遠(yuǎn)小于理論反拱值,反拱變形過程成為了力的傳遞過程.顯而易見,就力學(xué)作用而言,反拱的作用并不因此而有所減弱.

 

 5)根據(jù)3)確定的托換樁荷載,進(jìn)行托換樁的設(shè)計(jì),使其滿足承載力和沉降變形的要求.

 

6 工程 應(yīng)用 實(shí)例

 

 廣州地鐵一號(hào)線和二號(hào)線的上蓋建筑物采用了樁梁式托換梁結(jié)構(gòu)實(shí)施樁基托換,應(yīng)用本文中所提出的設(shè)計(jì)概念和計(jì)算方法進(jìn)行托換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到要求,取得了理想的托換效果.下面介紹其中兩棟建筑物的樁基托換情況.

 

6.1 廣州地鐵一號(hào)線Ｄ-Ｐ3-2建筑物樁基托換工程

 

 該工程是全國(guó)首例大型樁基托換工程.Ｄ-Ｐ3-2建筑物是一棟九層鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)樓房,采用沉管灌注樁基礎(chǔ).該樓房位于廣州地鐵一號(hào)線長(zhǎng)壽路站至中山七路站區(qū)間,隧道采用盾構(gòu)法施工.按地鐵線路設(shè)計(jì)要求,兩條并行隧道均從樓房樁群中穿過,且在隧道施工時(shí)必然破壞隧道內(nèi)的樁基.為了確保建筑物的安全,采用樁梁式托換結(jié)構(gòu)進(jìn)行樁基托換.托換結(jié)構(gòu)由鉆孔灌注樁和鋼筋砼托換梁組成,其中主梁采用了預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉技術(shù).整個(gè)工程在二層及二層以上居民正常生活的條件下完成施工.現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果如下:

 

1) 在托換結(jié)構(gòu)施工期間,建筑物樁基的附加沉降量大部分為1.5ｍｍ左右,最大沉降量為3.0ｍｍ;

 

2) 托換樁的最大樁頂沉降量為2.5ｍｍ;

 

3) 托換梁的最大撓度值為3.2ｍｍ;

 

4) 托換結(jié)構(gòu)的最大豎向變形為5.2ｍｍ(包括托換樁樁頂沉降和托換梁撓度);

 

5) 建筑物的最大沉降量為6.4ｍｍ,最大相對(duì)沉降變形為0.53‰;

 

6) 托換梁砼設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為Ｃ35,受壓區(qū)砼的最大壓應(yīng)變(με)為363,相應(yīng)的砼的最大壓應(yīng)力為11.4ＭＰａ,相當(dāng)于砼彎曲抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的60%;

 

7) 建筑物沒有因?yàn)闃痘�托換而出現(xiàn)傾斜、開裂現(xiàn)象.

 

6.2 廣州地鐵二號(hào)線167號(hào)建筑物樁基托換工程

 

 167號(hào)建筑物是一棟六層框架結(jié)構(gòu)樓房,采用人工挖孔灌注樁基礎(chǔ).該樓房位于廣州市廣園西路.廣州地鐵二號(hào)線越秀公園站至三元里站區(qū)間隧道從該樓房下方地基中穿過,部分樁基侵入隧道范圍或離隧道很近.隧道采用盾構(gòu)法施工,將削弱地基承載力、破壞部分樁基的樁身.為確保隧道施工和地鐵運(yùn)營(yíng)期間建筑物的安全,在二樓以上居民正常生活的條件下,對(duì)該樓房樁基采用樁梁式托換結(jié)構(gòu)實(shí)施了托換.托換樁采用人工挖孔樁,樁徑1200～1500ｍｍ,樁端進(jìn)入微風(fēng)化巖1.5ｍ.托換梁采用普通鋼筋砼梁.現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果如下:

 

1)在托換結(jié)構(gòu)施工期間,建筑物樁基的最大附加沉降為1.5ｍｍ;

 

2)托換樁的最大樁頂沉降量為0.8ｍｍ;

 

3)托換梁的最大撓度值為0.3ｍｍ;

 

4)托換結(jié)構(gòu)最大豎向變形為1.0ｍｍ(包括托換樁樁頂沉降和托換梁撓度);

 

5)建筑物的最大沉降量為1.8ｍｍ;最大相對(duì)沉降變形為0.35‰;

 

6)建筑物沒有因?yàn)闃痘�托換而出現(xiàn)傾斜、開裂現(xiàn)象.

 

7 結(jié)論

 

1)在建筑物樁基托換工程中,可以按隧道施工通廓的概念確定托換范圍.

 

2)確定托換結(jié)構(gòu)變形的控制標(biāo)準(zhǔn)和控制措施是樁梁式托換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要 內(nèi)容 .

 

3)新舊砼交接面承載力可以按公式Ｖｕ=0.227ｆｃＡ進(jìn)行計(jì)算.

 

4)樁梁式托換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮托換結(jié)構(gòu)與被托換結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作.

 

5)托換工程監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,本文中提出的樁梁式托換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念和計(jì)算方法是合理、可行、安全的.