地铁矿山法隧道洞内桩基托换结构设计与分析

周瑞锋

（中铁四院集团西南勘察设计有限公司，昆明 650200）

0 引言

发达的地铁网络和深入地下的桩基础不可避免的会发生交叉干扰，受地面环境及选线因素的影响，导致某些交叉点需进行桩基托换，桩基托换技术得到广泛应用，国内外学者对此开展了大量的研究工作。陈子全等［1］提出盾构隧道穿越桥梁桩基群的桩基托换技术；徐前卫等［2］提出了扩大板式基础托换以及盾构直接切桩的施工技术；王莉平［3］针对大跨度梁氏托换工程的设计及其优化进行了探讨；张文强［4］研究重叠隧道施工对桩基托换区的沉降影响。

目前涉及桩基托换主要为简支梁-桩体系进行托换，对于无条件进行洞外托换时，如何在隧道洞内利用自身结构进行桩基托换研究较少，需要专项设计。文中主要以地铁区间隧道在下穿建筑物桩基时，通过隧道衬砌结构进行桩基托换，通过对托换方案对比分析，提出了型钢混凝土套拱进行桩基托换，并针对隧道洞内桩基托换过程出现相关问题进行分析并提出相应的解决措施，可为类似工程提供参考。

1 工程概况

成都地铁11号线麓山大道站-沈阳路站矿山法区间隧道为单洞双线分离式隧道，下穿中国移动分公司汽车坡道，区间隧道正穿三根汽车坡道桩基，平面位置关系如图1所示。

图1 区间隧道与汽车坡道桩基平面位置关系

根据本区间钻孔接示，场地范围内上覆第四系人工填土层Q4ml；其下为第四系全新统残破积Q4al+pl黏土，下伏基岩为白垩系下统天马山组K1t泥岩和砂岩。下穿桩基段矿山法隧道主要位于强风化、中风化泥岩，拱顶及上部主要位于强风化泥岩及黏土层，具体地勘参数见表1。

表1 地铁矿山法区间下穿汽车坡道段地层的物理力学性能参数

2 桩基托换结构设计方案

桩基托换的关键就是原桩和托换结构之间的荷载转换，由于施工场地条件的不同以及建筑物安全等级不同，要求在托换过程中，变形的控制标准也不同，根据不同的施工条件选择合适的托换方法至关重要，目前的桩基托换技术主要有两种类型，即主动托换技术和被动托换技术［5，6］。文中在洞外无条件进行托换时，需在隧道洞内寻找合适的设计方案，利用自身结构进行桩基托换。

2.1 重难点分析

成都地铁11#线矿山法隧道下穿中国移动公司汽车坡道桩基托换方案存在以下重难点：

（1） 汽车坡道结构保护难度大。汽车坡道结构采用桩基础的形式，桩基托换、隧道开挖及结构施工对汽车坡道产生较大影响，施工期间汽车坡道正常运营，施工风险大。

（2） 隧道扩挖风险高。洞内施工托换套拱，需扩挖隧道断面，隧道拱顶位于黏土软弱层，扩挖存在风险。

（3） 桩基托换中桩基出露、穿桩及截桩受力过程复杂，施工控制难度大。

（4） 隧道内施工空间条件困难，传统钢筋混凝土套拱面临桩基植筋问题，工序繁琐，工期长，提高施工风险。

2.2 方案1：初支+钢筋混凝土套拱+二衬结构进行桩基托换

图2 方案1托换结构横断面设计

在隧道拱顶增设钢筋混凝土套拱进行桩基托换。钢筋混凝土托换套拱考虑承受全部静水压力，并应按使用期间发生最不利情况的水压力、桩基荷载、土压力组合对托换套拱进行验算配筋。托换套拱应考虑在长期使用过程中，因初期支护材料性能退化和刚度下降时，外部荷载向托换结构的转移［7］。

2.3 方案2：初支+二衬结构进行桩基托换

图3 方案2托换结构横断面设计

托换结构采用复合式衬砌，施工阶段通过初期结构承受全部土荷载及桩基荷载，托换结构设计应考虑在长期使用过程中，因初期支护材料性能退化和刚度下降时，外部荷载向衬砌结构的转移，考虑二次衬砌钢筋混凝土梁承担全部的水土压力和桩基荷载。

2.4 方案3：初支+型钢混凝土套拱+二衬进行桩基托换

图4 方案3托换结构横断面设计图

图5 方案3托换结构纵断面设计

现有技术的隧道的托换结构通常为钢筋网加混凝土，刚度余量不大，需要仔细计算所承受荷载，否则长期在超负荷作用下托换结构易发生变形，从而导致既有结构产生沉降。基于以上原因，采用型钢骨架与混凝土结合的方式，增强托换结构刚度，以达到减小结构变形沉降的目的。

采用的型钢混凝土套拱桩基托换结构的主要理论设计及工作原理如下：

（1） 利用型钢良好的可焊接性能，通过多段型钢骨架可沿隧道初期支护内侧焊接形成完整的型钢拱形骨架。同时型钢骨架也可与桩基进行稳定焊接，增强托换结构与桩基的连接强度。

（2） 沿隧道纵向设置多个型钢拱形骨架，并采用连接结构进行串联，形成沿隧道横向及纵向的具有极强整体性的型钢套拱。

（3） 通过浇筑混凝土，最终形成型钢混凝土套拱结构，进一步提高了托换结构的承载能力。

2.5 托换方案的确定

（1） 方案1：在隧道拱顶增设钢筋混凝土套拱，传统钢筋混凝土套拱穿桩施工难度较大，且套拱厚度大，增加拱顶扩挖风险。

（2） 方案2：施工阶段采用初支衬砌承受土压及全部桩基荷载，后期通过二衬梁结构承受全部水土压力以及桩基荷载，托换结构简单，施工方便，但整体结构刚度较小，对于较大桩基荷载存在局限性。

（3） 方案3：采用型钢混凝土套拱，利用型钢良好的可焊接性能，通过多段型钢骨架可沿隧道初期支护内侧焊接形成完整的型钢拱形骨架，型钢骨架也可与桩基进行稳定焊接，增强托换结构与桩基的连接强度，相比于桩基穿钢筋，施工简易，刚度大［6］，同时型钢混凝土刚度大，可减小隧道扩挖厚度，减小隧道拱顶施工风险。

综合方案比选，工程推荐使用方案3，采用型钢混凝土套拱进行桩基托换。

3 桩基托换施工工艺

3.1 结构设计参数

中国移动公司汽车坡道侵入地铁隧道结构处，采用800mm 厚型钢混凝土衬砌对桩进行托换。托换衬砌的外衬为300mm初期支护，由网喷支护与钢拱架组成，隧道二衬为400mm 厚钢筋混凝土结构，托换衬砌与隧道二衬之间铺设防水层。

桩基托换段采用台阶法施工。隧道开挖前采用超前小短管超前支护，在汽车坡道地面预留袖阀管，依据现场监测情况及时跟踪注浆加固。

3.2 桩基托换施工工艺

桩基托换的主要施工步骤：

步骤1：桩基托换前需对上部软弱地层进行袖阀管地面注浆预加固，同时在洞内扩挖部分采取超前小导管进行超前支护，提高隧道拱顶刚度。

步骤2：隧道开挖至受影响的第一根桩时，为便于架设钢架，沿初支及套拱外边缘对桩进行第一次局部凿槽，破除宽度约600mm，桩凿槽后应确保桩的主筋与初支、套拱型钢钢架焊接牢固，形成整体，施工过程中钢架与桩槽之间的空隙采用钢锲锲进，并对初支背后及初支与套拱的空隙应及时注浆充填密实。

步骤3：待第一部分初支及套拱达到强度后，对隧道初喷后继续开挖至桩的另外一侧边缘，沿初支及套拱外边缘对桩进行第二次局部凿槽，破除宽度约600mm，桩凿槽应确保桩的主筋与初支、套拱型钢钢架焊接牢固，形成一个整体，施工过程中钢架与桩槽之间的空隙采用钢锲锲进，并对初支背后及初支与套拱的空隙及时注浆充填密实。

步骤4：待初支达到设计强度后，破除剩余的桩体，初支及套拱及时封闭成环，并及时施作隧道二衬结构。

图6 桩基托换施工步序

4 托换过程数值分析

4.1 计算模型

根据区间隧道建筑物桩基的设计资料及区间隧道设计资料，采用MidasGTS 三维有限元软件建立了三维数值计算模型如图7 所示。在该计算模型中，采用实体单元模拟地层、二衬结构和其他实体基础，采用梁单元模拟桩基，采用板单元模拟初期支护，忽略锚杆等的补强作用。二衬和实体基础的破坏符合弹性本构关系，岩土体破坏遵循摩尔-库伦屈服准则。

图7 矿山法隧道洞内桩基托换模型

4.2 数值计算结果

从图8 可以看到，矿山法隧道已全部通过坡道范围，3根桩基已全部托换完成，侵入隧道内的桩身已全部凿除。此时坡道主体结构最大沉降位于拐角处，位移为24.2mm；坡道主体结构呈现整体下沉。从图9来看桩基轴力整体呈受压状态，随着隧道开挖，桩基轴力逐渐增大，桩基出露时，桩基轴力达到最大值，最大轴力值为2398kN 小于设计值3200kN。从结果来看，由于对侵入隧道内的桩基进行了洞内桩基托换，即便破除了侵入矿山法隧道内的桩身混凝土结构，坡道主体结构和桩基的沉降都不超过30mm。由此可知该工程洞内桩基托换相对来说是较为安全可靠的。

图8 矿山法隧道洞内桩基托换模型剖面

图9 汽车坡道结构、桩基、隧道竖向位移

图10 汽车坡道桩基轴力

4.3 数值计算与监测结果对比

为监测隧道施工时上部建筑物变形情况，现场于中国移动公司汽车坡道主体布置了沉降测点，测点平面布置如图11所示，文中数值模拟计算中桩基上部汽车坡道地面对应图中测点30。通过提取数值模拟各阶段汽车坡道主体沉降值，与现场实测值进行对比，绘制计算值与实测值对比曲线图如图12所示。

图11 监测平面

图12 数值计算与实测沉降值对比曲线

由图12所示，数值计算所得结构沉降值比实际测量值要小。分析可知施工中，由于现场超前注浆加固造成了前期的地层隆起，随着注浆消散作用，地层及结构也会产生一个相对沉降值，数值模拟计算中未考虑注浆效应，同时与现场在桩基托换中施工质量也息息相关。计算所得汽车坡道沉降最大值为26.0mm与实际检测值相差较小，且变形规律与实测值一致，故模拟结果与实际情况较为吻合。

5 结语

（1） 文中结合暗挖隧道下穿桩基段实际工况，确定暗挖隧道下穿建筑物段采用初支+型钢混凝土套拱+二衬混凝土托换保护方案，这是一种安全、经济、快速、可操作性强的实施方案。

（2） 通过有限元分析结果来看，桩基暴露侧摩阻力损失大，该段时间点地面沉降达到最大值为24.3mm，因此在桩体暴露以前，应对桩基底部进行补注浆加固，并保证施工期间桩底围岩密实、不受扰动，保证桩基托换过程中的安全。

（3） 根据实测结果，汽车坡道最大地面沉降为26.2mm，汽车坡道的变形值在允许范围以内，说明桩基托换的设计方案是合理可行的。

实行绿色施工 体现精细设计——海南发布装配式内装修技术标准走笔

装配式内装修作为装配式建筑技术要求的重要组成部分，是建筑领域高质量发展的必由之路，也是装配式建筑推广的重要一环。为规范民用建筑装配式内装修工程的实施，提高装配式内装修性能品质和工程质量，促进建筑业转型升级，海南省住房和城乡建设厅日前发布《海南省装配式内装修技术标准》（以下简称《标准》），自2022年8月1日起实施。

《标准》共分总则、术语、基本规定、设计、制造与运输、施工安装、工程质量验收、使用维护8个章节。以装配式内装修部品部件设计、生产运输、安装、验收、维护的工序分章节编制。

相关负责人表示，《标准》充分考虑海南省地域性特点和装配式内装修发展现状及目标，指导解决海南省装配式内装修工程应用中的系统一体化设计、消除质量通病、绿色健康、高性能、智能化与信息化五大需求。

在系统一体化设计方面，《标准》贯彻了装配式内装修系统化、集成化、一体化设计理念，协调各专业要求，统筹各阶段需求，依托BIM（建筑信息模型）技术，实现全过程的信息化管理和专业协同。在消除质量通病方面，《标准》要求现场采用干作业施工工艺的建造方法，解决传统施工现场湿作业多、施工精度差、工序复杂、建造周期长、依赖现场工人水平和施工质量难以保证等问题，在设计、制造与运输、施工安装、工程质量验收、使用维护各阶段均强调对质量的要求，同时要求采用BIM技术，保证部品部件及工程信息传递的准确性与质量可追溯性。在绿色健康方面，《标准》要求通过采用节能绿色环保材料与部品部件，采取有效措施改善和提升室内热环境、光环境、声环境和空气环境的质量，降低不良环境对建筑的影响，实行绿色施工等措施实现绿色健康要求。在高性能方面，《标准》对装配式内装部品和设备管线等主要材料的性能指标，以及建筑结构受力、防火、节能、隔声、卫生防疫等均提出设计施工方法和品质要求，并在“工程质量验收”章节中提出了相应性能要求的检验方法，兼具指导性和落地性。在智能化与信息化方面，《标准》在设计、制造与运输、施工安装、工程质量验收、使用维护阶段的条文中均要求采用BIM技术，并考虑智能化专业应用，实现一体化精细化设计、部品质量及生产相关信息可管理追溯、施工全过程模拟、指导及管理、BIM设计文件和电子化文件审核、交付和接收、建立内装部品使用维护数据库等要求，贯彻装配式内装修“信息化管理和智能化应用”的原则。

据了解，该标准是海南省首部装配式内装修专用标准，内容翔实，明确了装配式内装修在设计、部品制造运输、施工安装、工程质量验收及使用维护阶段的要求，兼具前瞻性、规范性、实用性。实施发布后将对海南省装配式内装修的推广与应用起到指导作用，也将进一步助力海南省装配式建筑标准体系建设，推动装配式建筑全产业链发展。海南省住房和城乡建设厅将通过广泛宣传、宣贯培训、发布配套政策文件等途径促进标准的落地实施。（琼建轩）

来源：中国建设新闻网