火车站地下广场内桩基托换并盖挖法施工地铁车站关键技术

火车站地下广场内桩基托换并盖挖法施工地铁车站关键技术

史金洪1， 鲁 彬1， 黄明利2， 瞿晓巍2,*

(1. 中铁昆明建设投资有限公司， 云南 昆明 650118； 2. 北京交通大学土木建筑工程学院， 北京 100044)

摘要：为保证重庆北站地铁车站施工过程中地面交通以及地下停车场的正常运行，提出火车站地下广场内桩基托换并盖挖法施工地铁车站技术： 先采用桩基托换上部结构，然后以托板为基坑顶板进行盖挖施工地铁车站。既有桩基和结构的临时支撑以及托板与既有桩基、钢管柱的节点处理是工程的关键和难点： 在桩基托换过程中，根据既有桩基上主梁数量设置H形临时支撑体系，并及时连接相邻临时立柱，形成整体； 在托板与既有桩基节点处，凿除既有桩基基础部分混凝土，保留既有钢筋，长边方向底板部分纵筋从未凿除的桩体钻孔通过，短边纵筋绕行； 钢管柱与托板节点施作时预留桩顶钢筋，将其伸入到托板中，连接成一个整体，一同灌注混凝土。现场监测最大变形为16.6 mm，说明本工程采用的桩基托换并盖挖施工技术合理可行。

关键词：地铁车站； 桩基托换； 盖挖法； 既有桩基； 托板

0 引言

随着我国人口、经济的发展以及城市化进程的推进，城市所面临的交通拥堵问题也日趋严重，轨道交通是一种改善城市交通问题的有效方式[1]。在城市修建地下隧道时，经常会遇到各种管线、桩基、基坑以及既有隧道等地下构筑物[2]。在既有构筑物下方修建隧道的方法很多，桩基托换技术是一种相对安全、可靠、对周边环境影响小的施工方法。

国内学者对桩基托换技术和盖挖法进行了相关研究。如： 文献[3-4]对地铁盾构隧道桩基托换施工技术进行了研究;文献[5]认为桩基托换技术是地铁建设中亟待深入研究的岩土力学课题；文献[6]介绍了地铁车站高架桥墩下桩基托换施工监测技术；文献[7]和文献[8]分别研究饱和黄土和有水条件下地铁隧道穿越桥梁桩基的托换技术；文献[9]研究了大直径微型钢管桩桩基托换技术；文献[10]采用ABAQUS软件模拟验证桩基主动托换方案的可靠性；文献[11]分析了托换桩-柱置换节点薄弱区产生的原因及其应力变化规律；文献[12]研究了重叠隧道施工对桩基托换区沉降的影响；文献[13]分析盖挖托换中托板的作用以及基坑开挖对周边环境的影响；文献[14-17]对地铁车站盖挖法施工中结构受力及变形进行分析。以上研究多侧重于桩基托换或盖挖施工单项施工技术，鲜有地铁工程中采用桩基托换的同时进行盖挖施工的报道，在这方面可借鉴的经验很少。本文依托重庆北站10号线D区盖挖段，研究火车站地下广场内桩基托换并盖挖施工地铁车站的关键技术。

1 工程概述

1.1 工程概况

重庆北站位于重庆市龙头寺火车站南广场既有地下广场下方，轨道交通3号线、10号线、环线汇集于此。环线与3号线、10号线呈T形换乘关系，环线为东西走向，3号线与10号线为南北走向。重庆北站平面布置见图1。

图1 重庆北站平面布置图

Fig. 1 Plan of layout of Chongqing North Railway Station

1.2 既有结构概况及存在的问题

龙头寺火车站南广场分上下2层： 上层为旅客进出火车站通道；下层为商业配套及交通层，旅客可由此直接换乘3号线、出租车及社会车辆，高度为4.8 m。地下广场结构形式为四级框架结构，顶板为井字梁，基础形式为桩基础和梁式扩展基础。

由于本站是火车站，每天进出人数和交通量大，不允许施工影响地面广场及广场旁边道路正常通行，所以不能采用明挖法施工；车站与地下停车场桩基底部距离较近，采用暗挖法施工会影响地下停车场、地面广场及周边道路安全。考虑以上因素，并结合国内外已有工程经验，在保证既有停车场、地面与道路使用功能的前提下，提出桩基托换并盖挖施工技术。

1.3 结构设计概况

重庆北站D区盖挖段位于火车站南广场地下室下方，本段主体结构基坑开挖长度约33.9 m、宽度约25.7 m、深度约17.6 m，为14.6 m宽岛式站台车站。大里程端为单拱三跨单层结构，采用暗挖法施工；小里程端为双层箱型框架结构，采用盖挖和明挖2种方法施工。托换并盖挖段概况见图2。

图2 托换并盖挖段概况

Fig. 2 Sketch diagram of pile foundation underpinning and cut and cover method

1.4 地质条件

盖挖段地层由上而下依次为： 1)素填土，杂色，主要由黏性土组成，其中夹杂砂、泥岩块石和碎石； 2)砂质泥岩，岩体基本质量等级为Ⅳ级，岩质较软，抗风化能力差； 3)砂岩，灰色，属较软岩，岩体基本质量等级为Ⅲ级，岩质较硬，抗风化能力强。各层物理力学参数见表1。

表1 岩土物理力学参数

Table 1 Physico-mechanical parameters of rocks and soils

岩土名称厚度/m弹性模量/MPa天然重度/(kN/m3)内摩擦角/(°)黏聚力/kPa泊松比素填土0.951020.52880.3砂质泥岩26.3140025.7326600.37砂岩26.2455024.54221000.13

2 托换并盖挖施工技术

2.1 施工工艺

重庆北站盖挖段采用托换并盖挖法施工，其盖挖施工采用盖挖顺作法。托换并盖挖法总体施工工艺如下： 围护桩施工—基坑土方开挖—冠梁施工—敷设侧墙矮墙及托板下防水层—浇筑托板—恢复地下室地坪—托板下方基坑开挖—施作基坑内部结构。

2.2 施工步序

1)第1步(见图3(a))。整场地，施作围护结构、托换桩、立柱基础人工挖孔灌注桩及钢管混凝土柱，东、西侧施作锚索的预留锚孔。主体结构基坑围护结构采用人工挖孔灌注桩+锚索的支护方案，人工挖孔灌注桩直径为1 200 mm和1 500 mm，嵌固深度为4 m或5 m； 预应力锚索采用φs15.2@2.5 m×3.0(2.5) m 钢绞线，锚孔直径150(200) mm，角度15°； 桩间网喷100 mm厚C25混凝土，钢筋网规格为φ8@200 mm×200 mm。

2)第2步(见图3(b))。基坑开挖至托板底标高处，施工冠梁，敷设侧墙矮墙及托板下防水层，浇筑侧墙矮墙，处理托换既有桩基节点，浇筑托板，待混凝土强度达到设计要求后，敷设托板顶部防水层，回填处理，恢复地下室地坪。其中： 托板厚1 500 mm，托换桩采用φ1 500 mm人工挖孔灌注桩，中立柱桩基采用φ2 000 mm人工挖孔灌注桩。

3)第3步(见图3(c))。在托板下逐层开挖、施工锚索(施工混凝土腰梁，及时架设钢支撑)至基坑底，施工垫层。

4)第4步(见图3(d))。敷设底板、部分侧墙防水层，浇筑底板、底纵梁及部分侧墙，待混凝土达到设计强度后，架设换撑。

5)第5步(见图3(e))。拆除第2道钢管支撑，敷设基坑内陆下2层剩余侧墙防水层，浇筑中楼板及中纵梁。

6)第6步(见图3(f))。待中楼板混凝土达到设计强度后，拆除换撑及第1道钢管支撑，敷设侧墙剩余防水层，浇筑基坑内陆下1层侧墙，施作车站内部结构。

3 工程难点

桩基托换并盖挖施工过程中，对既有桩基的保护和托换节点的处理是工程的难点，下文对工程难点部分进行详细介绍。

3.1 既有桩基临时支撑

托板范围内共有13个既有结构桩基础，分布位置见图4。施工时需对既有桩基进行支撑，以确保既有桩及既有结构的稳定和安全。

(a) 第1步

(b) 第2步

(c) 第3步

(d) 第4步

(e) 第5步

(f) 第6步

图3 施工工序

Fig. 3 Construction procedures

WZ1—WZ5表示桩基型号，型号左侧的数字表示桩基直径。

图4 既有桩基平面图(单位： mm)

Fig. 4 Plan of existing pile foundations (mm)

根据既有桩基上主梁数量设置H形状的临时支撑体系，临时支撑体系架设后，及时连接相邻临时立柱，形成整体，确保施工安全，既有结构的临时支撑见图5。

(a) 示意图

(b) 现场施工图

图5 既有结构临时支撑图

Fig. 5 Temporary support system of existing structure

临时支撑的具体要求如下：

1)临时立柱采用HW(宽翼缘H型钢)300 mm×300 mm×10 mm×15 mm型钢；

2)φ800型钢既有桩基处的临时横梁采用HN(窄翼缘H型钢)700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型钢，临时立柱间距l<2 500="" mm。其他既有桩基处的临时横梁采用hn700="" mm×300="" mm×13="" mm×24="">l<3 000="">

3)临时横梁上部短柱采用HW300 mm×300 mm×10 mm×15 mm型钢，短柱长度小于2 m，短柱两端节点板做法同临时立柱节点板；

4)临时横梁应与既有结构主梁底面顶紧，施工时不得破坏既有结构，在靠近既有桩基施工时应减少对基础的扰动，支撑体系的临时立柱基础嵌入基岩深度不得小于500 mm，临时横梁上部短柱仅在临时横梁不能直接支撑既有结构主梁的情况下设置。

3.2 托板施工

托换结构托板厚1.5 m，分2段施工，施工要点如下： 1)结构分段施工长度控制在20 m以内，分段太长对混凝土的防裂抗渗不利，太短则施工缝设置过多； 2)施工缝设置避开结构预留孔洞位置； 3)施工缝设置在梁跨的1/4～1/3处。既有桩基与托板的节点处理以及托板与钢管柱的节点处理是托板施工的重点与难点，具体处理方法如下。

3.2.1 既有桩基与托板节点处理

对既有桩基基础加固完善后进行节点既有基础部分混凝土凿除及钢筋加固处理，施工时加强对既有桩基的沉降变形观测，具体施工步序如下。

1) 凿除既有桩基础部分混凝土，保留既有钢筋。WZ1—WZ4型桩基凿除30 cm宽混凝土，WZ5型桩基凿除45 cm宽混凝土，在凿除混凝土部分，桩基两侧分别设置4根φ50 mm吊筋，既有桩基节点处理见图6。

图6 既有桩基节点处理(单位： mm)

Fig. 6 Treatment of connection between underpinning plate and existing pile foundation (mm)

2)托板短边方向板底纵筋由保留桩体两侧绕行通过，长边方向底板部分纵筋从保留桩体钻孔通过(钻孔直径φ35 mm)，节点处理平面图见图7。

图7 既有桩基节点处理平面图

Fig. 7 Plan of treatment of connection between underpinning plate and existing pile foundation

3)对既有桩基表面进行凿毛，清理原有混凝土缺陷至密实部位，并除去浮渣、尘土。既有桩基、地梁表面必须凿成凹凸差不小于10 mm的粗糙面。

4)原混凝土表面应冲洗干净，并保持湿润，浇筑混凝土前，原混凝土表面应采用水泥浆等界面剂进行处理。

3.2.2 托板与钢管柱节点处理

1)钢管柱施作时预留桩顶钢筋，预留钢筋伸入到托板中，托板与钢管柱通过预留钢筋连接成一个整体，如图8所示。

图8 托板与钢管柱节点处理示意图(单位： mm)

Fig. 8 Treatment of connection between underpinning plate and steel pipe column (mm)

2)托板钢筋在节点处设置φ28@150 mm的附加筋，托板施工时，清洗及凿毛桩顶和预留钢筋，并保护好该预留钢筋。

3)节点处混凝土同托板混凝土一同灌注，并用插入式捣固器加强捣固，确保节点处混凝土质量。

4 监测分析

为评价方案效果，对人工挖孔桩和既有建筑物沉降进行监测，盖挖段监测点布置见图9。

DC表示D区盖挖人工挖孔桩沉降; CBJC表示重庆北站建筑物垂直沉降; DB表示地表沉降。

图9 盖挖段监测点布置图

Fig. 9 Layout of monitoring points

DC144监测点在托板中间，变形具有代表性； CBJC027监测点在施工通道与基坑交界处上方，沉降较大。因此，选取这2个监测点进行分析。目前托换并盖挖施工已经完成，2点监测数据见图10。可以看出： 1)沉降曲线比较平缓，在相邻施工步之间没有太大的沉降变化，且整体变形趋势都是先缓慢、后增加较快、最后趋于平稳。2)CBJC027监测点初期沉降变化较快，然后趋于平稳，主要原因是在进行施工通道施工，从施工通道进入托换并盖挖段托板下部，对周围土层产生了扰动；从A-A处开始，沉降发生较大突变，原因是CBJC027监测点下方在进行爆破作业，对该点沉降产生较大影响。3)盖挖段CBJC027监测点沉降最大，为16.6 mm。DC144监测点最大隆起值为3.52 mm。2监测点变形都在控制要求范围内(控制值为30 mm)，且施工中未出现异常，说明该方案可行。

图10 测点变形曲线

Fig. 10 Deformation curves of monitoring points

5 结论与讨论

1)为保证重庆北站地铁车站施工过程中地面交通以及地下停车场的正常运行，提出桩基托换并盖挖法施工地铁车站技术。施工中采取H形临时支撑体系对既有结构进行加固，采用纵筋穿过桩体及预留桩顶钢筋的方法把既有桩、钢管柱与托板连成一个整体，确保既有桩基及既有结构的稳定和安全。

2)现场监测最大变形为16.6 mm，未超过控制要求，且施工中未发生异常，验证了托换并盖挖方案的合理可行。

3)既有桩基的临时支撑是根据既有桩基上主梁数量设置的，主梁多设置的临时支撑多，反之则少，是否会因局部临时支撑过多造成材料浪费或因局部较少产生安全隐患问题，有待进一步研究。

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Key Construction Technologies for Pile Foundation Underpinning and Metro Station Constructed by Cut and Cover Method

SHI Jinhong1, LU Bin1, HUANG Mingli2, QU Xiaowei2,*

(1. China Railway Kunming Construction Investment Co., Ltd., Kunming 650118, Yunnan, China; 2. School of Civil Engineering & Architecture, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Abstract： During the construction of underground Metro station of Chongqing North Railway Station, the running of traffic on the ground and underground parking lot should be guaranteed. The construction technologies for pile foundation underpinning and the Metro station constructed by cut and cover method are proposed. The upper structure of the Metro station is underpinned by temporary piles and the underpinning plate is regarded as cover of cut and cover construction. The temporary support of existing piles and structures and the treatment of connection points between underpinning plate and existing foundation pile and those between underpinning plate and steel pipe column are the construction keys and difficulties of the project. During the pile foundation underpinning construction, H-shaped temporary support system is set according to amount of main beam on existing pile foundations and the adjacent temporary column should be connected in time. During the construction of connection between underpinning plate and foundation pile, part of concrete of foundation of pile foundation is cut off and the rebar is kept. During the construction of connection between underpinning plate and steel pipe column, the pile top rebar reserved is inserted into underpinning plate and then casted. The site monitored deformation results show that the above-mentioned technologies are feasible and rational.

Keywords： Metro station; pile foundation underpinning; cut and cover method; existing pile foundation; underpinning plate

收稿日期：2016-06-15;

修回日期：2016-11-05

第一作者简介：史金洪(1963—)，男，山东武城人，1983年毕业于中国人民解放军铁道兵工程学院，隧道专业，本科，高级工程师，现从事隧道与地下工程施工、科研及管理工作。E-mail： [e-mail]。*通讯作者： 瞿晓巍，E-mail： [e-mail]。

DOI：10.3973/j.issn.1672-741X.2017.02.015

中图分类号：U 45< class='emphasis_bold'> 文献标志码： B

文献标志码：B

文章编号： 1672-741X(2017)02-0223-07