利用地下导洞实现桩基托换的设计方法.pdf

文章编号:1009-6582(2007)01-0027-05利用地下导洞实现桩基托换的设计方法吕剑英 薛 煌(中铁隧道勘测设计院有限公司,洛阳471009)摘 要 文章采用了一种在地下导洞群内进行桩基托换的方法,并对导洞施工导致的原桩负摩阻力、承载力和附加沉降进行了讨论,基于弹性理论推导了计算桩附加沉降的公式。利用该方法对广州地铁工程进行了分析验证,结果表明文中的公式能较准确地描述桩的附加沉降。在复杂环境条件下的桩基托换中,该方法具有一定的应用价值。关键词 地下导洞 桩基托换 负摩阻力 附加沉降 设计方法中图分类号:U452.2+5 文献标识码:A1 前 言传统的桩基托换一般在地面、建筑物的首层或地下室内进行,施工环境相对较好,工程造价低,难度小,速度快,因而应用最广。但是,它也有很突出的缺点,主要表现在:需对建筑的一层或地下室居民、设备进行搬迁、安置及补偿;对高架桥等,要临时封闭道路、开挖基槽;对地下管线要临时迁移及回迁。除此之外,还有施工噪音、粉尘等不利影响。由于特殊原因,当托换工程所处的周边情况很复杂时,往往交通不许封堵、房屋内设备和人员无法迁出,地面托换无条件实施时,便会影响工程的顺利进行。2 地下导洞群桩基托换方法2.1 托换思路本方法是利用施工竖井,在建筑物下暗挖地下导洞群构成地下托换空间,然后进行桩、梁托换体系作业,从而实现在地下对既有建、构筑物的桩基础托换。该方法的核心思路:利用导洞的断面小、经济、导洞能及时封闭、对原桩基的影响小、对地层的扰动小等特点,同时也应充分考虑地下托换对原有桩的附加承载力和附加变形的不利影响,以确保建筑物的安全。其托换方法如图1所示。图1 桩基托换示意Fig.1Sketch of pile foundation underpinning修改稿返回日期:2006-12-28作者简介:吕剑英,男,高级工程师,一级注册结构工程师.72第44卷第1期2007年2月现代隧道技术Modern Tunnelling TechnologyVol.44No.1Feb.20072.2 托换空间体系托换空间体系由明挖竖井和暗挖主导洞、若干支导洞组成,施工竖井和主导洞是施工和材料运输的公共空间;支导洞是对各个桩实施托换的作业空间,各桩可以相对独立施工,实现平行作业。竖井选在施工影响相对小的地方,形状为矩形,尺寸为3 m4 m。导洞形状为拱形直墙平底,宽度为34 m,高度4.55.5 m。竖井和导洞的支护均采用锚喷衬砌,为临时结构,只有初期支护,没有二次衬砌。其支护结构按照GB50086-2001锚杆喷射混凝土支护技术规范 1 设计,对土质地层应采用网喷混凝土+格栅钢架组成的联合支护。2.3 托换受力体系为充分利用托换空间,托换受力体系采用直线布置的桩梁托换体系。托换桩的形式可采用挖孔桩、钻孔桩和微型钢管桩等形式。为减少梁截面高度,托换梁采用型钢混凝土组合梁”或者预应力混凝土梁。托换梁与被托换桩之间的连接处理、被托换桩的截断分离以及预顶等措施,与地面常规方法相同,在此不做赘述。2.4 托换施工顺序施工主要步骤为:开挖竖井 开挖主导洞 开挖支导洞 在支导洞内施做托换桩及托换梁 实施预顶主动托换 截断分离原桩 托换结束 导洞及竖井回填 恢复场地。3 托换引起的沉降和附加力3.1 地表沉降导洞群施工引起的地表和土体沉降不可避免,其沉降可以用下式表示:U=U1+U2(1)式中 U 地层总沉降;U1 由于导洞的开挖应力释放引起的沉降;U2 开挖失水引起的土体渗透固结沉降。导洞群开挖引起的沉降U1可采用有限元法进行数值分析来预测。U2与隧道顶的土层性质、地下水情况、是否采用止水措施及实施效果有关,计算比较复杂,目前还很难准确计算。对U1和U2引起的沉降可以通过合理的开挖工序、支护措施和辅助工法控制在一定的范围内。对城市地铁工程,采用暗挖法施工时地表沉降一般为3060 mm2。国内采用导洞群在地铁暗挖车站中的使用情况表明2,3,单个导洞引起的地表沉降可控制在10 mm之内,4导洞群平行开挖的最大沉降累计可以控制在2427 mm以内。3.2 桩基承载力验算实践表明,桩土之间的相对位移在几毫米之内便会产生可观的负摩阻力4。GB5007-2002 建筑桩基技术规范 5 规定,由于降低地下水位,使桩周土中有效应力增大,产生显著沉降时应考虑桩侧的负摩阻力。对于本方法,由于导洞开挖不但会降低地下水位,还会因地层原始应力释放使土体发生沉降,两者累计产生的土体沉降将大于20 mm,当桩为端承时桩土将产生相对位移,因此采用地下导洞托换时必须考虑负摩阻力。负摩阻力会对桩基产生附加的下拉荷载,导致桩端荷载增大,使桩基产生附加沉降。摩阻力的分布见图2,在导洞上下开挖线与桩相交点附近,形成桩与土的相对位移为零的两个中性点,其间的范围形成中性面,该面既没有正摩阻力也没有负摩阻力。图2 桩身摩阻力分布Fig.2Friction distribution along a pile82现代隧道技术 负摩阻力使桩身产生的下拉荷载可按下式(2)5 计算,求出下拉荷载后,按下式(3)5 验算原桩基底承载力是否满足要求。Qng=uni=1qnsihi(2)式中 Qng 下拉荷载;qnsi 桩身第i层土的负摩阻力标准值,可按规范5 的有关规定计算;u 桩周长;hi 土分层厚度。0(N+1.27Qng)1.6R(3)式中 0 桩基重要性系数;N 桩顶设计荷载;R 桩基的承载力设计值。3.3 附加沉降计算(1)桩的沉降计算公式桩基的沉降S可由参考文献6 的公式计算。S=Sc+Sr+Ss(4)Sc=(N+Nb)L2AEcSr=Nbdb(1-2r)0.79AbEbSs=NbhsAbEs(5)(4)式和(5)式中:Sc 原桩的桩身沉降;Sr 桩底岩体压缩沉降;Ss 桩底沉渣压缩沉降;A、Ab、db 桩身、桩底面积及桩底直径;L、hs 桩长、沉渣的厚度;r 岩土泊松比;N、Nb 桩顶、桩底荷载;Ec、Eb、Es 混凝土的弹性模量、桩底岩土和沉渣的变形模量。公式是按照弹性理论法计算的,设定桩身的摩阻力是线性的,对单桩可以满足工程需要。(2)附加沉降计算下拉荷载会使桩身内力和桩基荷载发生内力重分布,并导致桩身和桩底产生附加变形沉降 S。为方便计算,将原桩身分为3段,即L1、L2和L3,桩身3段的轴力不同,见图2。假定桩的摩阻力是线形分布的,根据虎克定律及参考文献5,可以推导出桩的附加沉降公式(6)。S=(N+Qng)L-(QngL1+Nf3L3)0.5AEc+(Qng+Nf1+Nf2)(1-2r)0.79AbEb+(Qng+Nf1+Nf2)hsAbEs(6)式中Nf1、Nf2、Nf3为对应于导洞施工前原桩身L1、L2、L3三段的正摩阻力。计算出附加沉降后,应根据GB50007-2002建筑桩基技术规范 5 核算桩基的附加沉降差是否小于0.002l05(l0为相邻柱的中心距)。4 工程实例4.1 工程概况广州地铁五号线杨箕站 五羊邨站盾构区间,隧道下穿五羊邨过街楼。受相邻地铁车站站位和车站埋深的制约,区间隧道贯穿过街楼的6根桩需要托换。该楼为四层框架结构,柱网间距为10 m8.5 m,基础为 1 200 mm的人工挖孔桩,单桩最大承载力900 t。过街楼横跨市区繁华路段的寺新马路,其地面一层为双向八车道道路,车流量较大。车道由中间绿化带隔开,绿化带下方有一容积约3 000m3的地下压力水池,其供水范围覆盖周边众多高层建筑物。道路下还有6根给排水管线和51条电信光缆。4.2 导洞群托换设计方案由于过街楼的周边环境很复杂,采用常规的地面托换困难和阻力非常大。桩身所处的地层从上至下依次为:杂填土、粉质粘土、可塑及硬塑状残积土、全风化 微风化的泥质粉砂岩,桩底为微风化岩。通过地层分析,认为将暗挖导洞群设在硬塑残积土 强风化层内,采用合理的支护方法和辅助措施,能将地表沉降控制在设计要求范围内,并对施工引起的附加力和桩附加沉降计算分析,可以满足规范的要求,最终确定了地下暗挖导洞群托换方案7。在道路中间绿化带内设小竖井,布置了1条呈东西方向的主导洞及与其接近垂直的6条支导洞,形成地下托换空间,其中3条支导洞在主导洞的北侧,另3条在南侧,相邻两洞的净距为5 m左右。在支导洞采用桩梁托换体系,一举托换6根侵入隧道的桩。4.3 计算分析及实测效果评价(1)地层沉降采用有限元分析程序2D-软件,对支导洞的开挖进行平面有限元分析,程序模拟不排水情况下的导洞开挖,能反映由于地层初始应力释放引起的沉降。表1是6条支洞引起的地层沉降与实测沉92利用地下导洞实现桩基托换的设计方法降的对比。从表中数据可看出,计算分析的沉降量与导洞才开挖完成后的实测数值较接近。由于施工进度很快,这时可以认为渗透固结沉降还未形成。表1 拱顶沉降和地表沉降比较Table 1Comparison of crown settlements and ground settlements测点编号N1N2N3S1S2S3计算地表最大沉降/mm9.512.19.713.316.812.9计算导洞拱顶下沉/mm17.820.417.925.027.825.0导洞开挖后的地表沉降/mm131614181914导洞的累计最大地表沉降/mm232722253020注:由于拱顶下沉测点埋设滞后,实测数据不能真实反映实际情况,表中未列入.后面增加的沉降则基本是由于地层失水引起的固结沉降,其数值平均为12.1 mm。计算表明,桩和土体相对位移在15 mm以上,因此,土体的沉降引起的负摩阻力必须考虑。(2)原桩承载力验算和附加沉降根据原桩的挖孔记录和钻孔资料,由规范4 查得其下拉荷载见表2,将其代入式(3)验算,结果表明6条桩基底的承载力满足要求。根据式(6),下拉荷载引起的桩基沉降和实测沉降见表2。表中数据表明,计算沉降与实测沉降较接近,沉降量主要为桩端轴力增加引起地层压缩而致。桩之间的最大差异沉降为9.2 mm,小于允许沉降差20 mm(0.002l0)。表2 下拉荷载和桩基附加沉降Table 2Down pulls and additional settlements of pile foundation测点编号N1N2N3S1S2S3下拉荷载/kN2 2362 6602 6492 2032 1942 237桩计算附加沉降/mm2.514.63.83.33.33.2桩实测附加沉降/mm3.412.44.73.25.04.455 结束语(1)采用地下导洞托换方法可以减少或避免桩基托换施工对居民生活、地下管线及地面交通的影响。(2)地铁工程中,在难以实现地面托换的复杂条件下,采用地下托换方法可以更灵活地布置站位和线路,适当抬高车站的轨面埋深,避免急曲线小半径线路出现,这对降低车站运营成本、提高乘客的舒适度有益。(3)该方法可适用的地层范围为硬塑粘土及其以上的地层,导洞施工引起的地层和地表产生附加沉降可通过合理的支护措施和开挖方法控制在设计标准范围内。(4)该方法引起的原桩负摩阻力和附加沉降必须考虑,下拉荷载使原桩端轴力显著增加,因此,被托换桩宜为端承桩或摩擦端承桩及大直径桩,其附加沉降相对较小,安全性高。参考文献1 GB50086-2001 锚杆喷射混凝土支护技术规范 S.北京:中国建筑工业出版社,19952王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论M.合肥:安徽教育出版社,2004-123罗富荣等.北京地铁天安门西站“暗挖逆筑法”施工技术J.岩土工程学报,2001,23(1):74784夏力农等.带负摩阻力桩基的设计与检测J.岩土力学,2003,24增刊(10)4914945 GB50007-2002 建筑桩基技术规范 S.北京:中国建筑工业出版社,20026陆培炎.桩基设计方法J.岩石力学与工程学报,1994,13(4):3753887中铁隧道勘测设计院有限公司.广州地铁五号线杨-珠区间设计R.广州:中铁隧道勘测设计院有限公司,200503现代隧道技术8中国有色金属工业长沙设计院.广州地铁五号线杨-珠区间第三方监测报告R.广州:中国有色金属工业长沙设计院,2005Design of pile foundation underpinning by means of pilot tunnelsLv JianyingXue Huang(Tunnel Survey and Design Institute,Co.,Ltd.,C.R.E.C.Luoyang 471009)AbstractThis paper presents a method for pile foundation underpinning by adopting underground pilot tunnelgroups.Original piles negative skin friction,bearing capacity and additional settlements caused by pilot tunneldrivingwere discussed at first.Base on elasticity theory,a formula for calculating additional settlementof a pilewasobtained.An engineering example was analyzed by the same method.Calculated results agree well with the fieldmeasured data.The proposed method is applicable in pile foundation underpinning projectswith complex environ2ment.Key wordsPile foundation underpinning;Pilot tunnel;Negative skin friction;Additional settlement;Designmethod(上接第26页)Study on the m ining excavation of a shallow mun icipal tunnel withlarge cross-section embedded in water-soaked sandy cobble stratumW ang YangHe ChuanTang ZhichengZhang Jiangang(Dept.ofUnderground Engineering,Southwest JiaotongUniversity,Chengdu 610031)AbstractBased on thoroughly analyzing the characteristics of water-soaked sandy cobble stratum,taking thetunnelprojectof north railway station in Chengdu city as the background,the paper carried out finite element analy2ses to study the behavior of stratum,primary support,secondary lining on each section of the shallow tunnel withlarge cross-section excavated by mining method,with emphasis on the portal section.Some worthy results wereobtained that can be taken for reference by similar projects.Key wordsMunicipal tunnels;Mining excavation of shallow tunnels;Section of tunnelswith s mall-spacing13利用地下导洞实现桩基托换的设计方法