广州市地铁一号线基础托换工程的理论分析与设计

广州市地铁一号线基础托换工程的理论分析与设计Analysis and de sign of foundation underpinning forNo.1subway G uangzhou谷伟平　李国雄(广州市鲁班建筑防水补强专业公司,广州,510665)文　摘　通过广州地铁一号线四栋住宅大楼基础托换工程的方案选型,理论分析,设计与计算,简述了基础托换工程新方法的研究与应用,其具有的良好社会效益和经济效益。

关键词　地下铁道,基础托换,转换层,新旧砼联接中图法分类号　TU47作者简介　谷伟平,男,1965年生,广州市鲁班建筑防水补强专业公司副总工程师,主要从事地基处理、房屋改造、加固、顶升、平移、基坑支护的设计、施工及研究工作。

Gu Wei pi ng　L i Guoxiong(Gua ngzhou L uba n Const ruction Waterp roof&Reinf orcing specialized Compa ny,Gua ngzhou,510665)Abstract　Through the analysis,design and calculation of the f oundation underpinning f or f our buildings over the No.1subway Guangzhou,the research and application of the new underpinning way which has very good social and economical results are introduced。

K ey words　subway,f oundation underpinning,conversion st orey,joints of new and old concrete1　前 言随着现代化城市的建设,建造城市地下交通设施是十分必要的。

尽管地下交通线路的布置在原则上尽量利用现有道路干线下面空间,但实际上总会遇到整个隧道或部分隧道要从现有建筑物下面或相邻通过,对于需要保护的地面建筑必须进行托换,而托换工程又是建筑工程中最困难的任务之一,必须精心设计、精心施工,对托换过程中遇到的一系列技术难题进行合理解决。

为此我公司结合广州地铁一号线四栋住宅大楼基础托换工程开展一系列的分析研究工作,设计上主要解决托换结构体系:受力明确,能满足承载力和变形方面的要求;结构布置合理,能够适应现场条件及施工场地条件;设计方法和施工工艺比较成熟、可行,在施工质量上具有良好的可控性。

2　工程概况(1)广州地铁一号线在中山七路至长寿路段系两条并行的转弯隧道,隧道的转弯半径为300m,中心距13.3m,隧道中心线位于地面以下12m深处,隧道采用盾构法施工,盾构施工通廊直径为8.2m。

由于该区段人口密度大,建筑物密集,隧道无法避免地要从四栋不同结构型式的住宅大楼下方的群桩中穿过,在盾构施工通廊范围内四栋楼房共有192根桩受到影响需要托换。

(2)受地铁施工影响的四栋大楼编号分别为D-P3-2,D-P3-3,D-P3-4,D-P3-5。

楼房的结构情况见表1,楼房与隧道的相对位置见图1。

表1　楼房结构情况表Tabel1　The situation of buildings structure楼房编号D-P3-2D-P3-3D-P3-4D-P3-5楼房层数96～986建筑物高度/m31.6530.4026.8018.90结构类型钢筋砼框架钢筋砼框架钢筋砼框架砖混结构基础类型480mm灌注桩600mm灌注桩460mm灌注桩480mm灌注桩基础桩长/m14～1820～221815～18首层层高/m 3.8 3.2 3.0 3.2楼房重量/t6600620016002750 (3)根据地铁公司提供的地质勘察报告,该区段属珠江三角洲平原,场地内原分布较多水塘和耕地,后经填土平整后建筑住宅。

场地内覆盖层厚13～20m,由沉积层和残积层组成,沉积层主要由淤泥、粘土、粗砂组成,其中淤泥层较厚,厚度为3.5～11.0m,基岩　到稿日期:1999-04-05　第22卷　第1期岩　土　工　程　学　报V ol.22　N o.1 2000年 1月Chinese J our nal of Geotechnical Engineering J an.,　2000　图1　楼房与隧道相对平面图Fig.l　G eneral drawing of tunnel and buildings为泥质砂岩,中～微风化岩的顶面埋深20.0～31.0 m,地下水位埋深0.5～1.5m。

3　方案设计要求及技术分析3.1　设计要求(1)基础托换后,托换结构体系应是永久的,且不得改变首层的结构和平面布置及使用功能,维持原室内净高。

(2)施工期间楼房必须安全,二层以上居民能照常使用,保证路通、水通、电通等。

(3)盾构通过前,在盾构通廊范围内的桩基必须与楼房的上部结构完全分离,分离切断高度不小于200mm。

(4)盾构施工造成地面沉降30mm,影响边线为隧道衬砌边沿地面方向45°斜线,在该影响范围内,被托换楼房不应开裂、倾斜。

(5)影响施工的地下管线可以预先搬迁,但施工后需修复。

(6)根据广州地区的基本风压和抗震烈度要求进行结构荷载分析。

3.2　方案技术分析鉴于基础托换工程的重要性和复杂性,设计上托换结构除应满足承载力及变形要求外,还应满足施工的可行性及质量的可控性,具体应分析解决如下问题。

(1)被托换的建筑物为6～9层住宅大楼,需托换的荷载高,托换范围大,且要求能承受7°地震作用,为了确保上部结构与原基础分离后的安全,托换结构的受力必须明确、可靠,满足竖向及水平承载力要求。

(2)一方面,被托换的楼房已建好若干年,基础托换后托换结构所产生的变形又在短时间内即完成,因此,上部结构对基础托换所产生的不均匀沉降的适应能力是相当有限的。

另一方面,柱位之间的不均匀沉降的构成非常复杂,既要考虑盾构通廊范围内因托换结构变形产生的不均匀沉降,又要考虑盾构通廊范围外因地面沉陷可能引起的不均匀沉降,因此如何控制柱位或承重墙的不均匀沉降是基础托换的一个核心问题。

(3)地铁隧道在结构设计上只能承受上部土体荷载及表面荷载,而不能承受上方建筑物荷载,因此托换结构必须是永久的,并与地铁隧道完全分离,以确保建筑物荷载不会传递到地铁隧道上。

(4)由于钢筋混凝土结构在长期荷载作用下具有徐变性,托换结构在设计上既要考虑原建筑物荷载转移到托换结构阶段时产生的短期变形,又必须考虑托换完成后使用阶段的长期变形。

(5)盾构通过时其周围的地基将受到挠动并产生一定的沉陷变形,形成盆状沉降槽。

地基的沉陷将对楼房原桩基及托换结构桩基产生一定的负摩阻力。

(6)托换结构必须全部置于室内地面标高以下,使建筑物的使用空间和使用功能不受到影响。

(7)由于工程地点位于建筑物密集的市中心,托换结构施工时不宜大面积深挖基坑和大幅降低地下水位,以免较大地削弱被托换楼房的基础承载力或对相邻建筑物、构筑物造成危害。

(8)基础托换工作大部分需在建筑物室内进行,作业空间受到限制,托换结构的施工不能依赖于大型施工设备,而必须依靠平面尺寸小、施工方便、灵活的小型设备。

(9)由于施工场地复杂狭小。

托换结构的布置既要考虑这些不利因素,又要使托换结构的跨度尽可能69岩　土　工　程　学　报　2000年　小。

(10)施工期间二层以上居民须正常生活使用,施工期间必须保证安全,施工机械等噪音尽可能小。

4　托换结构方案的优化4.1　托换方案分析在考虑各方面因素的基础上,本工程可能的基础托换方案有地基改良法、斜向网状树根桩法[1,2]和桩基转换层托换法。

(1)地基改良法:通过静压注浆或高压注浆工艺把化学-水泥浆液注入需加固的地层,提高土层的物理力学指标,并在地铁隧道区域内形成加固土拱体,从而实现被托换基础与原结构分离后,把原桩基础转变为复合地基浅基础,实现楼房的托换,该方案的优点是施工简单,工期相对较短,但无法克服地基变形较大,难以满足基础的沉降差要求,可能导致楼房结构严重开裂或破坏。

(2)斜向网状树根桩加固法:在原承台附近或钻穿原承台设置斜向树根桩,并形成空间网状,由树根桩把托换荷载传递到隧道以下较深的地基土中。

该方案的主要问题是:其一,原桩基布置密度大,无规则,且托换的范围大,斜向树根桩布置难度大;其二,场地的软土层深厚,需布置的桩数多而长,工程造价高,且由于桩数多,形成网状对基础托换后的断桩带来困难。

(3)桩基转换层托换法:通过转换层把楼房需托换的荷载传递到托换桩基上,然后由桩基传递到隧道以下深部地层中。

转换层可设置在原基础桩基承台的下方、楼房首层或楼房天面、原基础承台附近位置,桩基则设置在结构施工通廊外侧。

在原基础承台下方设置转换层,施工转换层及切断原桩基时,需大面积深挖基坑及降水,由于基坑支护体的位移及降水,会对托换建筑物及相邻建筑物的安全产生影响,且工程造价也会大幅提高;在楼房首层或天面设置转换层,由于要改变楼房的使用功能,且占用的施工场地较大,该方案不满足设计技术要求;在原承台附近位置设置转换层,在盾构施工通廊外侧设置桩基,形成一个完整的托换结构体系,该方案受力明确、可靠,对转换层施加预应力变形易于控制,同时因基坑开挖小,施工对建筑物的影响也小,工期相对较短,造价也较低。

该方案须解决转换层包柱或与原承台新旧砼联接问题,以及桩基施工期间对原建筑物的影响问题。

经上述综合分析,在原承台附近设置转换层,盾构通廊外侧设置桩基的托换方案对于本工程比较合理。

4.2　转换层的优化转换层的结构型有板式、梁板式、梁式、拱式、桁架式等,其中板式、梁板式转换层承载力高,刚度也较大,但不便于完成后的托换结构与原柱或桩基的分离,且施工需开挖的基坑较大;拱式或桁架式转换层具有受力合理能解决大跨度、大荷载的转换,但受空间条件限制,难以实现。

梁式转换层结构合理、受力明确,可靠,造价较低,布置灵活,既可通过柱在原承台上设置大梁直接托换,也可在原承台之间设置大梁,在大梁之间通过柱位设置小梁,形成主次梁结构。

在托换结构体系完工后盾构通过前,进行原桩基与楼房的分离比较方便,易于施工。

因此本工程选择梁式转换层。

4.3　托换桩型的选择目前比较成熟的托换桩型有:室内静压桩;微型钻孔桩或微型钢管嵌岩桩;人工挖孔灌注桩;室内钻孔灌注桩。

(1)室内静压桩:其优点是单桩承载易于保证,造价比较低,施工时对原建筑物没有影响,但其单桩竖向承载力不高,持力层与原基础桩基本相同,桩的布置数量较多,受到场地的限制。

(2)微型钻孔桩:也称树根桩,由于竖向和横向的承载较低,需布置的数量较多,且在深厚的软土地层对抗震不利。