在地铁隧道上方进行地面桥梁桩基托换的施工技术

摘要：简述了桩基托换技术的重要性，阐述桩基托换方法、托换梁施工步骤、托换梁纵向受力状况、托换梁外形尺寸与应力范围、钢管桩受力状况等方面桩基托换技术。通过地铁车站隧道施工与地面人行过街天桥桩基托换工程实例，验证了本文研究的桩基托换技术具有可靠性和可行性。

关键词：地铁隧道；地面桥梁；桩基托换；施工技术

0 引言

地铁施工过程中，受到土体本身压缩性质的影响，上方建筑物会发生一定的沉降。施工不当造成荷载变化的不均匀，会导致地铁隧道和线轨出现变形问题，很大程度上削弱了地铁隧道结构的整体性与耐久性，影响了地铁轨道的正常运行[1]。只有将土体正常的压缩沉降荷载转移到其他结构上，才能避免上述问题，确保地铁轨道的正常运行[2-3]。

严格控制地面桥梁基础变形以及由此带来的地铁隧道和线轨变形，是桩基托换的关键目标。为了避免城市地铁施工与现有地面桥梁的桩基发生冲突，可采用桩基托换技术转移桩基荷载，从而确保桥梁的正常通行和地铁工程的正常施工[4]。本文以转移荷载为基本目的，对地铁隧道施工中的地面桥梁钢管桩桩基托换技术进行研究。

1 桩基托换方法

在城市地铁车站隧道工程施工过程中，会遇到地面桥梁等建筑物的桩基深入地铁车站隧道掘进面、或者在临近建筑物基础下面进行隧道施工等情况。为了打通地铁车站隧道，需要对位于地铁车站隧道断面内的建筑物桩基、或者在临近隧道顶部的建筑物基础进行pmhveKGzyhkKlWK2oROEMQ==托换加固处理。建筑物桩基的托换加固可采用主动托换或者被动托换方法，也有侧向保护式、底托式或者两者互相结合的结构形式。常用的托换桩有钻孔桩、人工挖孔桩、钢管桩等。

2 托换梁施工步骤

地铁车站隧道开挖段下穿原有建筑物桩基时，可采用被动坑式基础托换梁的施工技术，托换原有建筑物桩基（即被托换桩）。托换梁的主要施工步骤如下：首先，在地铁车站隧道两侧各施工1根托换桩，其中垂线与被托换梁的中垂线保持一致，并在托换桩顶部施工帽梁，帽梁的顶部与设计托换梁的顶面高程保持一致。其次，在托换桩与被托换桩连线的下方断面挖出浇筑托换梁的坑、槽和墩柱，在设计的托换梁与被托换桩的节点位置，将被托换桩凿毛并植入钢筋，然后绑扎托换梁钢筋。最后，浇筑混凝土形成托换梁，浇筑混凝土之后的托换梁与被托换桩形成一个整体，通过托换桩承担地铁车站隧道开挖时桥梁桩基（被托换桩）的压力[5]。

3 桩基托换关键施工技术

3.1 加固托换梁周边土层

以开挖深度调整托换梁纵向荷载托换条件，在托换梁开挖深度范围内若无地下水的影响，可适当降低托换梁的深度[6]。托换梁在地铁车站隧道施工期间，无论是地铁车站隧道还是地面建筑物的桩基均应保证正常使用。为了确保托换梁的荷载转移效果，灌注水泥砂浆加固托换梁周边土层。

3.2 托换梁参数确定

3.2.1 托换梁纵向受力分析

混凝土托换梁的灌浆强度应超过10MPa，以承担地面建筑物桩基的荷载压力。托换梁上凸区、下凹区须满足其基底承压条件，并在上凸区、下凹区设置间隔式墩柱，以达到最佳托换目的。托换梁横向受力曲线如图1所示。

3.2.2 外形尺寸的选择

在桥梁桩基托换过程中，将地铁车站隧道工程上部现有桥梁结构的荷载转移到托换梁上，并形成临时支撑结构[7]。不同应力的托换梁，其外形尺寸会有所不同。要根据地面桥梁或其他建筑物桩基应力情况，选择合适外形尺寸的托换梁，在最大程度上避免地铁线轨变形问题。

3.2.3 应力范围

地铁车站隧道的上部桥梁荷载转移到已经完成施工的托换梁上，托换梁与地铁车站隧道结构的受力状况完全分离，以临时支撑的状态完成荷载托换。托换梁的设置，可避免因钢管桩独自承担较大荷载而出现变形问题。托换梁外形尺寸与应力范围如表1所示。

3.3 钢管桩受力分析

托换梁代替地面桥梁桩基（被托换桩）承受压力，将地面桥梁桩基荷载转移到托换梁上，再通过托换梁转移到钢管桩等受力构件上，避免地面桥梁桩基的失稳和下沉，从而保证了地铁车站隧道的正常施工。钢管桩的受力状态如图2所示。图2中，r为静力荷载压入半径；σr为初始应力；ry为钢管桩的应力范围。

钢管桩桩端与桩周土体根据静力荷载而变化，荷载扩张的情况下，钢管桩承受的荷载会增加。荷载扩张效应引起的桩周土塑性变化情况可表示为：

（1）

式（1）中：rd为钢管桩荷载压入半径；G为土体剪切模量；m为钢管桩的荷载扩张量；σ0为弹塑性边界的径向应力。σ0表达式为：

（2）

式（2）中：p0为桩周塑性区内平均有效主应力；ηy为径向应力比。钢管桩受到荷载压力时，其对托换梁产生较大约束作用，很大程度上提升托换梁的承载强度[8]。

4 应用实例

4.1 工程概况

为了验证本文设计的桩基托换技术是否满足地铁施工需求，以某地铁站为例进行验证和分析。该地铁站位于K4+809.705～K6+763.223施工段，在该施工段K5+624.328处的地面建有一座人行过街天桥。该过街天桥共4跨，其跨度的排列顺序为10.25m、15.75m、15.75m、10.25m。

该过街天桥主体由10个桥墩支撑，每个桥墩下方设有承台，承台尺寸为2.05m×1.80m×1.25m。承台下方由钢筋混凝土灌注桩支撑，灌注桩深入正在掘进的地铁车站隧道顶部以下2m左右。为此需要采用本文设计的桩基托换技术，对该过街天桥灌注桩进行桩基托换施工，并截除深入地铁车站隧道部位的灌注桩。

4.2 桩基托换方案

4.2.1 总体施工方案

根据该过街天桥基础结构及其受力情况，采用本文所述桩基托换技术和大直径钢管桩加托换梁的托换结构进行施工，总体施工方案如下：在距离承台2.0m的位置钻孔，并设置直径为1.5m的钢板桩，在钢板桩上设置钢筋混凝土托换梁。该托换梁通过钢筋绑扎、焊接和浇筑混凝土，与钢板桩和桥墩承台连接为一个整体。托换梁的尺寸与承台完全一致。

4.2.2 具体托换方法

托换梁与桥墩承台的具体连接方法如下：将承台朝向钢板桩一侧的混凝土表面凿毛并钻孔，在孔中植入主筋，将该主筋与承台主筋牢固焊接。在钢板桩的桩头支搭托换梁模板，将该模板与承台等宽等高并与承台连接。支搭底模后绑扎钢筋，其主筋与钢板桩和承台主筋焊接牢固；上述施工完成后，浇筑托换梁混凝土。该人行过街天桥桩基托换方法如图3所示。

4.3 监测方法和效果分析

4.3.1 监测方法

按照上述施工方案，对该人行过街天桥实施了桩基托换施工。在施工过程中，对地铁车站隧道变形量进行监测。本文以地铁车站隧道施工的上行轨道1、2与下行轨道3、4，作为变形监测轨道。

随机选取出4#、7#、10#桥墩对应的地铁车站隧道施工段，测量该人行过街天桥实施钢管桩桩基托换后的地铁轨道变形情况。将实施桩基托换施工后的实际变形量，与规定的最大变形量进行对比，实际变形量越低，则桩基托换效果越佳。

4.3.2 效果分析

实际变形量与规范规定的最大变形量对比如表2所示。表2中，4#桥墩位于地铁施工的K4+856.723m段；7#桥墩位于地铁施工的K5+369.526m段；10#桥墩位于地铁施工的K6262.635m段。S表示竖向变形；H表示横向变形。由表2可知，在该地铁工程施工中使用本文设计的钢管桩桩基托换技术之后，4#、7#、10#桥墩对应线轨段的变形量均在最大变形量的范围之内，且4#桥墩上行线轨1的横向变形、下行线轨4的竖向变形均为0mm；7#桥墩下行线轨4的横向变形为0mm；10#桥墩上行线轨2的横向变形为0mm。

由此可见，使用本文设计的桩基托换技术之后，地铁轨道横向、竖向变形量均较低，托换后的桩基可以承担地铁车站隧道上方的荷载，使地铁轨道能够正常通行，达到了本文研究目的。

5 结束语

综上所述，在地铁车站隧道施工中采用本文设计的钢管桩桩基托换技术，通过钢管桩、托换梁等方面的设计和施工，将桩基对地铁车站隧道和线轨的荷载转移到钢管桩和托换梁上，最大限度地满足了地铁施工需求，保证了地面人行过街天桥的正常使用，同时保证了地铁车站隧道和线轨的正常运行，取得了预期的施工效果。

参考文献

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