基础托换在地下工程施工中的研究与实践

1.基础托换的概念

所谓基础托换，就是采用新增加基础工程的方法，对既有建筑物某一部位的基础结构进行部分或完全替换，并与原有基础共同承担上部荷载，以取得预期的沉降和沉降差控制效果。在民用建筑和市政工程中，基础托换常用于工程质量事故桩基的补桩，建筑物改造中基础加固、补强和建筑物纠偏。它是对历史建筑物主动保护加固的一种重要方法。与其他保护方法相比，基础托换结构体系受力更直接、明确。相对而言，它可定量地解决地下工程施工引起的建筑物沉降问题，可将原有几十甚至上百毫米的沉降控制到数毫米之内，而且施工效果安全稳妥。

2.常用的基础托换方法

常用的基础托换方法大致可分为以下五种：浅基础加宽法、筏板基础托换法、桩-筏板基础托换法、拱形结构托换法和桩基托换法。

浅基础加宽法：通过增大基础支承面积、加强基础刚度对原基础补强，适用于上部荷载较小的情况。当上部荷载较大时，常与小直径短摩擦桩结合使用。

筏板基础托换法：采用厚度≥500 mm的筏板将浅基础连接，形成整体，以控制结构的差异沉降，常配合筏板下注浆进行。此方法可用于地基承载力较大、上部荷载较小、预测变形不大的情况。

桩-筏板基础托换法：当地基为软弱地层、地基承载力不大时，可在筏板下加设微型摩擦桩基，以提供托换基础的承载力，控制基础变形。

拱形结构托换法：当作业空间允许时，可利用拱形结构承受竖向轴力较大的特点，作为托换承载结构，此方法可用于暗挖隧道穿越既有桩基础的托换，适用于原桩承载力不大的情况。

桩基托换法：新增加桩基础，部分或全部替换既有基础，完全或部分承担上部荷载，桩基托换法控制变形能力好，能将沉降控制在数毫米以内，是一种最常用的基础托换方法，常用于地铁盾构区间隧道下穿历史建筑的情况。

桩基托换从变形控制要求的严格程度来分，有主动托换和被动托换两种。从转换结构的形式来分，有桩式托换和桩-梁托换两种。

（1）主动托换和被动托换

主动托换：在桩基托换中，在原桩切断之前，采用预顶、稳压、顶升等工艺，消除部分新桩和托换结构的变形，使托换后的桩和托换结构的变形控制在很小范围内。主动托换适用于大吨位和控制变形严格的情况。在顶升过程中，利于千斤顶加载，上部结构有微量顶升，不但初始沉降量大部分被消除，同时也检验了托换节点的可靠性。

被动托换：在原桩切断过程中将荷载传递到新桩上，托换后的桩和结构变形比主动托换时的变形大，适用于小吨位、结构物对变形要求不太严格的情况。

（2）桩式托换和桩-梁托换

桩式托换：通过新增承台作为转换结构，将上部荷载传递到托换桩上，其特点是托换桩有条件布置在隧道上方。适用条件：区间隧道施工对托换结构体系的影响较小，托换桩所处地层的承载力满足要求，由于隧道施工引起的变形可控制在很小的范围内。

桩-梁托换：采用门架式布置，先将荷载传递到托换大梁上，再通过转换梁将荷载传递到托换桩上。其特点是门架式托换结构横跨隧道上方，地铁隧道施工对托换结构的影响较小，但托换大梁的尺寸较大。

桩基托换中常用的桩形式如下：

①锚杆静压桩：常采用预制混凝土方桩，截面尺寸为200 mm×200 mm～300 mm×300 mm，摩擦桩，适用于淤泥质土、黏性土、人工填土和松散粉土。承载力小，对环境影响较小。(www.xing528.com)

②树根桩：微型混凝土灌注桩，直径150～300 mm，桩布置可直可斜向，其他同锚杆静压杆。

③微型钢管桩：直径为150～350 mm，摩擦桩或摩擦端承桩，适用于各种地层，承载力可达250～700 kN。

桩基托换中常用的梁形式如下：

在桩-梁托换体系中，由于梁的刚度较桩的刚度大得多，以及预顶的需要，托换梁按照简支梁设计。根据荷载大小和环境条件的限制，一般采用钢筋混凝土梁、预应力钢筋混凝土梁或型钢混凝土组合梁等形式。

托换梁与被托换结构的连接位置，要根据原建筑物桩、承台、柱的标高关系，以及托换梁的尺寸确定，以不影响原建筑使用为原则，一般有4种关系可选择：①托换梁包原柱，可以减小梁的尺寸及其基槽深度；②托换梁包原承台，此时梁截面较大；③托换梁包原桩，此时梁的基槽深度较大，对环境影响较大；④情况②和③的结合，托换梁包部分桩和部分承台，此情况可适当提高梁标高，减少基槽开挖量，也有利于梁钢筋的布置。

3.基础托换方案和计算要点

（1）托换方案和体系选择

托换方案须根据被托换结构轴力大小、地层物理力学参数、沉降控制要求以及与地下工程之间的关系等综合确定。对桩基托换，需要事先确定以下方案：①采用主动托换还是被动托换；②采用什么桩型和梁型；③采用单梁还是主次梁托换梁体系；④托换梁与被托换结构采用何种包裹关系；⑤被托换桩在什么位置断桩，采用何种方法切割。

（2）计算模式

基础托换结构的计算模型有两种，一种是荷载-结构模型，另一种是地层-结构模型。

荷载-结构模型又可以分为两种：①考虑房屋结构和托换结构共同作用的计算；②简化模型，将上部结构作为荷载输入到托换结构上，简称平面框架梁计算模型。平面框架梁计算模型简单、方便，能满足工程需要，是目前托换结构的主要计算方法。

地层-结构模型考虑了地层、托换结构、地下工程结构的共同作用，能模拟地下工程施工引起的托换结构（包括桩）的内力及变形情况。该计算模型用于环境条件较复杂的情况，主要解决地下工程施工引起的原桩基的沉降情况，为设计方案阶段是否需要托换提供数据支持和方案评估。

（3）变形计算

托换工程中的变形计算包括：托换桩压缩变形计算、托换梁挠度计算和梁裂缝宽度计算。对条件复杂的托换工程，还应计算由于地层变形或者失水引起的桩身沉降。

（4）承载力计算

承载力计算内容包括：桩、梁的承载力计算；桩身强度计算；施工期间的原桩承载力验算；梁的内力、预应力计算；梁的正、斜截面承载力验算；托换梁截面抗剪计算；承台受冲切、受剪、受弯、局部受压计算。其中，施工期间的原桩承载力计算应特别注意不能忽视。