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摘要：随着我国城市化建设脚步的加快，城市道路拥挤状况日趋严重，地铁建设的必要性是我国地铁建设高潮的主要因素。地铁建设下穿既有建筑物时有发生，桩基托换作为对原建筑物实施有效保护的常用方法得到较广泛的应用。笔者结合此次地铁建设工程中的经验总结后，在文中简要介绍了基础托换技术在地铁建设中的应用。
关键词：地铁建设；托换施工技术；信息化施工体系
1工程概况
某地铁建设施工阶段，区间隧道要穿越一座五层办公楼建筑。建筑物采用柱下独立承台桩基础。区间采用双洞双线矿山法施工，平曲线半径400m，线间距15.8m。该建筑需要托换的柱下独立承台共18个，每个承台下为6-9根预应力管桩，需托换的桩数量较多。下图1为需托换的承台平面布置情况。大楼经过十余年的使用，工后沉降已基本完成。由于仅对大楼部分范围实施桩基托换，托换部分的二次变形必须严格控制在一定范围内，以保证该建筑整体性能不受影响。根据主动托换主动控制变形的优势，对本区间下穿建筑物采取预应力主次梁的主动托换方式。
图1 需托换承台平面布置图 图2托换体系横剖面图
2地质情况
区间托换范围内上覆第四系人工堆积层、坡积层、残积层，下伏基岩包括侏罗系中统角岩、砂岩，加里东期混合花岗岩等。主要地层概述如下：1）素填土，杂色，成分以碎石为主，棱角状，直径3-15cm不等，体积分数为60%左右，稍湿，稍密，层厚约1.5m。2）素填土，褐黄、褐红色，可塑，成分以含砾粉质黏土为主，层厚约1m。3）淤泥质粉质黏土，褐、灰褐色，可塑，含少量有机质及砂粒，砂粒的体积分数约5%-10%，层厚约1.5m。4）粉土，浅黄、褐黄色，饱和，中密，土质均匀，层厚约2m。5）碎石土，褐黄色，主要成分为中、微风化的砂岩，呈棱角状，2-7cm不等，体积分数约30%，层厚约1m。6）粉质黏土，青灰、褐灰、少量呈褐黄色，可塑，原岩结构可辨析，由下伏角岩风化残积而成，层厚约7m。7）中风化角岩，灰、灰黑色，晶体结构，块状构造，矿物成分以长英质为主，黑云母、方解石次之，岩体破碎，岩芯呈碎块状，裂面有浸染，层厚约8m。8）微风化角岩，灰、灰黑色，晶体结构，块状构造，岩质较破碎，以短柱状及块状为主，顶面埋深约21m。
3托换方案
3.1设计主要原则及要求
根据国内主要城市桩基托换施工经验并考虑本工程的具体情况，本桩基托换工程需遵循以下几个基本原则及要求：1）基础托换后，托换结构体系使用年限不少于被托换建筑物剩余使用年限，新托换结构体系的承载力必须具备足够的保证和储备。2）桩基托换完成后，必须保证建筑物原有功能，不得改变首层的结构和平面布置，维持原室内净空。3）根据《建筑地基基础设计规范》对建筑物地基变形允许值的规定，托换体系引起的相邻柱基沉降差必须严格控制在允许附加变形范围以内。4）托换施工过程中，必须采取有效措施可靠地将荷载由被托换桩转换到托换桩上。5）桩基托换完成后，应保证区间隧道的施工安全；桩基本身应考虑由于矿山法区间施工降水对新桩产生的负摩阻力等不利影响。
3.2托换桩设计
由于桩基施工必须在厂房内进行，而室内净空无法满足钻孔灌注桩及静压桩等的施工要求，故根据场地地质情况，本托换工程采用直径1500mm的人工挖孔桩作为托换新桩。为减小托换桩后续沉降带来的不利影响，托换桩按端承樁设计，桩端进入中风化层不少于2m，且其深度需超过隧道底4.0m以下。托换体系如上图2所示。使用PKPM结构计算软件，由厂房基本组合荷载工况得出柱底反力。使用SAP84结构通用计算软件建立计算模型，以柱底反力作为托换梁荷载输入，以托换桩为支座，计算支座反力，作为各人工挖孔桩的承载力设计值。基桩承载力设计值满足下列两式：γoN≦R（1）；R=Quk/γsp（2）式中：R代表基桩承载力设计值；N代表基本组合下计算所得支座反力；Quk代表基桩竖向极限承载力；γsp代表综合抗力分项系数。根据建筑物原设计文件中给出的单根预应力管桩承载力设计值，确定本托换工程共设托换桩23根，单桩承载力设计值为6000-8000kN。
3.3建筑物变形的有效控制
托换结构体系中，柱底内力视为作用荷载，托换桩基视为支承；托换梁承受上部结构传来的荷载并将这些荷载传递给下部托换桩基，在力学上起到承上启下的作用。由于既有结构物经历了十余年的使用过程，变形与受力已达到一种弹塑性平衡状态，基础托换过程势必引起上部结构的内力重分布。一方面，托换梁变形取决于被托换柱的内力；另一方面，被托换柱的内力又与托换梁的变形有关。两者互相牵制，协同工作。控制建筑物变形是桩基托换工程中最为关键的问题之一。首先，结构物对托换引起的变形非常敏感，且托换结构体系大部分变形是在上部结构与下部桩基逐步分离过程中完成的，故托换工程对控制不均匀变形的要求比新建工程更高。此外，由于存在一栋楼房部分桩基被托换、其余部分未被托换的情况，应避免托换区与非托换区的结构产生过大的相对沉降变形。这对托换区结构体系的后续沉降提出了较高要求。
3.4梁柱节点的设计
托换梁与柱节点的处理是保证荷载有效传递的关键。将原有承台用切割机锯槽。槽宽150mm，槽深100mm，以增大界面面积。在被托换结构柱位上，短方向采用3排精扎螺纹钢收紧。
4信息化施工体系
桩基托换是风险性、技术性很高的工作，其施工监测是决定工程成败的重要一环。施工中，应通过全过程监测及时反馈，并根据反馈信息指导托换程序。监测内容主要包括：建筑物的沉降、倾斜及裂缝观测，地面沉降及裂缝观测，地下水位观测，托换梁变位及裂缝观测，托换桩、被托换柱、既有柱高程监测，分步液压参数监测等。监测工作应注意以下几点：首先，需对建筑物初始状态进行观测，基础托换施工前应对被托换建筑物的先期变形、结构裂缝情况进行周密调查及现场录像，以确定被托换建筑物的控制标准，确保上部结构的正常使用。其次，桩基托换、地层加固施工和区间施工期间，必须对房屋沉降、结构变形和裂缝开展等进行监测，并制定专门的监测措施。第三，桩基托换施工期间，监测梁挠度和柱竖向位移的测点布置在梁两端及梁与柱交点处。第四，托换桩预顶加载采用分级加载原则，共分10级加载；每级荷载增量为千斤顶加载上限的10%，不可一次加载到最大值；每级加载需保持10min，等结构稳定后方可加次级荷载。被托换桩的上抬量不能大于1 mm，被托换柱的下沉量不能大于3mm。
5结语
地铁大多修建在繁华市区和人员流量较大的地方，在进行整体规划设计时，地铁线路经常不可避免地从既有建筑物附近甚至是正下方的地层中穿过，桩基托换作为地铁建设及地下空间开发中保护既有建筑物的主要手段日益被采用。然而，托换技术是一项具有较大风险性的特殊技术，必须精心设计，精心施工，并对全过程实施监测，才能保证托换工程的成功。桩基托换的关键在于荷载的转换与变形的控制，必须做到：1）新旧混凝土连接应有可靠措施，保证托换梁与被托换柱间荷载的有效传递。2）应根据有关规范的规定，结合建筑物的自身特点，确定合理的建筑物变形允许值，保证托换后建筑物的正常使用功能。3）千斤顶顶升过程中，通过实施监测，保证托换变形控制在柱端下沉3mm、上顶1mm范围内，经过国内同类工程验证，证明此要求是合理的。
关键词：地铁建设；托换施工技术；信息化施工体系
1工程概况
某地铁建设施工阶段，区间隧道要穿越一座五层办公楼建筑。建筑物采用柱下独立承台桩基础。区间采用双洞双线矿山法施工，平曲线半径400m，线间距15.8m。该建筑需要托换的柱下独立承台共18个，每个承台下为6-9根预应力管桩，需托换的桩数量较多。下图1为需托换的承台平面布置情况。大楼经过十余年的使用，工后沉降已基本完成。由于仅对大楼部分范围实施桩基托换，托换部分的二次变形必须严格控制在一定范围内，以保证该建筑整体性能不受影响。根据主动托换主动控制变形的优势，对本区间下穿建筑物采取预应力主次梁的主动托换方式。
图1 需托换承台平面布置图 图2托换体系横剖面图
2地质情况
区间托换范围内上覆第四系人工堆积层、坡积层、残积层，下伏基岩包括侏罗系中统角岩、砂岩，加里东期混合花岗岩等。主要地层概述如下：1）素填土，杂色，成分以碎石为主，棱角状，直径3-15cm不等，体积分数为60%左右，稍湿，稍密，层厚约1.5m。2）素填土，褐黄、褐红色，可塑，成分以含砾粉质黏土为主，层厚约1m。3）淤泥质粉质黏土，褐、灰褐色，可塑，含少量有机质及砂粒，砂粒的体积分数约5%-10%，层厚约1.5m。4）粉土，浅黄、褐黄色，饱和，中密，土质均匀，层厚约2m。5）碎石土，褐黄色，主要成分为中、微风化的砂岩，呈棱角状，2-7cm不等，体积分数约30%，层厚约1m。6）粉质黏土，青灰、褐灰、少量呈褐黄色，可塑，原岩结构可辨析，由下伏角岩风化残积而成，层厚约7m。7）中风化角岩，灰、灰黑色，晶体结构，块状构造，矿物成分以长英质为主，黑云母、方解石次之，岩体破碎，岩芯呈碎块状，裂面有浸染，层厚约8m。8）微风化角岩，灰、灰黑色，晶体结构，块状构造，岩质较破碎，以短柱状及块状为主，顶面埋深约21m。
3托换方案
3.1设计主要原则及要求
根据国内主要城市桩基托换施工经验并考虑本工程的具体情况，本桩基托换工程需遵循以下几个基本原则及要求：1）基础托换后，托换结构体系使用年限不少于被托换建筑物剩余使用年限，新托换结构体系的承载力必须具备足够的保证和储备。2）桩基托换完成后，必须保证建筑物原有功能，不得改变首层的结构和平面布置，维持原室内净空。3）根据《建筑地基基础设计规范》对建筑物地基变形允许值的规定，托换体系引起的相邻柱基沉降差必须严格控制在允许附加变形范围以内。4）托换施工过程中，必须采取有效措施可靠地将荷载由被托换桩转换到托换桩上。5）桩基托换完成后，应保证区间隧道的施工安全；桩基本身应考虑由于矿山法区间施工降水对新桩产生的负摩阻力等不利影响。
3.2托换桩设计
由于桩基施工必须在厂房内进行，而室内净空无法满足钻孔灌注桩及静压桩等的施工要求，故根据场地地质情况，本托换工程采用直径1500mm的人工挖孔桩作为托换新桩。为减小托换桩后续沉降带来的不利影响，托换桩按端承樁设计，桩端进入中风化层不少于2m，且其深度需超过隧道底4.0m以下。托换体系如上图2所示。使用PKPM结构计算软件，由厂房基本组合荷载工况得出柱底反力。使用SAP84结构通用计算软件建立计算模型，以柱底反力作为托换梁荷载输入，以托换桩为支座，计算支座反力，作为各人工挖孔桩的承载力设计值。基桩承载力设计值满足下列两式：γoN≦R（1）；R=Quk/γsp（2）式中：R代表基桩承载力设计值；N代表基本组合下计算所得支座反力；Quk代表基桩竖向极限承载力；γsp代表综合抗力分项系数。根据建筑物原设计文件中给出的单根预应力管桩承载力设计值，确定本托换工程共设托换桩23根，单桩承载力设计值为6000-8000kN。
3.3建筑物变形的有效控制
托换结构体系中，柱底内力视为作用荷载，托换桩基视为支承；托换梁承受上部结构传来的荷载并将这些荷载传递给下部托换桩基，在力学上起到承上启下的作用。由于既有结构物经历了十余年的使用过程，变形与受力已达到一种弹塑性平衡状态，基础托换过程势必引起上部结构的内力重分布。一方面，托换梁变形取决于被托换柱的内力；另一方面，被托换柱的内力又与托换梁的变形有关。两者互相牵制，协同工作。控制建筑物变形是桩基托换工程中最为关键的问题之一。首先，结构物对托换引起的变形非常敏感，且托换结构体系大部分变形是在上部结构与下部桩基逐步分离过程中完成的，故托换工程对控制不均匀变形的要求比新建工程更高。此外，由于存在一栋楼房部分桩基被托换、其余部分未被托换的情况，应避免托换区与非托换区的结构产生过大的相对沉降变形。这对托换区结构体系的后续沉降提出了较高要求。
3.4梁柱节点的设计
托换梁与柱节点的处理是保证荷载有效传递的关键。将原有承台用切割机锯槽。槽宽150mm，槽深100mm，以增大界面面积。在被托换结构柱位上，短方向采用3排精扎螺纹钢收紧。
4信息化施工体系
桩基托换是风险性、技术性很高的工作，其施工监测是决定工程成败的重要一环。施工中，应通过全过程监测及时反馈，并根据反馈信息指导托换程序。监测内容主要包括：建筑物的沉降、倾斜及裂缝观测，地面沉降及裂缝观测，地下水位观测，托换梁变位及裂缝观测，托换桩、被托换柱、既有柱高程监测，分步液压参数监测等。监测工作应注意以下几点：首先，需对建筑物初始状态进行观测，基础托换施工前应对被托换建筑物的先期变形、结构裂缝情况进行周密调查及现场录像，以确定被托换建筑物的控制标准，确保上部结构的正常使用。其次，桩基托换、地层加固施工和区间施工期间，必须对房屋沉降、结构变形和裂缝开展等进行监测，并制定专门的监测措施。第三，桩基托换施工期间，监测梁挠度和柱竖向位移的测点布置在梁两端及梁与柱交点处。第四，托换桩预顶加载采用分级加载原则，共分10级加载；每级荷载增量为千斤顶加载上限的10%，不可一次加载到最大值；每级加载需保持10min，等结构稳定后方可加次级荷载。被托换桩的上抬量不能大于1 mm，被托换柱的下沉量不能大于3mm。
5结语
地铁大多修建在繁华市区和人员流量较大的地方，在进行整体规划设计时，地铁线路经常不可避免地从既有建筑物附近甚至是正下方的地层中穿过，桩基托换作为地铁建设及地下空间开发中保护既有建筑物的主要手段日益被采用。然而，托换技术是一项具有较大风险性的特殊技术，必须精心设计，精心施工，并对全过程实施监测，才能保证托换工程的成功。桩基托换的关键在于荷载的转换与变形的控制，必须做到：1）新旧混凝土连接应有可靠措施，保证托换梁与被托换柱间荷载的有效传递。2）应根据有关规范的规定，结合建筑物的自身特点，确定合理的建筑物变形允许值，保证托换后建筑物的正常使用功能。3）千斤顶顶升过程中，通过实施监测，保证托换变形控制在柱端下沉3mm、上顶1mm范围内，经过国内同类工程验证，证明此要求是合理的。