《動載條件下雙套拱樁基托換施工工法》是中鐵十四局集團有限公司完成的建築類施工工法，完成人是宮海光、廖大懇、李衛華、王海峰、衡會，適用於隧道穿過建築物下方（包括動載作用下）的樁基托換施工。
《動載條件下雙套拱樁基托換施工工法》主要的工法特點是採用縱梁加拱式托換結構實施托換；採用主動托換和托換結構獨立於擬建結構之外的原則進行設計與施工；工作隧道和套拱隧道均採用微振動、弱擾動光面爆破技術。
2008年1月31日，《動載條件下雙套拱樁基托換施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2005-2006年度國家一級工法。
基本介紹
- 中文名：動載條件下雙套拱樁基托換施工工法
- 工法編號： YJGF048-2006
- 完成單位：中鐵十四局集團有限公司
- 主要完成人：宮海光、廖大懇、李衛華、王海峰、衡會
- 套用實例：廣州捷運三號線廣州東站及站後折返線
- 主要榮譽：國家一級工法（2005-2006年度）
形成原因,工法特點,操作原理,適用範圍,工藝原理,施工工藝,材料設備,質量控制,安全措施,環保措施,效益分析,套用實例,榮譽表彰,
形成原因
廣州捷運三號線[廣州東站及站後折返線]地處火車東站至瘦狗嶺軍事區，線路總長569.182米，它穿越鐵城公司地下車庫、捷運一號線、廣州火車東站站房、辦公大樓、鐵路站場、廣園高架橋及廣園快速路、瘦狗嶺軍事區。捷運三號線新開隧道頂部距捷運一號線底板4.0米，距22股軌道鐵路站場25米，距廣園高架橋樁基水平距離4.97米，高差5.07米。其上面除有高大建築群和重要設施外，每天還有成千上萬次汽車、火車及捷運等車輛載運各方旅客通過。整個施工過程均在汽車、火車及捷運動載作用下進行，如何在施工中將地面下沉變形控制在允許範圍之內，如何保證汽車、火車及捷運的正常運行，成為捷運三號線車站及暗挖隧道施工的難點，也是中鐵十四局集團有限公司重點研究的課題。尤其是已建成正在運營的捷運一號線不僅因其底板距三號線開挖隧道頂僅4.0米，而且有4根樁基侵入三號線右側隧道內，需進行樁基托換施工，為確保全全、縮短工期、節約成本，中鐵十四局集團有限公司進行了科技攻關，施工中成功的運用了雙套拱樁基托換技術。
施工從2003年7月15日進行首次爆破開始，至2003年12月25日完成托換，期間克服了零距離爆破、工作面狹窄及動載條件下托換等困難，取得了成功，積累了經驗。中鐵十四局集團有限公司經過認真分析、研究及總結形成《動載條件下雙套拱樁基托換施工工法》。
工法特點
《動載條件下雙套拱樁基托換施工工法》的工法特點是：
1.根據捷運一號線站台結構的特點和結構受力計算，充分利用捷運一號線車站結構底板和捷運三號線隧道之間的空間，採用縱梁加拱式托換結構實施托換。
2.採用主動托換和托換結構獨立於擬建結構之外的原則進行設計與施工。在托換結構和施工隧道間保證不小於0.5米的隔離層，避免上部動載作用對捷運三號線主體結構產生不良影響。
3.控制托換結構變形在允許範圍內是樁基托換中的關鍵問題。樁基托換實現力的轉移後，一般認為構築物舊基礎變形基本穩定，而新的托換結構在受荷載後必然產生沉降變形，新的托換結構及基礎與未被托換的舊基礎間的沉降差得到有效控制。以避免上部結構開裂或傾斜。該工程要求托換後軌面不均勻沉降小於4毫米，最大沉降量不超過10毫米。
4.工作隧道和套拱隧道均採用微振動、弱擾動光面爆破技術，堅持"短進尺、弱爆破"原則，實現主體石方微振動爆破和捷運一號線底板下及被托換樁基周邊的零距離爆破。
5.在施工期間實施全過程的爆破振動和變形監測，實現信息化管理，保證構築物變形和爆破振動速度在允許範圍之內，保證捷運正常運營。
操作原理
適用範圍
《動載條件下雙套拱樁基托換施工工法》適用於隧道穿過建築物下方（包括動載作用下）的樁基托換施工。
工藝原理
《動載條件下雙套拱樁基托換施工工法》的工藝原理敘述如下：
一、採用主動托換和托換結構獨立於擬建結構之外的原則進行設計與施工。
1.托換拱拱腳設在車站隧道拱腳處，與主體結構間距為0.5米，避免上部動載作用對新建捷運三號線產生不良影響。托換拱拱腳地基為微風化泥質粉砂岩，設計將拱腳擴大，同時設定鎖腳錨桿和拱背及拱腳註漿，以保證足夠的地基承載力，減小樁基托換力轉換完成及後期地基沉降量。
2.樁基托換頂升裝置∶在托換梁與地基之間設定臨時立柱，立柱上安裝千斤頂，在既有樁基卸載和托換拱模築完成前，通過頂升托換梁，保持既有樁基的微量位移。
3.樁基托換預頂與卸載技術要求∶按照托換樁實際最大托換荷載分級預頂。載入時實施適時監測，監測讀數時間間隔為0、5、10、15分鐘，以後每30分鐘測讀一次數據，當各構件的受力、變形穩定後且距上次載入不少於2小時後實施下一級載入。當某級荷載作用下，結構構件受力、變形接近警戒值、或樁基產生微量頂升、或每組千斤頂總載入量達到設計值時，停止載入。千斤頂卸載與載入順序相同，分級卸載值為每組千斤頂分級載入值的兩倍控制。
二、根據爆破安全規程和業主要求：周圍鋼筋混凝土結構爆破振動速度小於2.5厘米/秒，捷運一號線內重要設施爆破振動速度小於2.0厘米/秒，按此原則進行爆破設計，選擇爆破參數，確保施工安全。
施工工藝
- 工藝流程
《動載條件下雙套拱樁基托換施工工法》的工藝流程是：
樁基托換施工主要包括施工準備、豎井第一開挖區開挖、工作隧道施工、托換縱梁施工、工作隧道回填、主線隧道上台階施工、臨時立柱支撐及支頂、雙套拱施工、破除被托換樁基、拆除臨時支撐及全方位施工監測等。其工藝流程見圖1。
圖1 樁基托換施工流程圖
- 操作要點
《動載條件下雙套拱樁基托換施工工法》的操作要點如下：
一、工作隧道及套拱隧道微振動控制爆破施工工藝
1.施工要點
1）堅持"短進尺、弱爆破"原則，炮孔深度控制在0.6～1.0米之間。
2）起爆順序∶將開挖分成掏槽區、剝離區及周邊區，先爆破掏槽區，掏槽區選在距捷運一號線較遠的左下角。爆破後清碴完成後再沿其空腔向外採用薄層剝離爆破。在距樁基和捷運底板處鑽打減振孔，分一次或多次爆破到光爆層，最後進行弱擾動光面爆破。
3）加強爆破振動監測，及時調整爆破參數。捷運底板和樁基均為鋼筋混凝土結構，為確保全全，認定其允許振速為V≤2.5厘米/秒，根據監測情況調整爆破參數。
4）加強地面沉降及變形位移等監測工作，做到信息化施工。通過監測及時進行信息反饋，修正設計和指導施工，保證爆破開挖及托換施工過程的安全。
2.炮孔布置
1）工作隧道炮孔布置見圖2。
2）套拱隧道炮孔布置見圖3。
3.爆破參數
工作隧道鑽爆破參數見表1。套拱隧道主要技術指標見表2。
參數名稱 | 爆眼類別 | |||||
掏槽眼 | 掘進眼 | 周邊眼 | 底眼 | |||
循環進尺（米） | 0.8 | 鑽眼深度（米） | 1.0 | 0.9 | 0.9 | 0.9 |
裝藥量（千克） | 0.15~0.2 | 0.15 | 0.08~0.1 | 0.15~0.2 | ||
孔間距（米） | 0.7 | 0.7 | 0.4 | 0.7 | ||
0.5 | 鑽眼深度（米） | 0.7 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | |
裝藥量（千克） | 0.10~0.15 | 0.12 | 0.08 | 0.10~0.15 | ||
孔間距（米） | 0.5 | 0.5 | 0.4 | 0.5 | ||
周邊眼線裝藥密度（千克/米） | 0.15 | |||||
炸藥單耗（千克/立方米） | 0.4~0.7 | |||||
炮孔類別 | 炮孔深度 | 炮孔數目 | 單孔裝藥量 | 藥量小計 | 雷管個數 |
掏槽眼 | 1.0 | 8 | 0.20 | 1.6 | 8 |
掘進眼 | 0.9 | 83 | 0,15 | 12.5 | 83 |
周邊眼 | 0.9 | 61 | 0,10 | 6.1 | 61 |
底眼 | 0.9 | 30 | 0,20 | 6.0 | 30 |
總計 | 182 | ╱ | 26.2 | 182 | |
開挖面積 | 79.77 | ||||
循環進尺 | 0.80 | ||||
每立方炮孔個數（個/立方米） | 3.02 | ||||
單位耗藥量（千克/立方米） | 0.417 | ||||
二、雙套拱樁基托換施工工藝
1.利用明挖站廳基坑開挖所提供作業面，在捷運一號線底板下方爆破開挖托換工作隧道，並噴錨支護，形成托換縱梁的作業空間；
2.鋪設托換縱梁墊層。對4根被托換樁表面進行鑿毛、鑿抗滑槽和植筋，綁紮鋼筋。澆築托換縱梁及托換拱上段部分混凝土，採用C15混凝土將工作隧道回填密實，並注漿；
3.沿托換縱梁方向依次架設ф600鋼管臨時立柱，千斤頂按施工設計圖布置，頂升裝置採用500噸級的機械自鎖千斤頂，逐級施加預頂力，使被托換樁基荷載初步轉移至托換縱梁，然後爆破開挖托換拱工作隧道，同時通過監測和預加荷載控制位移、變形在允許範圍內；
4.爆破開挖托換拱岩石，綁紮安設鋼筋並澆築托換拱混凝土，拱內預留注漿管，對拱腳、拱背後進行注漿；
5.待托換拱混凝土達到設計強度後逐步卸載臨時立柱的支頂力，人工手持風鎬實施截樁，並拆除臨時立柱；
6.用C15混凝土按主體右線隧道二次襯砌外輪廓實施回填，轉入隧道開挖。
- 勞動力組織
《動載條件下雙套拱樁基托換施工工法》的勞動力組織見表3。
序號 | 工種 | 人數 | 主要職責 |
1 | 現場管理人員 | 1 | 負責現場全面管理,協調各方關係 |
2 | 施工技術人員 | 2 | 負責施工技術現場指導 |
3 | 安全技術人員 | 2 | 負責安全檢查及警戒檢查 |
4 | 質檢員 | 2 | 負責質量檢驗及跟蹤整改 |
5 | 試驗員 | 2 | 負責進場材料試驗 |
6 | 爆破員 | 5 | 負責炸藥運輸.裝藥、堵塞、聯網及起爆破,參與防護 |
7 | 測量員 | 3 | 負責測量放線、監控量測 |
8 | 鑽工 | 6~8 | 負責鑽孔及防護 |
9 | 設備操作員 | 2 | 負責空壓機等設備操作 |
10 | 鋼筋工 | 4 | 負責鋼筋下料及綁紮 |
11 | 模板工 | 5 | 負責支立與拆卸 |
12 | 混凝土技工 | 6 | 負責混凝土澆築 |
13 | 電焊工 | 2 | 負責鋼筋焊接 |
14 | 千斤頂操作工 | 2 | 負責預加力 |
15 | 機修工 | 2 | 負責機械設備保養維修 |
16 | 普通熟練工人 | 20 | 其他雜項工作 |
材料設備
《動載條件下雙套拱樁基托換施工工法》施工中所需主要材料為鋼筋、混凝土、砂石料、火工品等。施工中所需主要設備見表4。
序號 | 名稱 | 型號 | 數量 | 單位 | 用途 | 產地 |
1 | 濕噴機 | TK-961 | 1 | 台 | 噴錨作業 | 中國 |
2 | 注漿泵 | BW-250 | 1 | 台 | 回填注漿 | 中國 |
3 | 空壓機 | SA-5250W | 1 | 台 | 供風 | 中國 |
4 | 鑿岩機 | 7655 | 8 | 台 | 鑽孔 | 中國 |
5 | 千斤頂 | 500噸QYD自鎖式 | 8 | 台 | 預加頂力 | 中國 |
6 | 錨具 | OVMP15-12 | 72 | 台 | 錨定 | 中國 |
7 | 電動葫蘆 | CD10 | 1 | 台 | 物料運輸 | 中國 |
8 | 太脫拉自卸車 | T-815 | 8 | 台 | 出碴 | 中國 |
9 | 混凝土輸送泵 | HBT60 | 1 | 台 | 混凝土澆築 | 中國 |
10 | 振動棒 | HZ50 | 12 | 個 | 混凝土振搗 | 中國 |
11 | 鋼筋彎曲機 | GW40 | 2 | 台 | 鋼筋彎曲 | 中國 |
12 | 鋼筋調直機 | CF4-14 | 1 | 台 | 鋼筋調直 | 中國 |
13 | 電焊機 | BX500 | 5 | 台 | 鋼筋焊接 | 中國 |
14 | 爆破振動記錄儀 | IDTS1850 | 3 | 台 | 爆破振速測試 | 中國 |
15 | 全站儀 | DTM-550 | 1 | 台 | 測量放線、位移監測 | 日本 |
16 | 水準儀 | B20 | 1 | 台 | 沉降監測 | 中國 |
17 | 電子位移感測器 | ╱ | 1 | 台 | 位移監測 | 中國 |
18 | 電子壓力感測器 | ╱ | 1 | 台 | 壓力監測 | 中國 |
質量控制
《動載條件下雙套拱樁基托換施工工法》的質量控制要求如下：
1.嚴格按爆破設計進行施工，堅持少裝藥、短進尺、先掏槽、再擴挖的原則，確保合理的爆破參數和起爆順序。保證開挖輪廓尺寸。托換隧道底拱腳部位不能超爆，保證地基承載力要求，預留注漿管，混凝土振搗密實，對拱腳註漿加固。
2.樁基托換頂升載入施工，施工中嚴格按先頂升後開挖，根據監測及時調整開挖和載入，臨時立柱基座開挖時控制超挖，地基處理滿足承載力要求，分級載入，使頂力均勻增加，避免梁荷載突變，逐步完成力的轉移，事前對千斤頂進行校驗，在托換拱混凝土強度達到100%後方可拆除臨時立柱。
3.托換梁與樁基及套拱之間界而連線處理，梁抱樁連線中。對既有樁鑿抗滑槽尺寸滿足要求，洗刷乾淨；梁與套拱連線處，鑿除混凝土表面水泥漿和鬆軟層，鋼筋除銹，搭接及焊接質量符合要求，採用微膨脹水泥塞滿縫隙和預埋注漿管注漿，保證連線處質量。
4.嚴格按設計圖紙製做綁紮托換梁和托換拱鋼筋，確保植筋長度和錨固質量，確保托換縱梁預留鋼筋和托換拱鋼筋的連線質量。加強對混凝土澆築過程的質量控制，加強大體積混凝土養護。
安全措施
採用《動載條件下雙套拱樁基托換施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：
1.通過爆破振動監測及時調整爆破參數，確保爆破振速在2.5厘米/秒以內。
2.爆破時做好對立柱和既有樁的保護，在樁周圍打減震孔，控制爆破循環短進尺，樁周圍岩石用風鎬剝離。並在既有樁與開挖面間採用雙層竹排加工字鋼圍擋防護。
3.及時架設鋼支撐立柱，頂升操作按規範進行分級載入預頂力，控制頂升力和變形量，確保樁基承載力向托換梁轉移過程的安全。
4.加強監測工作，確保監測數據的準確、可靠、及時反饋，實現信息化施工。
環保措施
《動載條件下雙套拱樁基托換施工工法》的環保措施如下：
1.爆破採用微振動控制爆破技術，採用距樁基和底板的遠處開口，薄層剝離，堅持"短進尺，弱爆破"的設計原則，採用毫秒延時爆破和光面爆破技術，選擇合理掏槽形式和鑽爆參數，控制單段最大藥量，採用空氣不耦合裝藥結構，沿運營捷運底板零距離進行爆破，實現了對近距離構築物的爆破振動控制，完成了工作隧道、托換拱隧道開挖施工，並成功地進行了雙套拱托四樁的樁基托換施工。實現了爆破安全、建築物變形控制和環保的工程目標。
2.場地內設沉澱池和沖洗池，鑽孔或其他施工產生的泥漿，未經沉澱不得排入市政排水管網或河流。廢漿和淤泥使用封閉的專用車輛進行運輸。
3.禁止在施工現場焚燒有毒、有害和有惡臭氣味的物質。裝卸有粉塵的材料時，應灑水濕潤或在倉庫內進行。
效益分析
《動載條件下雙套拱樁基托換施工工法》的效益分析如下：
- 技術效益
以廣州捷運三號線廣州東站為例，根據捷運一號線站台結構的特點和雙套拱結構受力計算，充分利用捷運一號線車站結構底板和捷運三號線隧道之間的空間，採用縱梁加拱式托換結構實施托換，成功地進行了雙套拱托四樁的樁基托換施工，同時全過程實施了爆破振動監測和施工監測，實行動態施工，因地制宜，採用和發展新技術，為動載條件下樁基托換施工提供了新方法。
- 經濟效益
傳統樁基托換按主動托換和受力獨立於擬建隧道主體結構之外的原則進行設計，一般採用樑柱式托換，新的托換結構在托換過程中完成托換柱預變形，力轉換後引起原結構變形較小，如廣州東站工程受新建出人口影響，要求梁、柱的截面大。樑柱體積增大，使得底板下開挖空間要足夠大，挖孔樁（托換柱）施工難度大，托換完成後懸臂受力，使用階段的長期變形相對會大些。採用梁拱結構托換方式，托換梁與拱截面較小，開挖面積小，綜合廣州捷運三號線廣州東站、[天～華區間]和北京捷運五號線[蒲~天區間]的經濟效益情況，與上述傳統托換方案比較節省了直接費用114.3萬元，工期縮短50天。
註：施工費用以2005-2006年施工材料價格計算
- 社會效益
廣州捷運三號線廣州東站開挖綜合技術達到國際領先水平，獲2005年度山東省科技進步二等獎；2005年度山東省省級工法；2006年度山東省建築業技術創新一等獎。該項目還被評為"廣州市安全樣板工地"和廣州捷運"優秀項目部"，廣東省十項重點工程勞動競賽優勝單位，鐵道部火車頭優質工程一等獎，中國建築工程魯班獎。
套用實例
《動載條件下雙套拱樁基托換施工工法》的套用實例如下：
- 實例1：廣州捷運三號線廣州東站及站後折返線
由中鐵十四局集團有限公司承建的廣州捷運三號線廣州東站及站後折返線，右線隧道頂距一號線底板僅4.0米，而且一號線有4根樁基侵人三號線右側隧道內，單樁承載力按樁分為三種∶5000千牛、8000千牛、10000千牛，長5～8米，經科技攻關和托換方案的反覆論證比較，最後利用捷運一號線車站底板和捷運三號線隧道之間4.0米的距離實施了雙套拱托四樁的樁基托換。
樁基托換工作隧道長27.8米、寬6.9米、高4.06米，其開挖技術複雜，施工難度大。施工中採用微振動控制爆破技術，堅持"短進尺、弱爆破"的設計原則，採用毫秒微差爆破和光面爆破技術，選擇合理的掏槽形式和鑽爆參數，控制單段最大裝藥量，在特殊地段採用空氣不耦合裝藥結構，完成了托換縱梁及托換拱的工作隧道開挖施工，實現了對近距離建築物的爆破振動控制，取得了爆破安全效果。
被托換樁ф1300毫米；托換梁設計為C30鋼筋混凝土連續梁，截面尺寸27.4米×3.5米×3.0米。雙套拱截面寬×厚為5.0米×1.40米，臨時托換立柱採用ф600毫米鋼管。
2003年7月～2004年5月，從樁基托換工作隧道開始開挖到托換完成及車站暗挖隧道施工完成，均進行了爆破振動和沉降位移的跟蹤監測，從監測結果來看，捷運一號線車站內底板及拖換梁本身沉降變化在0～3毫米之間，變化速率小於0.1毫米/天，裂縫寬度在2毫米以內。三號線樁基托換施工基本沒有給捷運一號線帶來不良影響，一號線運營安全、結構穩定。
- 實例2：廣州捷運三號線[天~華區間]
《動載條件下雙套拱樁基托換施工工法》關鍵技術成果由中鐵十四局集團有限公司於2005年1月至2005年5月在廣州市軌道交通三號線[天～華區間]工程樁基托換施工中得到了成功套用。
由於線路受走向和最小半徑影響，[天～華區間]隧道須從農科院19棟職業宿舍樓下穿過，該樓為十層鋼筋混凝土框架結構，一層地下室，地板下地質向下為強風化、中風化、微風化地層，隧道主要穿過微風化層，樓房基礎採用ф300預應力管樁，樁長為12~15.4米，樁尖進入中風化層。其中有26根樁侵入隧道，需進行托換。托換方案採用樁梁托換，負一層作為施工空間，托換梁高度為2米，托換新樁ф1200人工挖孔樁，要求樁端超過隧道底不少於2米，平均樁長約23米。其中4根樁採用雙套拱托換方案，確保了負一層地下室停車場車輛出入和正常使用。
通過嚴格的計算和施工操作，同時充分借鑑三號線廣州東站樁基托換的經驗，採用梁拱托換，拱腳地基設在中風化層，施工單位在施工中克服了施工難度大、變形要求高等困難，完成了樁基托換施工任務，保證了宿舍樓的安全同時全過程採取爆破振動監測和施工監測，實行動態施工，因地制宜，採用和發展新技術，確保了安全、質量、工期、效益目標的實現，取得了較好的經濟效益和社會效益。
- 實例3：北京捷運五號線[蒲~天區間]
《動載條件下雙套拱樁基托換施工工法》關鍵技術成果在中鐵十四局集團有限公司北京捷運五號線[蒲~天區間]工程穿越南護城河樁基托換中得到了成功套用。
工程概況：北京捷運五號線天壇東站暗挖左線隧道在K3+775～+830段穿越南護城河，護城河橋樁基伸入隧道。捷運隧道位於河床底下8.8～17.0米範圍，隧道上方地層自上而下為4.0米粉土和4.8米砂層，隧道開挖高度8.2米。護城河橋為四跨簡支梁結構，三座樁基礎墩，每墩四根，共12根樁，樁為摩擦樁，樁徑800毫米，埋深約19.5米（自河床底）。護城河橋墩從南至北，1號墩2根中樁、2號墩1根中樁和3號墩1根中樁伸入左線隧道，排樁方向近似與隧道走向垂直，這4根樁必須進行樁基托換。
樁基托換方案∶托換段隧道採用擴大斷面四層支護的結構，由外向內依次為400毫米初期支護（C20噴射混凝土）、450毫米厚第一層鋼筋混凝土托拱（C30混凝土）、300毫米厚第二層鋼筋混凝土托拱（C30防水混凝土）、15毫米防水層和300毫米厚鋼筋混凝土襯砌（C30防水混凝土）。橋樁荷載從初期支護植筋開始向隧道外托拱第一層、第二層拱圈體系的荷載轉換，分步完成了全部橋墩荷載的體系轉換，限制樁基變形，同時釋放完成了托換過程中的樁基變形，確保隧道襯砌質量和安全。
實施情況∶隧道開挖前對橋樑設施地面帷幕注漿，保證捷運施工時無水作業，預加固橋樁周圍土體，2004年2月至2004年3月完成了樁基托換任務，橋樑安全運營。在工程施工中推廣和套用了"動載條件下雙套拱樁基托換施工工法"，取得了較好的經濟效益和社會效益。
榮譽表彰
《動載條件下雙套拱樁基托換施工工法》獲得2005年度山東省省級工法，證書編號∶LEGF-67-2005。
2008年1月31日，中華人民共和國住房和城鄉建設部發布《關於公布2005-2006年度國家級工法的通知》建質[2008]22號，《動載條件下雙套拱樁基托換施工工法》被評定為2005-2006年度國家一級工法。
