深圳市百货广场大轴力桩基托换技术研究

课题简介

一、科研课题立项

深圳地铁一期工程在五个区间九处地点穿切建筑物或桥梁桩基，必须对这些桩基进行托换或加固处理，总计约有49根桩和一段连续墙。其中，国贸—老街区间地铁隧道直接穿切百货广场裙楼（12层，其中地上9层，地下室3层）下六根桩基，需要进行桩基托换。百货广场桩基托换具有如下特点：⑴托换荷载大；⑵地层条件较复杂、地下水位高和托换位置深；⑶托换结构与周边环境受暗挖重叠隧道影响大等特点。如果大轴力桩基托换技术不能圆满解决，地铁一期工程1号线将不得不改变线路，不但会增加投资，而且还会严重影响1号线疏解交通能力。鉴于百货广场桩基托换工程技术难度大、工序复杂，国内外尚无大轴力桩基托换工程先例，为使地铁施工顺利进行，确保施工及百货广场的安全，深圳市地铁有限公司决定自选研究课题对百货广场大轴力桩基托换技术进行深入研究。该项技术研究不仅对保证百货广场桩基托换工程顺利进行是完全必要的，而且对深圳地铁一期工程其它桩基托换工程也具有十分重要的指导意义。

二、桩基托换原理及其应用领域

桩基托换技术主要应用于城市地铁建设中，在地下工程建设中也经常使用。桩基托换技术含量高、风险大，它涉及土木工程技术的多个方面，具有综合性强、各专业结合要求高、环境和安全问题突出等特点。桩基托换的核心技术是新桩和原桩荷载转换，要求在转换的过程中托换结构和新桩的变形限制在上部结构允许的范围之内。桩基的托换机理可以分为：主动和被动托换技术。主动托换技术是在原桩切桩之前对新桩和托换结构施加荷载，消除部分新桩和托换结构的变形，使得托换后桩和结构的变形限制在较小的范围。该技术运用于大吨位、结构物对变形要求严格的情况。被动托换技术是在原桩切桩的过程中，将荷载传递到新桩，托换后的桩和结构的变形往往难以得到控制，该技术适用于小吨位和结构对变形不甚严格的情况。

三、主要研究成果

针对百货广场桩基托换工程的技术特点，通过理论计算、试验研究和对施工监测数据深入分析等，圆满地解决了百货广场大轴力桩基托换工程的三项主要技术难题：大轴力梁—柱斜交状态下的梁—柱接头强度问题、大轴力主动托换技术（加、卸载及截桩技术和监测量控技术）和在约8.0m水柱的高承压水状态下人工挖孔桩施工技术；主要研究成果及结论如下：

1、通过理论计算与桩基托换机理分析，得出：⑴百货广场大轴力桩基托换工程须采用主动托换技术，以便有效地控制被托换柱的沉降变形；⑵被托换柱与相邻柱的沉降在3mm以内，不会对托换结构和百货广场的安全产生影响；⑶制定了监测控制标准：将3mm作为被托换柱沉降可控制位移值，6mm作为桩基托换阶段被托换柱位移警戒值，8mm作为结构短期容许最大位移值。

2、通过5种梁柱接头类型（凿毛、企口、预应力、锚筋、企口+锚筋+预应力）的1/4模型试验研究，初步解决了百货广场大轴力桩基托换工程的关键技术——大轴力梁—柱斜交状态下的梁柱接头选型问题，即采用“企口+锚筋+预应力”梁柱接头型式。

3、通过“企口+锚筋+预应力”梁柱接头的1/2模型强度试验研究，得出：该接头型式下初始滑移荷载和极限破坏荷载的安全系数均大于2（按托换轴力18000 kN计），并且柱－梁接头处无明显应力集中现象，不会造成柱体角点的局部破坏。

4、通过1/4整体模型试验研究，得出：⑴、百货广场桩基托换结构的设计方案具有足够的安全储备，能够保证上部结构和托换结构本身的安全；⑵、确定了主动托换技术（加、卸载及截桩技术和监测量控技术）；⑶、同时让主体承包商掌握和熟悉主动托换施工工艺。

5、通过双液化学注浆截水帷幕原位试验，得出了适合于百货广场托换工区的施工工艺、注浆参数和注浆配方，试验表明：以水玻璃为主材的双液注浆工法对本工点的不同地层均取得了改良土壤和减小渗透系数（可达到10^-5—10^-6cm/s）的工程效果，截水帷幕的水力劈裂压力大于0.3Mpa，可以满足近20m深的挖孔桩截水要求。成功地保证了高地下水位下（水头达10m）人工挖孔桩顺利施作。在人工挖孔桩的施工过程中，结构柱最大累积沉降在2.0mm以内。

6、通过截桩试验研究，得出在高压应力下截桩，不会发生砼的崩裂和结构突然位移的结论，并由此制定了确定截桩荷载原则：尽可能保持被托换柱在托换前、后轴力不变或略有减少（即被托换柱位移增量为零或略有下沉）。

7、采用主动托换技术必须充分实现信息化施工。在工程实施中，采用先进的、高精度、全自动实施监测系统，及时准确的获取了监测信息，有效地调整了设计施工技术参数，达到了指导施工的目的。在本次工程施工中，通过对科研示范桩的监测结果深入分析，并结合截桩试验研究成果，对原设计施工技术参数进行了一些合理变更，如截桩时的托换荷载由60%改为40%的原轴力设计值估算值。

8、通过立项研究，攻克了一系列技术难题，并将研究成果及时地应用于工程实践中，取得了百货广场大轴力桩基托换工程的成功：在暗挖隧道通过后，被托换柱沉降基本控制在-3.0mm以内（最大沉降为3.69 mm），既有结构柱累计最大沉降量不到-7.7mm，均在监测控制标准以内；且托换结构及其相邻梁板未产生新增裂缝和既有裂缝的发展，确保了百货广场的安全。

9、制定了一套完整的大轴力主动托换施工技术规程，填补了国内外桩基托换领域空白。

四、与国内外桩基托换工程比较

经调档和查询国内外相关期刊杂志、技术资料和情报表明，欧洲、日本和我国的地铁建设中都曾遇到桩基托换问题。在国内外桩基托换的工程实践中，较有代表性的有两个：第一个是采用一次主动托换技术的日本京都地铁车站，托换桩轴力为轴力达5850kN，是目前国外最大的托换轴力，托换后位移基本控制在目标值3.0mm内（最大位移值为3.3mm）；第二个是采用被动托换技术的广州地铁，其特点是：桩基轴力相对较小（设计轴力为2500 kN）托换施工措施简单，桩顶变形不能进行人为控制，各柱位(或承重墙)的最大沉降量在盾构通过后为4.1-6.3mm；盾构通过后半年为4.5-7.3mm。

百货广场桩基托换工程不但托换轴力达18900 kN，而且托换位置深（地下室负三层）、施工场地狭小，尤其受单洞双层隧道施工（断面积近90m²，距托换新桩最小不足1.0米，采用矿山法施工）影响大。尽管如此，在暗挖隧道通过后，被托换柱沉降基本控制在-3.0mm以内（最大沉降为3.69 mm），既有结构柱累计最大沉降量不到-7.7mm，均在监测控制标准以内，托换结构及其相邻梁板未产生新增裂缝和既有裂缝的发展。

五、研究成果评定

通过与国内外桩基托换工程的对比分析，百货广场桩基托换工程所采用的技术和所达到的工程效果，均处于国内外领先水平。

六、社会经济效益分析

⑴、通过百货大轴力桩基托换，解决了地铁线位与繁华商业城区建筑物间的矛盾，为地铁和其它地下工程的选线提供了更为广阔的空间，更好地实现了地铁服务于城市的宗旨；

⑵、为今后相类似的大轴力桩基托换工程建设起到指导和借鉴作用；

⑶、通过百货广场大轴力桩基托换，地铁1号线路最小半径由250m增加到300m，运营速度由35km/h可提高到60km/h，改善了运营条件，提高了运营能力；同时，也减小了轮轨磨耗；

⑷、百货广场桩大轴力基托换工程托换梁—柱节点抗滑移难题的解决，丰富了结构设计理论；

⑸、大轴力桩基托换工程实施，比改变地铁1号线路节省投资约6420万元；

 七、展望

我国国民经济持续快速发展，为了解决城市交通压力，建造城市地铁势成必然；但大多数城市在规划建设时前瞻性不够，致使城市布局不尽合理，在地铁建设中将不可避免遇到桩基托换工程。深圳市百货广场大轴力桩基托换工程的成功，不但将我国地铁的建造水平和桩基托换技术推向新的发展高度，而且为今后城市地铁的设计选线提供了更加广阔的空间。

通过百货广场桩基托换工程的实践，大轴力主动托换技术虽然得到了进一步完善，但还存在一些问题值得今后加以深入研究：

1、梁—柱接头机理研究和不同接头类型承载力计算；

2、安全自锁装置的制造工艺；

3、桩—梁联接技术。

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