特大噸位樁基托換施工工法

《特大噸位樁基托換施工工法》是中鐵隧道集團有限公司完成的建築類施工工法，作者分別是劉建國、潘明亮、趙春華、朱成傑；適用範圍：20000千牛以下構築物樁式基礎的大中型樁基托換工程。

《特大噸位樁基托換施工工法》主要的工法特點：採用低高度預應力鋼筋混凝土梁做托換梁，梁高低、剛度大；充分保證托換作業安全順利；保持結構物變形始終控制在允許範圍內（頂升量和沉降量），保持托換大梁承受的荷載始終在允許範圍之內；施工中監測反饋方案措施完備；準確確定托換分級荷載大，小千斤頂自鎖裝置配置與使用合理可行。

2006年1月19日，《特大噸位樁基托換施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2003~2004年度國家級工法。

基本介紹

• 中文名：特大噸位樁基托換施工工法
• 類別：工程建設類
• 工法編號：YJGF02-2004
• 完成單位：中鐵隧道集團有限公司
• 主要完成人：劉建國、潘明亮、趙春華、朱成傑
• 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
• 主要榮譽：國家級工法（2003~2004年度）

形成原因

深圳捷運國貿一老街區間重疊隧道穿越百貨廣場大廈的樁基托換具有托換樁多（6根）、托換軸力（18000千牛）和樁徑大（2000毫米）、地質條件差、地下水頭高、托換位置深（地下三層）、使用環境複雜（中間穿越捷運，有振動影響）等幾大特點，全世界無類似大力托換施工經驗（日本類似托換最大軸力8750千牛，中國5900千牛）。為此，中鐵隧道集團成立了科技攻關小組，結合重疊隧道施工技術總課題，對大軸力樁基托換技術的理論及機理、托換結構、施工工藝、托換環境評估等方面問題開展研究，取得了成功，並根據科研成果和施工經驗總結形成《特大噸位樁基托換施工工法》。

工法特點

《特大噸位樁基托換施工工法》採用低高度預應力鋼筋混凝土梁做托換梁，梁高低、剛度大，解決了托換梁剛度（尺寸）問題。該工法在樑柱接頭強度和保證托換過程中接頭不發生滑移的構造措施克服了樑柱接頭強度難題，能充分保證托換作業安全順利。

《特大噸位樁基托換施工工法》能正確設計和估算被托換柱的變形狀況和柱頂結構物的剛度，掌握主動托換中荷載的分配關係，防止結構物變形超標、受損，保持結構物變形始終控制在允許範圍內（頂升量和沉降量），保持托換大梁承受的荷載始終在允許範圍之內。該工法在施工中監測反饋方案措施完備，能準確確定托換分級荷載大，小千斤頂自鎖裝置配置與使用合理可行。

操作原理

適用範圍

《特大噸位樁基托換施工工法》適用於20000千牛以下構築物樁式基礎的大中型樁基托換工程。

工藝原理

《特大噸位樁基托換施工工法》為主動托換。在舊樁截樁之前，對新樁和托換結構載入，消除部分新樁和托換結構的變形，使得托換後樁和托換結構的變形限制在允許範圍內。該技術套用於大軸力、結構物對變形要求嚴的樁基托換，其原理參見圖1。

百貨廣場樁基托換原理（單位：毫米）（圖1）

工藝流程

《特大噸位樁基托換施工工法》施工工藝流程圖見圖2。

樁基托換工藝流程（圖2）

施工準備—模型試驗

（1）試驗目的。

①作1：4整體模型試驗，進一步驗證剪跨比及實際預應力對接頭滑移的影響。

②模擬實際托換工程中柱體軸力的轉移過程，了解托換過程中荷載的分配關係、上部結構變形情況。

③檢驗梁-柱接頭的抗剪滑移性能和強度，檢驗托換大梁的性能及構造，觀測托換大梁的受力狀態（強度、剛度和抗裂性）。

④模擬主動托換過程和截樁過程中整體結構的反應，掌握托換施工工藝。

⑤檢驗主動托換施工的頂升系統，演練施工隊伍。

（2）模型試驗主要結論。

①關於托換結構。

試驗表明，百貨廣場18000千牛樁基托換結構的設計具有足夠的安全儲備，能夠保證上部結構和托換結構本身的安全。

1/2梁-柱接頭抗剪試驗結果表明，在剪下條件下，採用企口＋錨筋＋預應力的接頭方案，接頭初始滑移安全係數＞1.8，對應原型初始滑移荷載＞32400千牛。

1/4整體模型試驗結果表明，在彎剪的共同作用下，接頭初始滑移安全係數為1.8，對應原型初始滑移荷載為32320千牛。預應力托換大梁的開裂安全係數為1.5。

試驗結果也表明，梁體斜交可能造成的局部應力集中對結構沒有影響，被托換柱承受頂升荷載帶來的超壓也是安全的。托換大梁兩端3台和2台千斤頂與大梁接觸處梁體的局部抗壓能力也沒有問題。

②關於主動托換方案。

根據試驗結果可以確定採用主動托換方案是可行的。施工過程中要對位移進行實時監測，據此調整千斤頂的頂力，使施工的每一步驟都控制被托換柱的頂升和下沉位移量在＋1～-3毫米以內，這是確保上部結構的安全的關鍵。

在新樁和托換大梁完成後，利用兩端新樁和托換大梁之間的千斤頂分級同步施加頂力，最多可以達到18000千牛。待新樁靜壓完成沉降以後，保留千斤頂施加托換荷載10％的頂力，在被托換樁保持大部分軸力的情況下分步截樁，截樁過程中隨時監測被托換柱處的頂升和下沉位移，調整千斤頂的頂力，可以保證荷載逐步、安全地轉移新樁上。

托換結構有足夠的安全係數，在實際施工中不採用應力釋放法測試被托換樁實際軸力。

③實際工程施工要點。

模型試驗表明，千斤頂採用分級同步載入效果較好。在實際施工過程中應採用同樣方式或更精確有效的控制方式。

托換施工必須選用質量可靠的千斤頂頂升系統，開始之前進行檢查，調整好整個頂升系統，做到萬無一失。

為保證施加荷載的精度，應安裝壓力感測器，以實現精確控制托換荷載載入和卸載時的荷載。

主動托換施工監測是主動的、對施工有指導意義的監測，必須採用精確可靠的監測儀器和監測系統，制定詳盡的施工監測方案，進行精確、可靠、系統的監測，真正實現信息化施工。

• 托換施工方法

（1）托換樁施工。

施工前先用雙液化學漿液注漿加固樁周邊岩石，托換新樁的施工與普通樁基施工工藝沒有差別。

（2）樁帽施工。

樁帽的結構形式與千斤頂頂升裝置和可調自鎖安全裝置的尺寸有關，將人工挖孔樁樁帽擴大3.2米，依據托換大梁的托換樁位受力狀況，在11和12新樁上分別安裝2台和3台5000千牛千斤頂，在托換樁中部布置相同數量的可調自鎖安全裝置。並預埋94個Φ32鋼筋連線套筒用於與托換大梁之間的聯結。

樁帽施工時，用鋼鎬鑿除基坑範圍內的地下室底板後先開挖樁帽基坑，視基坑土體的自穩能力確定一次開挖深度，在基坑土基上澆搗方形沉井，每節高度約1.0米。待前一節沉井的混凝土達到70％強度後，人工在井內四周均勻掏土，讓沉井平穩下落。當沉井下落到頂面高出基坑頂面15厘米時停止掏土，在前1節沉井頂面上澆築第2節沉井，直至完成樁帽基坑開挖。樁帽基坑開挖完後按設計綁紮樁帽鋼筋，澆樁帽混凝土。

（3）托換梁施工。

①施工順序見圖3。

托換梁施工順序（圖3）

②齒槽和錨筋。新舊混凝土界面處理採用齒槽和錨筋。

齒槽施工時，按設計要求對托換柱進行放樣畫線，利用混凝土割機在畫線位置將混凝土鋸入25毫米的深槽，用小錘間隔將混凝土鑿除成齒槽，並修平、清洗乾淨，同時保證不損壞不鑿區域。

錨筋施工時，按設計要求在托換柱上放樣，劃出錨筋孔位置。用混凝土取芯機鑽Φ38的孔，成孔向一個方向向上傾斜3度。鑽孔必須跳鑽，並且鑽好一面錨一面的鋼筋。錨筋前必須將孔內灰塵風吹乾淨，然後用環氧水清洗孔壁。錨筋材料採用ZM型早強錨固包，錨固包使用前應先水浸約1分鐘，將其濕潤，塞滿已清乾淨的後插入Φ32鋼筋至孔底，並將孔口的錨固包壓密實，然後再鑽第2面的鋼筋，如此循環，直至錨完所有錨筋。

③托換梁鋼筋施工。

鋼筋安裝前先測量定位，作托換梁底模，在其上定出普通鋼筋、波紋管和預埋件分布大樣，然後嚴格按設計及規範要求綁紮鋼筋、設定預應力波紋管錨墊板及預埋件，並嚴格遵循“普通鋼筋讓預應力筋”的原則下進行施工，保證鋼筋有足夠的保護層。

④托換梁模板施工。

模板採用20厚夾板製作，豎向支撐用10厘米×8厘米木方，橫向用［25槽鋼，穿牆螺栓收緊。

安裝除要求接縫平整和不漏漿外，支撐系統應牢固，具有足夠的穩定性、強度和剛度。

模板的安裝順序為先底模後側模。

模板的幾何尺寸和位置，應能保證托換梁的相關位置和結構尺寸、形狀要求。

⑤托換梁混凝土施工。

托換梁混凝土採用攪拌站製作的C60商品混凝土，攪拌運輸車運輸。採用混凝土泵車泵送澆築，坍落度控制在16±2厘米，混凝土振搗採用插入式振搗器分層振搗。

⑥托換梁預應力施工。

托換梁縱向、橫向採用後張法有粘結預應力錨筋，混凝土強度達到85％及7d齡期後方進行預應力鋼筋。張拉順序為先張拉橫向頂應力鋼筋，全部完成後才張拉縱向頂應力鋼筋。

（4）千斤頂頂升（力的轉換）。

①同一根樁上多個千斤頂壓力同步與自鎖措施。

每根新樁布置2~3台自鎖千斤頂，由一台油泵控制。各千斤頂油路並聯，每個千斤頂油路和總油路均安裝單向閥自鎖，實現單樁上各千斤頂的壓力平衡、同步與自鎖，使托換梁在頂升中能避免或減少因扭力作用導致的側向位移。

油泵的溢流閥可根據頂升力調節千斤頂的最大油壓（最大頂升力），保證頂升時不會超壓。

各千斤頂油路上安裝油壓感測器，實現精確控制載入或卸載時的托換荷載。

每級頂升操作由指揮長統一指揮，同步操作，儘量採用小流量，使頂升千斤頂的工作壓力慢速增加，避免荷載突變而導致不良後果。

②托換梁兩端千斤頂同步與自鎖措施。

根據托換荷載及托換梁兩端新樁距托換柱中心的距離，算出托換梁兩端的預頂力，將其預頂力分成15級進行預頂。

分級載入頂升時，托換梁兩端分別由兩個操作小組進行操作，由指揮長統一指揮，嚴格按分級荷載在統一規定的時間內（每級載入2~3分鐘）緩慢均速地同時完成一級載入頂升，之後將千斤頂自鎖。

在每級施頂過程中，連續記錄監測數據和施加荷載，每施頂一級，將數據進行統計分析，得出結論後再進行下一級或者調整施頂速度。

頂升時，嚴格按照施工參數控制托換千斤頂的頂升力和托換梁兩端的位移，各千斤頂頂升力已達到控制值而梁端位移未到位移範圍值以內時，或梁端位移值已到而頂升力未達到控制值時，應立即通知設計單位，以便對施工參數進行調整。

（5）截樁。

在托換柱預頂完成，卸荷至15％~20％的軸力，待新樁沉降變形穩定後，採用鑽石鏈式切割機，由外到內層層剝離的施工方法進行截樁。該方法振動小，安全可靠，切割位置的標高為-7.5～-8.0米。切割共分6~8級，每級間隔時間約2小時。將樁水平方向切斷後，兩切口中間的樁身混凝土用手動葫蘆取出。

逐級截樁時要嚴密地進行連續監測，根據監測信息，適時地調整頂升系統和鎖定系統，自鎖千斤頂及可調自鎖安全裝置操作手隨時待命，保證接頭處的豎向位移在設計值範圍內，實現荷載的可靠轉換。

（6）監測。

①新舊樁應力監測。

新樁的應力狀況受到樁側土壓力、摩阻力，以及隧道開挖土體撓動、單側土摩阻力的損失等複雜因素的影響，必須進行詳細監測，以確定新樁的縱向應力的分布及樁側土摩阻力的分布情況。監測方法是：在新樁施工時，每根樁從樁底到樁頭均布5個測試斷面，每個斷面對稱預埋4個鋼筋計，在托換施工及隧道開挖施工過程中對新樁應力進行全程監測。

被托換柱及樁在托換大梁以上和以下的應力分別選取一個Z（上柱的）上截面和Z（下樁的）下截面測試。Z（上柱的）上截面布置12個鋼弦應變計，測試截面軸力、角點局部應力狀態和截面的泊桑比；Z（下樁的）下截面布置4個鋼弦應變計，測試托換過程中樁（柱）上、下部分的應力分配狀況，確定柱頂與樁底的剛度比，並據此調整頂升方案。

②新樁的沉降監測。

新舊樁的沉降採用靜力式水準儀監測，測試精度為0.01毫米，新樁的測點布置在樁頭，

參考點應距被托換樁足夠遠，以避免地面變形產生的測試誤差。此項觀測可以得出舊樁的位移狀況和新樁的沉降過程，通過荷載沉降曲線和沉降時程曲線預估沉降穩定的終極值。

在道暗挖過程中，托換新樁的水平位移也須進行監測，可採用相對位移測試方法。

③梁-柱接頭的相對滑移監測。

在接頭主動端和被動端分別採用4隻位移計測試。整個托換過程中都要密切關注滑移的情況，若有初始滑移發生，即應停止施工，查明原因，採取相應措施解決。

④托換大梁的應力、撓度監測。

採用應變計測試梁體最大彎矩截面的縱向應力，1個斷面布設10隻應變計，監測預施應力階段梁體的預壓應力和托換階段梁體的受力狀態，檢驗梁體的抗裂性能。梁體撓度的測試，採用在梁頂兩端簡支剛度足夠的鋼樑，在鋼樑與梁體之間布置6隻百分表測試梁體的撓度。由於梁體較寬，應在梁頂兩邊各布置一根鋼樑，共需12隻百分表，以測出梁體的實際撓度。整個施工過程中，托換大梁的應力、撓度應控制在安全範圍之內。

托換大梁梁底與樁帽之間應安裝4隻百分表，用以監測加荷與卸荷過程中梁端有無扭轉現象發生，以及卸荷前後安全裝置的壓縮變形。

⑤被托換柱與鄰近柱相對沉降監測。

在被托換柱及相鄰柱上安裝靜力水準式沉降儀進行測試，它配有自動測試模組和分析軟體，能對施工全過程柱的沉降差進行全自動實時監測和信息的迅速反饋。

⑥應力釋放法檢測被托換柱的實際軸力。

在切樁前，通過應力釋放法測試被托換樁的實際軸力。

⑦鄰近被托換柱的梁板附加應力監測。

在托換施工及暗挖隧道施工過程中，在梁板上布置應力測點，如果結構主要受力變形敏感部位出現裂縫，則在裂縫上布置裂縫計，隨時監測裂縫的發展變化。

勞動組織

《特大噸位樁基托換施工工法》需用的勞動組織人員見表1。

勞動力組織人員（表1）

序號	工種	人數	工作內容	序號	工種	人數	工作內容
1	項目經理	1	現場管理	10	木模工	8	立模
2	技術人員	10	施工技術指導	11	鑽機工	8	鑽孔、注漿
3	質檢員	1	質量控制、檢查	12	電焊工	10	鋼筋加工
4	安檢員	1	安全監督、檢查	13	機械司機	6	機械操作
5	測量、監測人員	16	量測、監測	14	機械修理工	6	機械修理
6	開挖工	48	挖孔、裝碴出碴	15	托換技工	8	切樁、頂升
7	施工管理	8	現場管理	16	普工	20	雜工
8	混凝土工	20	混凝土灌注	17	電工	5	施工用電
9	鋼筋工、預應力	24	鋼筋加工、綁紮		合計	200

材料設備

《特大噸位樁基托換施工工法》需用的主要機具設備見表2。

機具設備配備（表2）

序號	機具名稱	規格	數量	附註	序號	機具名稱	規格	數量	附註
1	提升卷揚機	2噸	1套	豎井出碴用	12	挖掘機	0.5立方米	1	裝碴
2	風鑽	YT-28	12	鑽孔	13	小斗車	0.5立方米	10	運碴
3	風鎬	G-10	10	挖硬土	14	鑽機	XY-2	2	注漿鑽孔
4	空壓機	20立方米	1	供風	15	張拉設備	套	2	預應力張拉
5	注漿泵	雙液	2	注漿	16	電動液壓千斤頂	500噸，自鎖	30	托換用
6	潛水泵	2千瓦	6	抽水	17	電動油泵		32	托換用
7	電焊機		4	焊接	18	切割機		4	切樁用
8	彎曲機		1	鋼筋加工	19	監測儀器	套	2	監測用
9	鋼筋切斷機		1	鋼筋加工	20	反力架	自製	8	托換用
10	拌和機	JZC350	1	拌噴漿料	21	混凝土輸送泵	HBT60	1	灌注混凝土
11	濕噴機	YK961	1	噴混凝土

質量控制

《特大噸位樁基托換施工工法》質量控制應遵循以下要求：

1.18000千牛大軸力樁基托換施工屬中國首例，沒有可供借鑑的經驗。因此，施工前的技術準備工作一定要做好，使技術方案要合理、可行。

2.各工序的質量控制要嚴格，並按結構工程施工及驗收規範、標準等為依據進行驗收。

3.所有材料如鋼筋、預應力筋、錨具、漿材等必須符合質量標準要求。

4.預應力施工嚴格按設計要求及工藝技術標準施工。

5.要保證新樁和托換梁的施工質量。

6.托換梁與柱底等托換節點的混凝土齒槽應處理安全。

7.嚴格質量檢查制度，及時解決施工遇到的技術難題，開展好QC小組活動。

安全措施

採用《特大噸位樁基托換施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，應遵守注意下列事項：

1.堅持施工安全第一的方針，做好防湧水、防裂、防沉降工作。

2.施工前做好超前地質預報工作，並根據不同的地質情況，採取樁周注漿加固、超前小導管注漿等措施，確保樁孔施工安全。

3.托換施工及隧道施工期間，必須嚴格監測。

4.切樁應分級嚴格控制，及時調控變形。

5.破底板前採取止水措施，防止地下水大量湧入。

6.新樁施工緊鄰既有建築物樁且新樁低於既有樁底2~6米不等，新樁施工造成既有樁底以下基層形成側面臨空，影響既有樁安全，施工中要加強護壁，採取必要的超前支護措施。

7.頂升前測定實際軸力，確定頂升分級荷載。

8.千斤頂頂升時，統一指揮調度，托換梁兩端需均衡同步載入，均衡頂升。

效益分析

《特大噸位樁基托換施工工法》解決了城區捷運施工的難題，為大軸力樁基托換的設計提供了理論和實踐的科學依據，為類似工程的施工提供了可供借鑑的經驗，填補了中國在大軸力托換施工的空白。採用該工法安全、快速、高效地完成深圳捷運3C標段樁基托換的施工任，區間隧道成功地穿越百貨廣場高層建築托換樁基群，保證了周圍建築物和地下管線的安全，受到社會各方的好評。經測算，採用大軸力樁基托換施工方案比採用繞道延長線路的方案節約土建費用約70％，其經濟、社會和環境效益明顯。

套用實例

《特大噸位樁基托換施工工法》套用實例：

深圳捷運一期工程線路由於受走向及最小半徑（R_min＝300米）等條件限制，只能從百貨廣場大廈裙樓下穿越。百廣場主樓22層，裙樓9層，地下室3層，為框梁一剪力結構，基礎為獨立樁基端承樁，需進行樁基礎托換。樁端持力層（強風化層）承載力標準值2700千帕，樁身直徑最大Φ2000的人工挖孔樁（C25），根據樓層估算托換樁最大設計軸力約18900千牛。從資料檢索結果看，屬全世界捷運地下工程中托換位置深度大，最大軸力的樁基托換，托換位置工程地質條件複雜，地下水位高，加之變形控制嚴，環境複雜，全世界無類似工程成功經驗，故施工難度大。被托換樁施工參數見表3。

被托換樁施工參數（表3）

被托換樁號	TZ24	TZ38	TZ39	TZ58	TZ59	TZ77
原估算軸力標準值（千牛）	10000	9680	13200	12400	15120	9600
原軸力設計估算值（千牛）	12500	12100	16500	15500	18900	12000
托換期間最大軸力估算值（千牛）	19500	18600	18800	19200	19900	16500
托換期間最小軸力估算值（千牛）	5612	5741	7416	7066	8126	5176
預頂力控制值（千牛）	6500	6500	8500	8000	10000	6500
預頂期間梁端位移值（毫米）	2~3	3~4	3~4	2~3	2~3	2~3
預頂期間柱端位移值（毫米）	1	1	1	1	1	1
預頂期間柱端沉降控制值（毫米）	-3	-3	-3	-2.5	-2	-3

根據百貨廣場的結構、基礎形式及操作空間，百貨廣場樁基托換採用梁式托換結構柱的型式，托換新樁採用人工挖孔樁，整個托換工程在地下三層室內進行。

根據高層結構變形要求，裙樓樁基採用主動托換。托換時，在托換梁和新樁之間設定載入千斤頂，利用千斤頂載入使上部結構有微量頂升位移，同時使新樁的大部分沉降位移在頂升時預壓完成。從而通過主動載入實現作用在原結構樁上的荷載經托換大梁轉移至新樁上，且原樁（柱）頂升值和新樁沉降也得到有效控制。截樁在開鑿人工孔，至托換梁底下逐步截斷舊樁。截樁後暗挖隧道開挖、襯砌變形穩定後（期間千斤頂裝置及時調整）。托換梁與新樁連線形成永久結構，托換完成。樁基托換及隧道施工全過程都實行了嚴格的全過程監控、量測，確保了結構安全。

工程於2001年3月開工，2003年7月竣工。施工中，通過技術攻關解決了軟弱地層樁基開挖支護、托換梁以及截樁、力的轉換等技術難題，保證了百貨廣場等高層建築物、地下管線的安全和正常使用，安全、快速、高效地完成深圳捷運3C標段樁基托換的施工任務，工期提前6個月。工程竣工後，周邊環境與所有建築物安全無恙，工程質量優良，無施工安全事故發生，被評為深圳市樹為品牌工程，受到業主和社會各方的好評，取得了良好的社會效益和較大的經濟效益，形成了系統完整的特大噸位樁基托換工法，為中國以後類似的工程施工提供了可借鑑的工程實例。

榮譽表彰

2006年1月19日，中華人民共和國住房和城鄉建設部發布《建設部關於公布2003~2004年度國家級工法的通知》，以文號建質[2006]16號公布，《特大噸位樁基托換施工工法》被評定為2003~2004年度國家級工法。