轨道工程盾构施工遇桩基础进行托换设计分析

郑 大 叶

(东莞市建筑科学研究所，广东 东莞 523000)

0 引言

近年来，我国城市地铁建设突飞猛进，拓展了建设空间的利用，带动了建设行业的发展，在地铁建设中遇到的工程问题也是十分繁杂。

1 工程概况

某轨道盾构工程隧道施工需穿越原有灌注桩基础，需对桩基进行托换，原有桩桩径1.5 m，桩长约18.5 m，其桩底侵入隧道1.45 m。最初设计拟采用常规地下洞内托换方案：依次施工竖井→竖井底水平通道→通道2根人工挖孔桩→托换梁(托换梁和被托换桩采用植筋连接)→切除侵入地铁隧道范围的既有桩端部。该方案工程风险大，施工复杂，经对场地周边环境和地质条件分析后，决定采用天然地基浅基础+钢管桩基础进行托换，将既有桩(桩端切除)剩余部分保留，使其桩侧摩擦继续发挥作用。地质情况分布：填土层、粉质粘土、全～中风化石英砂岩。

2 桩基托换

2.1 设计方案

扩大原桩基承台(在扩充区提前施工钢管桩)→施工圆形竖井→竖井底水平通道→截除原有桩桩底侵入隧道部分并回填素混凝土。

2.2 基础设计计算

按以上设计方案，分析计算如下：

1)原有桩基受荷计算。依据相关设计文件可知原有桩基承载大小为：P设计值=7 700 kN。

2)钢管桩设置数量计算。本工程场地单根钢管桩承载力特征值可达到450 kN，7 700÷450=17.1根，实际设置18根。

3)原有桩的沉降计算。桩的沉降按施工过程分成四个步骤进行计算：

第一步：原有桩未凿桩前，施工钢管桩及桩基础承台。在此过程中，上部结构荷载仍全部由原有桩承受，新设基础的沉降为0。

第二步：施工圆形竖井、横向通道引发地下水下降，原有桩负摩擦引起的沉降。

φ1.5 m桩桩侧负摩擦阻力为(桩侧各土层摩阻力特征值的平均值取35 kPa)：

3.14×1.5×(20-3)×35=2 803 kN。

桩基沉降S据文献[2]来进行计算，方法如下：

第三步：原有桩凿桩后，由新设钢管桩承受上部荷载。

分不考虑原有桩侧摩阻力和考虑原有桩侧摩阻力2种情况，按上述桩基沉降公式分别计算钢管桩沉降S1=3 mm,S2=2 mm。

第四步：地铁盾构开挖引起桩的沉降计算分析。

其岩土层的物理力学参数如表1所示。

a.隧道开挖上覆岩土层稳定性计算分析。

隧道开挖上覆岩土层稳定系数k据文献[3]来进行计算(按立体4个受力面考虑)，方法如下：

即：

表1 各土层参数选取值

b.隧道开挖上覆岩土层剪切变形计算分析。

设隧道埋深H(承台底至隧道结构顶面距离，本例中取15.3 m)，则隧道开挖极限塌落高度Z由下式求得：

其中，n为隧道上覆岩土层的条分数；m为隧道上覆岩土层中极限塌落高度范围的条分数。

取k=1.0，则：

求得：Z=1.24 m。

隧道开挖引起上覆岩土层下沉(距隧道结构顶上方约为1.24 m范围内的岩土层)，即剪切变形(下沉量)：

因为只是距隧道结构顶上方约为1.24 m范围内的岩土层会沉降，其他范围内的岩土层不会沉降，所以该局部沉降量不会对周边建(构)筑物造成不利的影响。

c.新设钢管桩基础最终沉降。

按上述第一步～第四步计算的钢管桩桩基础的总沉降量约为13 mm，在规范允许的变形范围内。

4)钢管桩基础冲切承载力验算、基础承台斜截面的受剪承载力验算按《建筑桩基技术规范》相关公式进行验算，均能满足要求。

3 结语

从以上计算分析可知，该轨道盾构工程隧道穿越既有桩基进行的托换方案(采用钢管桩基础结合+天然浅基+原桩基础承载托换方案)是安全可行的，大大降低了工程风险，本工程已顺利完工，各项监测结果表明桩基托换优化设计是成功的。