洞内托换施工在地铁设计的应用

书书书洞内托换施工在地铁设计的应用刘启峰（中铁二院工程集团有限责任公司，成都　６１００３１）摘要：广州地铁五号线杨箕站—五羊?站区间穿越广州市东山区，周边建筑物密集，地面交通繁忙，而线路经过的五羊?过街楼需进行桩基托换，如何保证在不影响地面交通的前提下，顺利进行桩基托换，成为设计的首要难题。通过对地面条件进行充分研究和分析，提出洞内托换的设计理念，并对洞内托换进行可行性和结构计算分析，得出采用的洞内托换方案是可行的。最后，对洞内托换在设计和施工过程中的关键工序和工程措施进行阐述。桩基托换工程的成功，满足了工期要求，保证了工程质量。关键词：地铁；洞内托换；暗挖隧道；托换桩梁中图分类号：Ｕ２３１　文献标志码：Ｂ　　文章编号：１６７２－７４１Ｘ（２００９）０３－０２９５－０６ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＩｎｓｉｄｅｔｕｎｎｅｌＵｎｄｅｒｐｉｎｎｉｎｇｉｎＭｅｔｒｏＴｕｎｎｅｌＤｅｓｉｇｎＬＩＵＱｉｆｅｎｇ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＥｒｙｕａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００３１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＹａｎｇｊｉＳｔａｔｉｏｎＷｕｙａｎｇｃｕｎＳｔａｔｉｏｎｏｎＮｏ．５ＬｉｎｅｏｆＧｕａｎｇｚｈｏｕＭｅｔｒｏｇｏｅｓｕｎｄｅｒｎｅａｔｈｔｈｒｏｕｇｈＤｏｎｇｓｈａｎＤｉｓｔｒｉｃｔ，ｗｈｅｒｅｔｈｅｒｅａｒｅｍａｎｙｂｕｉｌｄｉｎｇｓａｎｄｈｅａｖｙｔｒａｆｆｉｃ．ＤｕｅｔｏｔｈｅｎｅｅｄｏｆｐｉｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｐｉｎｎｉｎｇｏｆＧｕｏｊｉｅｌｏｕｂｕｉｌｄｉｎｇ，ｈｏｗｔｏｇｕａｒａｎｔｅｅｚｅｒｏｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｔｒａｆｆｉｃｓｄｕｒｉｎｇｕｎｄｅｒｐｉｎｎｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｂｅｃｏｍｅｓａｔｏｐｉｃｏｆｔｏｐｐｒｉｏｒｉｔｙ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｔｕｄｙａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｇｒｏｕｎｄｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｔｈｅｏｒｙｏｆｕｎｄｅｒｐｉｎｎｉｎｇｉｎｔｕｎｎｅｌｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｕｎｄｅｒｐｉｎｎｉｎｇｉｎｔｕｎｎｅｌ，ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｎｅｇａｔｉｖｅｆｒｉｃｔｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙｕｎｄｅｒｐｉｎｎｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｎｔｕｎｎｅｌｏｎｔｈｅｐｉｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ，ａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｆｏｒｃｅｂｅａｒｉｎｇｏｆｐｉｌｅａｎｄｂｅａｍｕｎｄｅｒｐｉｎｎｉｎｇｍｏｄｅｌｓｈｏｗｔｈａｔｕｎｄｅｒｐｉｎｎｉｎｇｉｎｔｕｎｎｅｌｉｓｐｒａｃｔｉｃａｌ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｋｅｙｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｕｎｄｅｒｐｉｎｎｉｎｇｉｎｔｕｎｎｅｌ．Ｔｈｅｕｓｅｏｆｕｎｄｅｒｐｉｎｎｉｎｇｉｎｔｕｎｎｅｌｇｕａｒａｎｔｅｅｓｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｃｈｅｄｕｌｅａｎｄｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｅｔｒｏ；ｕｎｄｅｒｐｉｎｎｉｎｇｉｎｔｕｎｎｅｌ；ｍｉｎｅｄｔｕｎｎｅｌ；ｐｉｌｅａｎｄｂｅａｍｕｎｄｅｒｐｉｎｎｉｎｇ０　引言桩基托换技术随着国民经济的发展和铁路、公路、城市轨道交通的建设已越来越成熟，但其施工场地一般是在地面、建筑物的首层或地下室进行的［１］，而本工程由于没有地面施工条件；因此，只能采用洞内托换形式。目前有关洞内托换的文献介绍［２－４］，主要是对数值理论分析［２］、设计方法［３］等方面有一些阐述，而对洞内托换中的关键施工工序、设计施工应注意的主要问题方面论述较少，通过对广州地铁五号线杨箕站—五羊?站区间洞内桩基托换工程设计的介绍，对洞内托换的变形、受力进行分析，提出洞内托换的设计思路、关键工序及设计施工应注意的问题，可为类似工程提供参考。１　工程介绍１）工程概况广州市轨道交通五号线首期工程（蟯口至文冲段）正线线路全长３２ｋｍ。其中，２９．７９ｋｍ为地下线路，２ｋｍ为高架线路，０．２１ｋｍ为路基或路堑线路。线路西起芳村的蟯口站，东至黄埔的文冲站，从东往西依次设置２４座车站［５］。五号线杨箕站—五羊?站区间位于广州市东山区，周边建筑物密集，地面交通繁忙，该区间采用盾构法施工，区间隧道在右线里程约ＹＤＫ１４＋７９０．０～＋８５０．０、左线里程约ＺＤＫ１４＋８１０．０～＋８７０．０处下穿五羊?过街楼，五羊?过街楼跨寺右新马路修建，为４层框架结构，采用桩基础，与区间隧道冲突，需进行托换处理。收稿日期：２００９－０３－２６；修回日期：２００９－０５－１１作者简介：刘启峰（１９６３—）男，重庆人，１９８６年毕业于重庆交通学院港口航道与海岸工程专业，本科，高级工程师，现从事城市轨道交通、地下工程及隧道工程的设计工作。　第２９卷　第３期２００９年６月　　　　　　　　　　　　　　隧道建设ＴｕｎｎｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　　　　　　　　　　　　　　Ｖｏｌ．２９　Ｎｏ．３Ｊｕｎｅ　２００９　　２）地质概况［６］五号线杨箕站—五羊?站区间五羊?过街楼所处地面为寺右新马路行车道，场区地面较为平坦，地面标高为７．５０～８．７３ｍ。地层由上到下分别为人工填土层、冲－洪积黏性土层、可塑状残积土粉质黏土层、硬塑－坚硬状风化残积粉质黏土层、岩石全强风化层、岩石强风化层、岩石中风化层、岩石微风化层。隧道穿越的地层主要是冲－洪积黏性土层、可塑状残积土粉质黏土层、硬塑－坚硬状风化残积粉质黏土层、岩石全强风化层。３）桩基与区间隧道的关系五号线杨箕站—五羊?站区间五羊?过街楼桩基础均采用人工挖孔桩，桩径为１２００ｍｍ，桩长均超过２０ｍ，桩中心最大净距１８．５ｍ，最小为８．２５ｍ，桩基均进入微风化地层，为端承桩基础，桩基设计承载力为９０００ｋＮ，共有６根桩基侵入区间隧道。五羊?过街楼桩基与五号线杨箕站—五羊?站区间隧道平面关系见图１。由于区间采用盾构法施工，需对桩基础进行处理［７］。图１　杨—五区间过五羊?过街楼桩基础与盾构隧道关系图Ｆｉｇ．１　ＬｏｃａｔｉｏｎｏｆｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌａｎｄｂｕｉｌｄｉｎｇｐｉｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓｉｎＷｕｙａｎｇｃｕｎｏｎＹａｎｇｊｉＳｔａｔｉｏｎＷｕｙａｎｇｃｕｎＳｔａｔｉｏｎｓｅｃｔｉｏｎ２　设计思路五号线杨箕站—五羊?站区间五羊?过街楼所处的寺右新马路为东山区主要干道，交通繁忙，地下管线多，且部分原桩紧贴五羊?绿岛加压站，无地面施工的条件；五羊?过街楼离五羊?站仅１１０ｍ，区间隧道无避让的可能性；由于区间穿越大量的建筑物，为保证施工安全，需采用盾构法施工。参考国内外的工程实例［１，３］，桩基托换基本都是在地面条件下进行实施的，而本工程无地面条件，如何进行桩基托换，就成为工程能否顺利实施的关键。通过现场调查，在离五羊?过街楼西侧约７０ｍ处有一市政绿地，面积约１３００ｍ２，能否通过这一市政绿地，做一施工竖井，利用施工竖井施作地下通道，在地下通道进行桩基托换施工成为首要考虑的问题。３　洞内托换可行性分析要实现洞内托换，主要的环节是施工竖井、暗挖托换通道、通道内托换施工。１）施工竖井。根据地质条件，竖井范围内基本无不良地层，同时，满足施工的竖井尺寸（３ｍ×５ｍ），这在广州地铁设计中有相当成熟的设计和施工经验［８］。２）暗挖托换通道。根据托换施工要求，托换通道断面尺寸宽度为２～４．５ｍ，高度为３．５～６．７ｍ，通道与通道之间的距离最小为４ｍ，暗挖隧道尺寸较小，结合广州的工程经验，托换通道设计施工是可行的，施工过程中主要控制地面沉降，从而控制地层沉降引起的负摩阻力对己有桩基的影响［３］。３）通道内托换施工。桩基托换的主要施工工序为托换桩—预顶承台—托换梁—预顶—截桩—稳压封桩。这些工序由原来的地面作业改为现在的地下通道内作业，施工风险及施工难度有所加大；但只要在施工中加强安全措施、提出应急预案，也可保证施工安全。４　结构计算分析４．１暗挖托换通道选取断面尺寸较大的托换暗挖通道（４．５ｍ×６．７ｍ）（即最不利状态）进行计算分析，计算采用荷载结构模型，初支承担全部的水土压力，采用２５０ｍｍ厚的Ｃ２０喷射混凝土，通过模拟计算，暗挖托换通道初支变形、弯距图见图２、３。６９２　隧道建设　　　　　　　　　　　　　　　　　　第２９卷　通过计算得出：暗挖托换隧道施工引起的最大沉降为８．５ｍｍ，初支最大弯距为２９７ｋＮ·ｍ，满足相关规范及初支受力的要求。图２　暗挖托换隧道沉降图Ｆｉｇ．２　Ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｏｆｍｉｎｅｄｕｎｄｅｒｐｉｎｎｉｎｇｔｕｎｎｅｌ图３　暗挖托换隧道初支弯距图Ｆｉｇ．３　Ｂｅｎｄｉｎｇｍｏｍｅｎｔｄｉａｇｒａｍｏｆｐｒｉｍａｒｙｓｕｐｐｏｒｔｏｆｍｉｎｅｄｕｎｄｅｒｐｉｎｎｉｎｇｔｕｎｎｅｌ４．２　托换隧道施工产生的负摩阻力对桩基的影响被托换桩基基础采用人工挖孔桩，桩径为１２００ｍｍ，托换隧道距地面约１４ｍ，主要的地层为冲－洪积黏性土层、可塑状残积土粉质黏土层、硬塑－坚硬状风化残积粉质黏土层、岩石全强风化层，托换隧道与桩基地质剖面关系见４。　　托换隧道施工产生的负摩阻力［９］：Ｆｖ＝∑Ｄ×πＱｓ×Ｌ＝（５×２８＋１．５×３５＋４×３８＋３．５×４５）×３．１４×１．２＝１８９２ｋＮ注：Ｑｓ为桩周摩阻力标准值。单桩竖向承载力设计值＝原承载力设计值＋负摩阻力×１．２５＝９０００＋１８９２×１．２５＝１１３６５ｋＮ托换桩为嵌岩桩，其单桩竖向承载力［１０］Ｑｖｋ＝§ｐ×ｆｒｃ×Ａｐ＝０．４×３０３００×３．１４×１．２２４＝１３７００ｋＮ＞１１３６５ｋＮ式中：§ｐ为端阻力修正系数；ｆｒｃ为岩石饱和单轴抗压强度标准值。计算表明，托换隧道施工增加的负摩阻力仍满足原桩承载力要求。图４　托换隧道与桩基地质剖面图Ｆｉｇ．４　Ｐｒｏｆｉｌｅｏｆｕｎｄｅｒｐｉｎｎｉｎｇｔｕｎｎｅｌ，ｐｉｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎａｎｄｓｔｒａｔｕｍ４．３　托换桩梁计算１）计算模型。计算选取３９＃桩基为典型结构，采用ＡＮＳＹＳ计算分析软件、地层－结构模型进行结构计算分析，地层土体采用ｐｌａｎ４２单元模拟，托换新桩、托换梁板及原桩采用ｂｅａｍ３单元模拟，该有限元模型自上而下取不同土（岩）层进行计算，自上而下分别为杂填土、冲－洪积黏性土层、可塑状残积土粉质黏土层、硬塑－坚硬状风化残积粉质黏土层、岩石全强风层、岩石全中风层、岩石微风层，并采用弹塑性本构关系和Ｄｒｕｃｋｅｒ—Ｐｒａｇｅｒ屈服准则求解，单元网格划分见图５。　　２）结构计算荷载。计算采用地层－结构模式，将托换梁、原桩、新桩建入模型中，新桩底地基对桩的作用采用弹簧单元模拟，当盾构在工程施工中，考虑最不利影响，原桩不承受荷载，全部荷载由新的托换体系承载。模型计算中不考虑新桩侧摩阻力、梁下地基反力。托换梁主要承受荷载包括：①结构自身质量；②由于洞内截桩，原桩荷载转换至托换梁上；③新桩桩底地基反力。７９２　第３期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　刘启峰：　洞内托换施工在地铁设计的应用　图５　桩基托换计算模型图Ｆｉｇ．５　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｐｉｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｐｉｎｎｉｎｇ　　３）计算结果及分析根据计算，得出桩基内力、房屋沉降结果分别见表１和图６、图７。表１　计算结果统计表Ｔａｂｌｅ１　Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ房屋沉降／ｍｍ托换桩沉降／ｍｍ托换梁弯矩／（ｋＮ·ｍ）４．６３．７５４７３图６　竖向沉降图Ｆｉｇ．６　Ｖｅｒｔｉｃａｌｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ图７　托换梁弯矩图Ｆｉｇ．７　Ｂｅｎｄｉｎｇｍｏｍｅｎｔｄｉａｇｒａｍｏｆｕｎｄｅｒｐｉｎｎｉｎｇｂｅａｍ由图６、７可得出：①根据梁内力图，拟定的梁的截面尺寸是合理的。②根据竖向沉降图，可见房屋、托换桩沉降较小，满足相关要求。５　洞内托换设计５．１　施工竖井临时施工竖井结构支护形式为锚喷支护，采用锚杆（或小导管注浆）＋钢筋网＋喷射混凝土＋格栅钢架组成的联合支护，其设计内容主要为井口、井身、井