微型钢管桩桩基托换在广州地铁工程中的应用

魏玉省

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

0 引言

为了应对日益拥堵的城市交通，城市轨道交通线网需要加密，新规划的线路往往要穿越人口密集的老城区，地铁线路不可避免地要下穿一些建构筑物，导致建构筑物的基础侵入隧道，需要桩基托换，盾构机才能够通过。所谓桩基托换［1］就是采用新增加基础工程的方法，对既有的建构筑物某一部位的基础结构进行部分或者完全替换，并与原有基础共同承担上部荷载，以取得预期的沉降和沉降差控制效果。

桩基托换根据凿桩前是否采用预先顶升等措施来消除新桩和托换结构的沉降变形可以分为主动托换［2－3］和被动托换［4－6］。主动托换适用于大吨位和控制变形严格的工程，被动托换适用于小吨位、结构物对变形要求不太严格的工程。桩基托换中常用桩的类型为钻孔灌注桩［4］、微型钢管桩［5］、锚杆静压桩［7］、人工挖孔桩、树根桩等。目前有关采用微型钢管桩进行被动托换和加固的文献中:文献［4］阐述了广州地铁三号线区间隧道下穿明丽园建筑物采用微型钢管桩进行被动托换的施工技术;文献［5］研究了在施工条件受限的情况下采用微型钢管桩在大吨位桥梁浅基础加固中的应用技术;文献［6］介绍了深圳地铁一号线下穿华中国际酒店采用无砂混凝土钢管桩进行被动托换的工程实例。以上文献主要论述了采用微型钢管桩进行桩基托换或加固的案例，对桩基的沉降计算等方面论述较少，本文通过托换方案比选、桩基沉降理论计算、施工监测等多方面论述，说明本工程采用微型钢管桩群桩+承台受力体系进行托换是成功的。

1 工程概况

广州地铁五号线草暖公园—小北站区间盾构隧道在里程ZDK8+231.390处下穿内环路高架A匝道(桥面结构是简支箱梁，桥面板宽度是8.5 m，2车道)。其A4桩基(桩径1500mm、桩长20.043m)侵入盾构隧道内1.65 m，需要先桩基托换，盾构机才能通过。A4桩基的桥墩位于地面宽度为5 m的绿化带内，绿化带南、北两侧均为环市东路车道，路面交通车流量大。桩基北侧有1根φ1 200 mm钢管给水管，埋深2.63 m，南侧是1根φ500mm的混凝土排水管，埋深2.21m。A4桩处桥面板到地面的高度约3.5 m。

A4桩基从地面到隧道底地层依次为杂填土、粉质黏土、强风化石英砂岩、中风化花岗岩，地层厚度分别为 2.9，4.3，14.8，9.7 m。地下稳定水位在地面下约 2 m，强风化石英砂岩裂隙很发育，透水性强。左线盾构隧道与A4桩基位置关系、地质柱状图详见图1。

2 托换方案分析

根据工程所处的环境、工程地质条件，可行的托换方案主要有地面微型钢管桩群桩被动托换、地面桩梁式主动托换和地下暗挖小导洞托换3个方案。方案设计及其对比详见表1。

从对周边环境影响、技术难度、工程造价、工期等综合比较发现:地面微型钢管桩施工不需要大型设备，桥下施工难度小，且工序转换相对简单，工期短、造价低，内环路A匝道A4桩基托换推荐采用方案1，即微型钢管桩被动托换+人工挖孔凿桩方案。

表1 托换方案分析表Table 1 Comparison and contrast between different underpinning schemes

图1 盾构隧道与A4桩基位置关系及地质柱状图Fig.1 Relationship between shield-bored tunnel and A4 pile foundation and geological logs

3 托换方案设计

托换方案确定后，需要对方案进行详细设计，微型钢管桩和承台组成的支撑体系承担A4桩截断后上部传下来的荷载，方案设计主要有以下几个方面。

3.1 承台基坑支护设计

基坑长12.5 m、宽 7.1 m、深 3 m，支护形式采用土钉墙支护，北侧采用超前φ114 mm、壁厚3 mm的钢管，间距500 mm，垂直放坡;其他侧采用1∶0.5放坡，坡面上喷射100 mm厚C20混凝土，挂单层φ6.5@200 mm×200 mm钢筋网。

3.2 微型钢管桩设计

1)根据承载力计算，需要18根长8 m的微型钢管桩，钻孔φ300mm，内插φ219mm、壁厚4.5mm 的钢管，桩底要求进入强风化石英砂岩不少于4 m，每根桩承载力特征值为450 kN。

2)竖向每500 mm沿钢管周边均匀开3个φ30 mm的小孔，孔口下焊接100 mm长的φ20 mm短钢筋。

3)钢管内、外灌注C30细石微膨胀混凝土。

4)钢管顶部插4φ18钢筋，每根长1 300 mm，下部插入钢管600 mm，上部锚入承台。

5)钢管桩进入承台100 mm。

3.3 承台设计

1)承台设计为台阶式。

2)上承台长4 500 mm、宽4 500 mm、高1 500 mm，包裹A4桩既有承台，新旧承台之间采用植筋连接。

3)下承台长7 500 mm、宽4 500 mm、高1 000 mm，上托A4桩既有承台。

4)为了让新旧承台共同协调作用，新旧混凝土界面均要求处理，将旧混凝土表面凿毛，深度宜为10～20 mm，凿毛后用水清洗干净，在新加承台混凝土浇捣前4 h内刷界面处理剂。

微型钢管桩、承台设计详见图2。

图2 微型钢管桩、承台设计图(单位:mm)Fig.2 Design of micro steel pipe piles and pile cap(mm)

3.4 微型钢管桩承载力验算

1)桩基类型按照摩擦桩考虑。

2)桩长要求进入强风化石英砂岩不少于4 m，桩长8 m。

3)〈5－1〉粉质黏土、〈5－2〉粉质黏土、强风化石英砂岩的极限摩阻力标准值分别取40，65，165 kPa，强风化石英砂岩极限端承力标准值取1 800 kPa。

4)计算单根钢管桩极限承载力。根据JGJ 1994—2008《建筑桩基技术规范》计算

式中:μ为桩身周长;qsik为桩周第i层土的极限摩阻力标准值;qsp为桩底土的极限端承力标准值;li为桩穿越第i层土的厚度。

将各值代入式(1)，得:

5)钢管桩单桩承载力特征值Ra=953kN/2=478kN。

6)钢管桩群桩承载力计算:478×18=8 604 kN＞7 700 kN(上部结构荷载和车辆荷载设计值)，满足承载力要求。

3.5 凿桩孔及通道设计

1)凿桩孔采用人工挖孔，孔深14.9 m。

2)人工挖孔外径2 400 mm、内径2 000 mm、护壁厚度200 mm。

3)通道采用暗挖法施工，采用直墙拱形断面(宽2 500 mm、高2 500 mm、长3 670 mm)，单层衬砌，衬砌厚度250 mm，架设格栅钢架，喷射C25混凝土。

4 桩基沉降计算

4.1 桩基沉降的主要因素

1)A4桩凿除后，上部荷载转移到微型钢管桩上的沉降。

2)盾构机从钢管桩下掘进通过时的地层沉降。

3)承台基坑较浅和凿桩人工挖孔孔径较小，二者开挖引起的桩基沉降可以不计。

4.2 桩基沉降控制标准

1)桩基倾斜≤0.004，倾斜指基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离比值，A4桩与相邻桩基距离为25.4 m。

2)桩基沉降按照内环路设计单位提出的沉降标准≤15 mm。

4.3 钢管桩沉降计算

4.3.1 单桩的沉降计算

桩在荷载作用下主要有桩身压缩沉降Sc、桩底沉渣的压缩沉降Ss和桩底持力层压缩沉降Sb，桩底持力层压缩沉降近似用半无限弹性体公式计算，桩底沉降［10］计算公式为将式(3)—(5)代入式(2)，得:

式中:h，hs分别为桩长及桩底沉渣厚度，取8，0 m;p0为桩顶荷载，430 kN;A，A0分别为桩身截面积及桩底截面积，均为0.071 m2;d，D分别为桩径及桩底直径，均为0.3 m;Ec，Es，E0分别为桩身混凝土弹性模量、沉渣压缩模量、桩底持力层变形模量，取30 000 MPa、不考虑、200MPa;ω为桩底形状系数，圆形桩ω取0.79;v为桩底持力层泊松比，土层v为0.3～0.4，岩层 v为0.2～0.3;Qsk为单桩极限摩阻力标准值，826 kN。因桩底采用压浆工艺，沉渣厚度考虑为0m。

单根桩基沉降S1=3.0mm。

4.3.2 群桩影响系数

群桩沉降主要是受桩距和桩侧土层剪切应力传递的综合作用而引起的，群桩影响系数［8］

式中:a为桩间距;d为桩径;n为桩根数。

将各值代入式(6)计算，得:

4.3.3 桩基的最终沉降S

4.4 盾构隧道掘进引起的地层沉降计算

盾构隧道计算作为平面应变问题来近似处理，考虑围岩与结构的共同作用、分步施工过程，采用平面有限元数值计算模型进行模拟计算。计算范围上取至地面，下取至隧底下10m处，横向取至距洞室中线15 m，采用2D－σ程序进行模拟计算，计算模型为Mohr-Coulomb法则。计算模型及位移网格图分别见图3和图4。隧道地表沉降为1.08mm，桩端处的沉降为2.1mm。

4.5 钢管桩基础的总沉降

托换前期沉降量为5.79mm，盾构掘进桩端沉降量为2.1 mm，因此钢管桩桩基础总的沉降量为7.89 mm。

5 施工关键技术

5.1 钢管桩施工工序及技术要求

1)基坑开挖到底后，准确定位钢管桩位置进行钻孔施工。

2)放置加工好的φ219钢管，并在管内放置混凝土下料管和桩底注浆管。

3)用清水清孔直到孔口流出清水，要求孔底沉渣厚度不大于50 mm。

4)灌注C30微膨胀细石混凝土，并在混凝土强度达到70%时进行桩底注浆，注浆压力为2.0～3.0MPa，保证桩底与岩层以及钢管侧壁的有效接触。

5)在细石混凝土初凝前插入竖向连接筋。

5.2 新旧承台混凝土连接技术措施

1)为了让新、旧承台结构共同协调作用，新旧混凝土界面均应处理。

2)将旧混凝土表面凿毛，深度宜为10～20 mm，承台尽可能凿成上大下小呈倒锥形状，以增大新旧混凝土面的抗剪能力，然后再植筋。

3)凿毛后用水清洗干净，在新加混凝土浇捣前4h内刷界面处理剂。

4)新承台混凝土浇填时，特别是与旧承台接触面的混凝土振捣必须密实。

5.3 人工挖孔、凿桩施工及技术措施

1)在承台混凝土强度达到设计强度的70%后才能施工凿桩人工挖孔。

2)人工挖孔挖到底后采用暗挖法施工横通道。

3)开挖到A4桩基后再向下人工挖孔直至开挖到A4桩底。

4)从A4桩桩底开始凿除桩基，并凿除桩基钢筋，直至凿除到设计标高。

5)回填人工挖孔及横通道。人工挖孔桩采用夯实土回填，上部用片石混凝土封堵固结;回填土使用前应分别取样测定其最大干容重和最佳含水量并做压实试验，确定填料含水量控制范围、铺土厚度和压实遍数等参数。回填施工时应分层压实，每层的分层厚度和压实遍数应满足规范要求，压实度≥90%。对于回填困难处，可采用水泥砂浆注浆压密回填。

5.4 盾构掘进通过桩基时的施工措施

1)盾构掘进通过前，要进行盾构刀盘等设备维修，保证盾构机良好的掘进性能。

2)同步注浆必须饱满，及时进行二次注浆，防止地层沉降、失水。

3)控制好盾构掘进姿态、出土量等参数，尽可能确保土仓的压力持续稳定，以保证盾机机刀盘前的地层掌子面稳定。

4)盾构掘进通过桩基时，应加强对A4桩及相邻桩基的沉降监测频率。

5.5 施工监测

1)监测项目。A4桩基及相邻桩基的沉降、倾斜，桥面板裂缝观测，地面沉降及裂缝，地下水位监测等。

2)各施工阶段桥面板结构沉降控制要求和控制值。原A4桩未凿桩前，施工钢管桩及桩基础承台，人工挖孔桩、横向通道施工，地下水位下降，桩侧产生负摩擦引起的沉降，桥面板结构基本不产生沉降，沉降值不得大于5 mm;原A4钻孔桩凿桩后，由新设钢管桩承受上部荷载，桥面板结构基本不产生沉降，沉降值不得大于5mm;地铁盾构隧道掘进施工阶段，桥面板结构基本不产生沉降，沉降值不得大于5 mm。

3)监测结果。桩基托换施工完成和盾构掘进通过后的A4桩基的总沉降量为7.5 mm，相邻A3，A5桩基沉降量较小，且与理论计算A4桩总的沉降量7.89 mm是接近的。

6 结论

桩基沉降理论计算结果与监测结果基本一致，满足内环路高架设计单位提出的沉降值不大于15 mm的要求，说明桩基沉降计算方法是正确的，内环路高架A匝道A4桩采用微型钢管桩群桩托换方案是合理的、可行的，对于类似环境条件下的工程具有借鉴意义。

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