桩基托换在建筑物基础加固中的应用

摘要：本文以深圳地铁5号线5306标百布区间隧道成功下穿鸿名电业厂房为例，介绍了桩基托换技术在建筑物基础加固方面的应用。通过桩梁式托换结构介绍了桩基、托换梁系、自锁式节点的特点及构造要求，并对体系转换过程中主动托换技术进行详细阐述，可供类似工程参考。

关键词：桩基托换；建筑物基础；加固；应用

1引言

近年来，随着我国大中城市基础设施的迅猛发展，尤其是地铁和地下空间综合开发利用，不可避免地对部分相邻建筑物、结构物基础产生破坏性的影响。因此对建筑物基础加固成了当今地下工程一个新的领域。桩基托换，即是对建筑物基础采用“偷梁换柱”的方式进行原位保护的一种有效的技术措施，在设计、施工中收效显著，已逐步被推广应用。

2工程概况

鸿名电业厂位于深圳布吉镇罗岗路南侧，厂区范围内地质情况复杂，上覆第四系堆积层、坡/残积层，以杂/素填土、淤泥质粉质粘土、碎石土为主，厚度约13m；下覆角岩、砂岩，岩体呈碎块、短柱状，破碎、节理发育。该区域地下水位较高，地面以下1.0～3.5m，主要为孔隙水及基岩裂隙水，孔隙水主要赋存在残积粘性土和全风化层中，基岩裂隙水赋存于强风化及中风化岩中。

该厂房建于上个世纪80年代末，为5层框架群桩基础结构，基础采用群桩承台（桩基础为6根或8根φ480沉管灌注桩）。地铁5号线百鸽笼～布心区间为上下行线分离式单线隧道，采用矿山法施工，线间净距9.73m；埋深7.5m～9.0m。该段区间隧道斜穿鸿名电业厂厂房，穿越宽度约为30m，有部分群桩基础侵入隧道开挖面或开挖可能对其受力产生较大影响，危及结构的安全，因此须对部分群桩基础进行托换。

本次托换的厂房结构复杂，托换面积大，托换节点柱多（共18个），荷载大，且施工期间该厂精密仪器不能停产，对结构变形控制要求相当严格，设计采用主动托换的方式。桩基托换的平面布置图及剖面分别见图1、图2。

3桩基托换原理

3.1桩基托换结构形式

托换结构采用桩梁式，即人工挖孔灌注桩+钢筋砼托换梁（钢筋砼主梁和预应力砼次梁），其结构组合作用关系为：桩基顶主梁，主梁承次梁，次梁托结构柱（托换节点）。为满足托换过程中节点抗剪、抗压、抗裂及抗震的要求，梁柱托换节点特采用“齿槽+锚（植）筋+横向预应力筋+锥形螺旋箍筋”的自锁抗震结构进行处理。

3.2主动托换原理

主动托换方式对建筑物及托换结构的变形控制具有主动性，可进行主动的变形协调来保证结构的变形要求，即在原桩基被切除之前，通过千斤顶对新桩和托换结构（主梁）施加荷载，消除新桩和托换结构的部分变形，然后在切桩过程中，根据托换节点位移变化随时调整顶力，分级分步骤实施荷载的转移，使托换桩和结构的变形控制在较小的范围。

4、桩基托换的施工流程及工艺要求

4.1 总体施工流程

（1）施工准备—孔桩周边止水帷幕—人工挖孔灌注桩施工—桩基检测。

（2）桩帽施工。

（3）托换梁系基坑施工，施工中严格按照设计坡率放坡，并按要求施做边坡支护和排水等措施。

（4）对托换柱及承台进行凿毛、切槽、植筋等处理。

（5）绑扎托换梁系的钢筋—安放、定位预应力波纹管—安装模板—浇筑梁系砼—拆模—养护—张拉封锚。

（6）在桩帽和托换大梁间安装自锁式千斤顶—预压（可减桩的沉降）。

（7）顶升—隧道开挖（加强支护）逐一切桩—隧道开挖通过厂房下穿区。暗挖隧道施工阶段，跟踪量测调整，控制沉降。

（8）接桩—养护达到强度—拆除千斤顶—回填恢复改造工程。

4.2 工艺及质量控制要求

4.2.1 托换桩基

鸿名电业厂生产和储存的都是高精密的设备，防震、防尘的要求高，同时托换结构在厂房的首层施工，高度仅5m左右，不适合用较大型设备。综合考虑桩基采用人工挖孔灌注桩。

孔桩为有效桩径1200mm和1500mm的端承桩，嵌入中微风化岩层不小于1m，且超过隧道底不小于1m。桩位偏差不超过50mm，垂直度0.5%以内，桩身采用C30钢筋砼，要求所有的桩基95%以上为I类桩，不允许III类桩存在。

考虑到施工过程中遇淤泥和沙层，施工前采用Φ500mm@350mm的袖阀管在桩周围进行竖向注浆加固，增加止水帷幕。消除了坍塌、流沙、地下水流失等不良地质灾害，厂房的施工沉降变形得到了有效控制。同时托换新桩紧邻既有建筑物桩，且新桩桩底标高位于既有桩底以下2～6m不等，新桩施工将造成既有桩底以下基岩侧面临空，影响既有桩的安全，因此在新桩接近或超过原有桩底施工时，按0.5m一节进尺施作并加强护壁结构，必要时做超前临时支护，成孔后尽快浇筑混凝土。

4.2.2桩帽施工

桩帽即桩顶承台，主要用于托换顶升的作业平台，桩帽边突出桩边600mm。力学体系转换过程中直接通过千斤顶对大梁进行顶升。见图3。

（1）要求桩身砼强度达到75%以上，并桩检合格后方可进行桩帽的施工。

（2）为便于施工操作，要求桩帽顶距离主梁底部预留1m的空间。

（3）制作安装桩帽钢筋，钢筋驳接器，预埋千斤顶底座钢板，支模板，浇筑C40砼并拆模养护。

（4）桩帽位于主梁底部1m，施工开挖深度达5m，要求放坡开挖并做好坑壁的防护和基坑的排水措施。

4.2.3 托换梁系

托换过程中厂房结构的变形与托换梁系的自身截面刚度和强度有必然联系，托换梁系是该工程的关键结构之一。主、次梁采用平面正交的“#”字网状结构，梁顶标高在同一水平面上，相交处次梁嵌入主梁内构成刚性连接体。主梁（TL）结构尺寸（h×b）为2000mm×1800mm，次梁（L）结构尺寸（h×b）为800mm×2000mm，次梁纵向设置预应力钢绞线束，张拉时利用次梁的反拱，上部结构对托换梁系产生向下的预压力，可实现上部荷载部分转移至托换结构，使托换结构完成初步沉降，减少主梁的变形。

托换梁系作为重要的受力构件，其精度和工程质量控制严格。主梁按托换桩中心定位，次梁按结构柱中心定位。梁系采用C40钢筋砼，次梁预应力为后张法施工，张拉龄期要求大于7天，且混凝土强度不低于设计强度的85%。预应力施工的其他要求参照《预应力混凝土结构技术规程》执行。

4.2.4 托换节点

为了确保上部结构柱荷载能够可靠有效地传递到托换体系上来，使托换节点满足抗剪、抗压、抗裂以及抗震的要求，在托换体系施工时对抱柱节点进行自锁式抗震节点处理。自锁式抗震节点主要采用“齿槽+锚（植）筋+横向预应力筋+锥形螺旋箍筋”等技术措施。托换次梁与柱节点大样见图4。

（1）齿槽处理

用风镐按设计要求对构件新老混凝土结合表面凿毛，为增大接触面积，将原有承台用切割锯锯槽，槽宽150mm，深100mm。

（2）锚（植）筋处理

①每根柱子每侧植2根Φ20构造筋以增大柱子界面的抗剪能力。植入深度300mm，外露长度500mm。

②为加强承台与次梁的有效固结，对原承台植入Φ25钢筋，植入深度375mm，外露长度600mm，沿承台长边方向柱子两侧各植入2～3排，短边方向各植入1排，间距300mm×300mm。

③按设计要求，对托换柱进行放样，划出锚筋孔位置。采用凿岩机（或冲击锤钻）钻孔，钻孔必须跳钻，并且钻好一面锚一面的钢筋，然后再钻第二面，如此循环，直至锚完所有锚筋。

④锚筋前将孔内灰尘用风吹干净，用环氧水清洗孔壁，然后塞满结构胶（环氧类）插入钢筋。

⑤结构胶必须现场调配，做三组锚筋的抗拔试验，试验达到设计要求后方可转序。

（3）锥形的螺旋箍筋设置

为提高结构柱节点的强度并保证托换过程中结构柱不“戳穿”次梁，特在柱子周围设置上大下小的螺旋箍筋与柱子周边及原承台的锚筋连成一体埋设于次梁内，有效的实现节点的自锁和抗震要求。

螺旋箍筋上口直径1125mm，下口直径925mm，高度同次梁高度800mm，采用Φ16@80绕成环形套在柱子周围，并与锚筋和构造筋连接。

（4）横向预应力钢筋设置

为确保柱子有效传递荷载并增强节点处次梁的横向受力，节点处柱子边沿外（两）侧1500mm范围内各设置3排4列的Φ32精轧螺纹钢，对节点处次梁进行收紧。

4.4体系转换

体系转换是托换技术的关键工序，主要包括洞内切桩、结构荷载的转移及接桩。切除被托换桩最理想状态是零应力，但基本做不到，托换过程的荷载也难以精确计算。为保证上部结构安全，防止在较大顶升力作用下结构发生较大向上的位移而造成结构破坏或变形，因此要求在实际顶升过程中对千斤顶进行分级缓慢加载。

顶升过程中，根据现场实际情况，每桩的内力分为10级顶升，顶升时将千斤顶加载至桩设计内力值，之后卸载稳定为0.6倍桩内力值，让隧道开挖逐步切桩通过。设计顶升力作为顶升操作的参考值，顶升位移是主要控制的因素，若位移达到限值应停止加载。切桩过程中要根据托换节点位移变化随时调整顶升力，保证位移在安全范围以内，实现荷载可靠转移。

待切桩顶升完成，托换节点变形稳定后，通过预埋在桩帽和主梁的钢筋接驳器连接钢筋并浇筑混凝土进行接桩。

4.4.1自锁千斤顶安装

（1）转换大梁拆模并张拉预应力后，按（图3）安装钢垫块及自锁千斤顶。

（2）自锁千斤顶安装前必须进行标定、检查和调试，确认合格后再安装。

（3）自锁千斤顶安装在托换桩两侧，当桩径为1200mm时，托换梁两侧安装2个250T的千斤顶；当桩径为1500mm时，托换桩两侧应安装2个500T的千斤顶。

（4）自锁千斤顶及钢垫块安装后，通过顶升及塞钢楔块的方法使其与转换梁底处于紧压状态。

4.4.2自锁千斤顶顶升及切桩

（1）自锁千斤顶的顶升与柱的沉降量及转换梁两端顶升量的监测紧密相关。依据柱沉降及转换梁两端顶升量观测，调整千斤顶的顶升量以满足柱的沉降量及转换梁两端顶升量差值小于设计要求。

（2）顶升位移控制：结构柱节点顶升位移为+1mm，-3mm。

（3）在断桩前将托换体系用千斤顶顶升，使柱的抬升量为1mm。

（4）待千斤顶稳定且托换新桩压缩稳定后即可在隧道内断桩。

（5）隧道下穿段加强初期支护，断桩采用风镐凿除，尽可能减小对土层和原桩体的扰动。

（6）加强施工跟踪测量，根据托换节点位移变化随时调整千斤顶顶力，确保结构安全。

4.4.3接柱及千斤顶拆除

（1）待隧道全部穿越厂区完成切桩，且各托换节点变形稳定后，进入接柱及拆除千斤顶的阶段。

（2）接柱工艺：驳接钢筋—第一次支模—利用两侧浇注（C40微膨胀）砼—第二次封模—垂直浇捣（C40微膨胀）砼。

（3）接桩养护到规定龄期后，将千斤顶回油，从桩帽上取出。

（4）将桩帽与转换大梁底的空间用砼填满。

5、施工控制要点

（1）本次托换施工中，托换梁系预应力、自锁式节点及自锁式千斤顶顶升是关乎托换成败的关键，施工中严格按规范控制施工质量，并严格按工艺操作流程有步骤地实施顶升。

（2）强化信息化施工作指导，主要对建筑物沉降和倾斜、托换新桩的沉降及托换梁系变形实施全过程跟踪监测。桩基托换对结构受力和变形有特殊要求，本工程要全过程进行施工监测，及时反馈，对施工中结构的变形和受力进行有效的预测和控制，及时调整施工工艺和采取有效措施。

（3）施工中加强对人工挖孔桩、深基坑及隧道暗挖等危险性较大分部分项工程的管理，认真落实施工安全措施，严防坍塌事故发生，确保施工安全。

6、结束语

在复杂的地质条件和苛刻的施工环境中，经过精心组织、层层把关，合理选用桩梁式托换结构成功对鸿名电业厂房基础进行主动托换。整个施工过程中对厂房及托换结构进行严密的跟踪量测，其变形控制在设计范围以内，未对厂方的生产造成不利影响，受到了社会各界的好评。通过该方案的成功实施，充分说明桩基托换技术在对大荷载、变形控制严格的基础进行原位保护方面具有不可替代的优势和发展前景。

参考文献：

[1]卜建清.桩基础主动托换进展