地面建筑物的保护和桩基托换技术

地面建筑物的保护和桩基托换技术广州市地下铁道设计研究院盾构技术研究所广州轨道交通建设监理有限公司魏康林2008年1月前言ƒ盾构法是目前隧道暗挖施工中昀为先进的一种工法，其优势是速度快、成本低、作业环境安全、对地面的交通建筑物影响小，被世界各国广泛应用于城市地下交通隧道、城市污水隧道和城市管线隧道的施工。但由于城市建筑物林立，地下管线密集，盾构在建筑物下穿过或临近建筑物的现象十分普遍，如何控制地层沉降保护地面建筑物构筑物的安全是盾构施工必须要解决的技术问题；ƒ随着城市建设的发展，人口数量的增加和地面交通的拥挤，地下空间的开发已经成为各大城市发展的主要方向。地下空间的开发程度从某种意义上来说也标志着一个城市的文明发展水平。对隧道沿线的地下障碍物进行调查，主要调查地面建筑物,地下构筑物、埋设物、水井以及已建地下工程的记录，查清其基础及结构形式，桩基长度，类型，受力模式等基础的施工资料。对障碍物的调查，不仅调查障碍物的位置、形状，结构形式，还须调查原有建筑物和构筑物的重要性、用途、工作状况、损伤状况及周围环境。清楚掌握障碍物的概况，能够在设计阶明确其具体的保护措施。ƒ1建筑物调查ƒ盾构隧道邻近施工是指盾构推进的影响范围内有构筑物，例如相邻隧道或管线、桥梁、房基础等构筑物。邻近的范围一般指从盾构下端始划出（45º+φ/2）的斜线，既横向沉降槽的范围内，见图下所示。在邻近范围内的构筑物，均要实施监测保护。ƒ确认障碍物的方法，昀有效的方法是采用试挖掘确认的直接确认法。ƒ当不能直接确认时，可采用物探方法间接确认(雷达探测或地质CT)。ƒ当时的竣工资料也是一个重要的参考资料。ƒ2对付障碍物的方法在障碍物调查的基础上，确认对付的方法，寻求拆除障碍物的可能性或用基础托换方法。可以拆除的障碍物有以下几种：ƒ结构上可以拆除的临时性桩基；ƒ已经弃用的旧桥墩、旧护岸等；ƒ障碍部分可以拆除的构筑物；ƒ盾构施工后可以重建的构筑物。ƒ可以采用基础托换方法撤去相应障碍物的有以下几种：ƒ可以替代的建筑物；ƒ可以替代的地下构筑物。ƒ3建筑物的保护对建筑物的保护在具体操作时分为两种情况：一种是在盾构施工之前的预先加固：另一种是在施工过程中进行保护。ƒ（1）预加固是指在盾构施工之前，根据对工程地质特征的分析及地面建筑物状况的研究做出判断需要进行的防护性措施。它包括对建筑物基础的预加固处理、对建筑物的预支护及对建筑物的桩基托换等。ƒ（2）在施工过程中进行保护是指已出现危及地面建筑物安全时所采取的保护性措施。它包括对建筑物的临时支顶、对基础的加固等。ƒ4基础托换盾构邻近施工的基础托换，因构筑物形式和重力的不同，可采用不同的施工方法：ƒ①承压板方式:（扩大基础形式）如案例一ƒ②新设桩和承压板结合方式:如案例一ƒ③新设桩梁基础方式:如案例一、案例二、案例三案例一广州市轨道交通三号线【大塘～沥滘盾构区间】建筑物桩基托换工程ƒ1工程概况ƒ在里程YDK10+000～YDK10+300内，穿越新基新村、广州耐火材料厂厂房及宿舍（YDK10+680～YDK11+000）和欣晟皮具制品厂厂房。地面房屋大多为市郊农民房，以4～7层局部8层框架的民宅建筑为多，基础以Φ500~Φ800mm灌注桩为主基本为单柱单桩，个别为天然基础，其中有十六栋建筑物基础侵入隧道或临近隧道，需进行桩基托换或基础加固。详见图示。ƒ2地质和水文条件ƒ该区段隧道埋深为16-22米，隧道底部为强、中等风化岩、泥岩、，天然抗压强度fc＝20mpa，边墙为饱和水中细砂，强、中等风化砂、泥沙n=18～87击，拱顶为饱和中、细砂层，厚8～10m，其上为淤泥质土。ƒ根据地层的富水程度及储水介质，本区段地下水有第四系孔隙水及基岩裂隙水两种类型。第四系孔隙水，含水层为饱水中细砂中等透水性；基岩裂隙水含水层为强、中等风化岩、泥岩中等透水性。ƒ3方案比较ƒ3.1施工图设计ƒ对于A273、A274、A276、A277-2、A292、A294六幢房屋采用筏板+桩周注浆托换方案。筏板结构采用500-700mm厚的钢筋混凝土板,新加的筏板基础与原结构采用包柱或包承台方式连接。新旧混凝土之间进行界面处理,筏板施工时在侵入隧道桩的桩周预埋注浆管,筏板完成后进行注浆以提高桩周土的摩阻力。侵入隧道的桩在盾构通过时由盾构磨断。在盾构掘进时进行跟踪注浆,以减少建筑物的变形。ƒ对于A275、A277、A280、A289、A290、A291、A293-1七幢房屋，采用托换梁-托换桩方案。托换梁-托换桩结构采用普通钢筋混凝土包柱（或包承台）的大梁和Φ600的钻孔ƒ灌注桩,并采用预顶措施来消除柱沉降引起的对建筑物的影响。达到主动托换的目的。由水平大梁包柱及托换桩构成新的受力体系。水平大梁采用C35钢筋砼，梁截面b×h=700×1400~1200×2000mm。利用原建筑物首层作为施工空间,托换新桩采用Φ600钻孔桩,要求桩边到隧道外边线的距离不少于1米。ƒ建筑物采用顶升法既在原承台上施作钢筋砼顶升平台，包裹房屋柱成一整体。采用200-500吨级的QYD200-500型千斤顶的顶升装置安装在顶升平台于原承台之间，通过预顶使荷载通过千斤顶传递到地面上并全面观测变形稳定后，切断原承台和顶升平台间的房柱。当盾构通过时，根据监测结果调节千斤顶，以补偿地层的隆陷位移。盾构通过后，修复被切断的柱子。ƒ对于A267、A270、A271-2三幢建筑物，则采用包柱式承台结合锚杆静压桩进行局部加固。ƒ3.2存在问题ƒ如果实施顶升方案，则作业面与现有室外地坪昀深处将达到2700~3200mm。由于建筑物密集，基坑开挖后无法放坡，地下水较为丰富，土方开挖后将势必会对周边建筑物和基坑本身带来很大的施工困难。ƒ3.3现行方案ƒ根据现场房屋密集、桩基在隧道范围之内为素砼、桩周注浆效果不理想等原因，经过多次的方案论证和审查昀终决定采取如下方案：承台梁加静压桩加固、筏板加静压桩加固、筏板加静压桩加袖筏管跟踪注浆加固方案。如表所示：375合计-2.3-2.718600531A293-116-5.0-5.5216001057A29115-9.1-9.326600855A28914-1.4-1.722600928A27713-1.2-1.322800625筏板加静压桩加盾构通过时袖阀跟踪注浆A275120.6-0.816600428A29011-0.1-0.4176001021A294100.6-.0.820600446A28090.11650036A2928-0.321600813A277-27-0.04-0221800921A2766+0.3-0.4.21600714A2745-0.70-0.922500919筏板加静压桩加固A2734+1.602060035A271-23+1.02150034A2702+1.12150012承台梁加静压桩加固A2671与隧道的关系原桩长（m）桩径（mm）需处理桩数量静压桩数量加固形式房屋编号序号ƒ4、主要技术措施ƒ本工程采用筏板基础施工时，筏板结构为500~700mm厚的钢筋砼板，混凝土强度为C25，筏板底地基承载力大于80~120Kpa，新加筏板基础与原结构连接，采用包柱方式，钢筋从原承台上穿过，在浇筑筏板砼时将旧砼表面进行凿毛。筏板与原有房屋需植筋，筏板混凝土强度为C25，采用板式双层配筋。遇到原建筑物承台或柱时采用植筋方式进行连接。原桩不切断，在盾构掘进通过时，进行跟踪注浆，以减少建筑物的变形及沉降，保证建筑物的安全。ƒ采用筏板基础时施工时包括：地基加固、筏板基础施工、静压桩施工，跟踪注浆、施工监测等工序。具体工艺流程如下：建筑物调查建筑物监测取得初始值放线土方开挖砌筑砖模植筋钢筋制安砼浇注静压桩施工房屋恢复全面监测盾构掘进时跟踪注浆全面监测ƒ5盾构通过该区段时的施工控制技术ƒ右线盾构机在8月3日进入隧道该区段，该区段埋深较浅23～14米，隧道头顶砂层达8～10米，在隧道顶和其影响区域内主要有45栋密集的3～5层民用建筑物，其中虽然对16栋房屋进行了基础加固，但是由于地质条件较差，侵入隧道的建筑物和部分天然基础的房屋对盾构隧道的掘进仍然是很大的挑战。ƒ5.1工程施工情况及采取的主要措施ƒ该区段因隧道埋深浅，砂层厚，建筑物密集，地下水丰富等特点引起各方的高度重视。在到达前，承包商已经对盾构机的19把中心和边缘滚儀进行了更换。但在8月6日当日的建筑物沉降监测数据显示，ZA153-2：-7.44mm，ZA153-3：-7.32mm，ZA140-1：-4.74mm建筑物沉降数据已经接近预警值10mm，通过对现场设备详细的检查发现，盾构机尾刷击穿，绞接出现渗漏。这些原因造成盾构机同步注浆无法填充衬砌背后的孔隙，因隧道周围土体的自稳性较差从而引起了地面建筑物的沉降。ƒ5.1.1尾刷更换ƒ8月11日首先对盾尾绞接密封进行抢修，在8月13日对盾尾的昀后一排尾刷进行全部更换。ƒ8月14日在944环拼装完成后，945掘进1200mm时，开始拆除K块相邻两片管片，露出第一道尾刷空隙，利用空隙先将周边的渣土清理干净，然后逐片割除，先点焊固定，在逐步满焊牢固，（如图）。再上面管片稳定后，在按照上面的程序进行下面的管片。ƒ通过此次大修，从设备的本身解决了盾构机漏浆，同步注浆效果差等问题。8月17日右线盾构机恢复掘进。管片拆除后的两道尾刷已换装并上好油脂的尾刷ƒ5.1.2现场沉降情况及相应措施ƒ8月21日盾构机在掘进1531环时，建筑物当日沉降的数据再次显示A273-1：3.55mm，A273-4：6.56mm，A275-1：5.84mm，A275-2：3.56mm，同时累计沉降达到A140-1：37.87，ZA140-4：37.5mm，A269-1：32.9mm，A269-4：27.12mm，已经超过规范允许沉降值，在A259房屋及A262地面出现了不同程度的裂缝如图。A259房屋三层露台地面出现的裂缝A262外墙与围墙同铺瓷砖面接口处出现裂缝ƒ通过认真的总结和分析法发现盾构机掘进参数的控制不合理，盾构机的姿态控制，泡沫管的畅通，进土量与出土量的平衡控制等因素都是造成建筑物沉降的原因。ƒ尤其通过对现场盾构机实际操作数据的调查发现在该段掘进时，土仓压力在掘进和非掘进状态下，压力变化较大。如在2004年8月24日在掘进947环时1＃土仓压力在掘进时为1.9-2.1bar,在停机时土仓压力为0.4-0.6bar,压力瞬间起伏为1.7bar。ƒ由于土仓压力的波动对土层的扰动较大，因该段地层处于自稳性较差的地段，地层的扰动通过土体的应力重新分布及固结后，使作用于该地层的建筑物及地面出现不同的沉降，沉降超过其承载能力后，出现裂缝。现场通过采取以下措施，严格控制建筑物的沉降，取了良好的效果在9月13日早1：30顺利到达预计停机位:1、全部采用土压平衡模式进行掘进，保证土仓压力的平衡在1.2bar,左右，在推进过程和停机过程中保持土压的基本平衡，不要出现过大的波动。2、保证同步注浆量在6m3以上，注浆压力保证1.5～2.5bar;严格控制注浆管的畅通，发现堵管时应及时安排疏通；同时在浆液泵入浆液槽之前严格检查浆液的质量，对不合格的浆液，不予使用。3、保证同步注浆速度与推进速度要保持统一性，每推进100mm同步注浆泵要注入40～45次。严格控制出土量，现场要做到进土量与出土量保持平衡。4、保证儀盘前方的泡沫管与膨润土管的畅通，在掘进过程中保证泡沫及膨润土的注入量。在加注泡沫的过程中，要注意控制气压，尽量避免过高压力引起的土压波动，并且必须注意控制.5、在推进过程中应保持盾构机的姿态平稳，严禁姿态的起伏过大引起儀盘周边土体的沉降。6、加大地面的监测力度，在建筑物当日沉降的数据超过2mm以上时，测量频率就要加倍，而且测量数据要及时反馈到掘进班组，以迅速调整盾构机参数以达到指导施工的目的。7、严格控制盾构机在推进过程中千斤顶A区、C区的油缸油压差值要保持统一、稳定、不要出现过大的波动姿态。蛇行超挖。ƒ5.1.3桩基侵入隧道建筑物的沉降ƒ该段区域共有5栋桩基侵入隧道房屋A275、A277、ZA181、