徐少平

(中鐵建大橋工程局集團(tuán)第五工程有限公司, 四川成都 610031)

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砂卵地層城市下穿隧道施工咬合樁新技術(shù)

徐少平

(中鐵建大橋工程局集團(tuán)第五工程有限公司, 四川成都 610031)

【摘要】結(jié)合成都老成灌路改造需要進(jìn)行城市大規(guī)模下穿隧道施工會(huì)嚴(yán)重影響近距離敏感建筑安全的技術(shù)難題，運(yùn)用理論分析和最優(yōu)化方法對(duì)砂卵地層咬合樁施工技術(shù)進(jìn)行研究，在充分分析砂卵地層地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，提出了一種較為新型的咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案，確定了砂卵石地層咬合樁施工工藝。實(shí)踐表明，提出的砂卵石地層咬合樁施工技術(shù)具有成樁質(zhì)量可靠、垂直精度高、抗?jié)B能力強(qiáng)、施工靈活、無(wú)泥漿污染等特點(diǎn)，可以保證較為特殊的成都砂卵地層大型工程施工安全，也可為其他類似工程提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】下穿隧道;咬合樁;砂卵地層;施工技術(shù)

1工程概況

成都老成灌路改造工程起于金牛區(qū)與郫縣交界點(diǎn)，止于郫縣望從東路，全長(zhǎng)12.88km。本工程為其中兩個(gè)隧道施工，分別是：犀浦雙鐵站前下穿隧道全長(zhǎng)1 700m，其中暗埋段1 250m，U形槽長(zhǎng)450m；犀安路口下穿隧道全長(zhǎng)570m，其中暗埋段130m，U形槽長(zhǎng)440m；結(jié)構(gòu)凈寬均是27.2m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)北側(cè)采用鉆孔灌注樁，南側(cè)采用咬合樁，支撐采用鋼管內(nèi)支撐。犀浦雙鐵站站前下穿隧道工程項(xiàng)目、犀安路口下穿隧道以及南北大道下穿隧道工程項(xiàng)目總長(zhǎng)超過(guò)2.2km，基坑最深處達(dá)12m。由此可知，下穿隧道規(guī)模龐大，尤其值得注意的是，開(kāi)挖后除了會(huì)使基坑及高鐵樁基周圍土體力學(xué)指標(biāo)發(fā)生弱化會(huì)影響諸如橋墩基礎(chǔ)承載力以外，還會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生高架橋墩出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象，進(jìn)一步加重不均勻受力，這給開(kāi)挖施工、結(jié)構(gòu)圍護(hù)、地基穩(wěn)定造成極大影響，稍不注意就難以保證基坑施工和建筑結(jié)構(gòu)的安全。

鉆孔咬合樁技術(shù)通過(guò)近幾年在國(guó)內(nèi)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，已成為一項(xiàng)較為成熟的用于支護(hù)及隔水帷幕工程的新技術(shù)。但是該方法在砂卵石地層地質(zhì)上的施工應(yīng)用尚屬首次，要確保樁基成孔質(zhì)量是本工程施工質(zhì)量控制的難點(diǎn)。

2砂卵地層地質(zhì)條件分析

工程區(qū)域的地層巖性包括①第四系全新統(tǒng)人工填筑土，以雜填土為主，由碎石、砂土等組成，其間充填黏土，厚度在0～4m之間。②第四系上更新統(tǒng)冰水-流水堆積層，包含粉質(zhì)黏土，夾有卵石，底部含砂量較多，一般厚0～5m；卵石土，其卵石成分主要為弱風(fēng)化的巖漿巖、變質(zhì)巖、砂巖等硬質(zhì)巖組成。卵石含量50%～70%，含約10%的細(xì)圓礫級(jí)粗圓礫，其余為中細(xì)砂充填，夾有5%～10%的漂石，一般厚0～20m。中砂：稍密～中密，飽和，砂質(zhì)較純。呈透鏡體狀分布卵石土層中，一般厚0～2m。③第四系中更新統(tǒng)冰水-流水堆積層，卵石土中的卵石成分以花崗巖、石英巖為主，卵石含量60%～85%，充填物主要為中細(xì)砂，略含黏土。層厚有0～10m以及大于20m兩種。路段區(qū)工程范圍內(nèi)表水主要為長(zhǎng)年流水河流，地下水分為孔隙水和基巖裂隙水，還受大氣降水及地表水補(bǔ)給，水量豐富。

3砂卵地層咬合樁方案分析

參考基坑錨固及咬合樁技術(shù)[1-2]，咬合樁施工正值雨季、高溫季節(jié)，工期影響不利因素多，進(jìn)度管理是工程施工管理的重點(diǎn)。為此，方案實(shí)行分區(qū)分段施工，通過(guò)合理組織，實(shí)施平行和流水施工，加快支護(hù)樁施工進(jìn)度，土方挖運(yùn)能盡早穿插；按照關(guān)鍵線路優(yōu)先的原則進(jìn)行施工安排，保證勞動(dòng)力、設(shè)備及材料等資源按計(jì)劃投入；針對(duì)不利因素影響，提前組織安排，做好工作安排和準(zhǔn)備。

由于基坑開(kāi)挖深達(dá)12m，基坑南側(cè)為成灌高鐵橋墩，北側(cè)為成片住宅小區(qū)，地處砂卵石地層，咬合樁在該地質(zhì)條件施工尚屬首次，情況較為復(fù)雜，不僅要確保樁基成孔質(zhì)量和高鐵橋墩安全，還要減少對(duì)周邊環(huán)境的影響。因此，選用先進(jìn)的全套管旋挖機(jī)進(jìn)行咬合樁施工，以解決該地質(zhì)條件下成孔過(guò)程中易出現(xiàn)的塌孔現(xiàn)象；根據(jù)地質(zhì)條件，確定咬合樁成樁工藝參數(shù)、合理的緩凝時(shí)間，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采用注水反壓等措施避免塌孔；每臺(tái)咬合樁機(jī)配置1臺(tái)特制旋挖機(jī)，遇水時(shí)土方及砂卵石采用，保證水下樁質(zhì)量。

4咬合樁施做工藝

依據(jù)咬合樁施工方法[3-5]，鉆孔咬合樁單樁施工工藝流程見(jiàn)圖1。其中吊放鋼筋籠項(xiàng)目：當(dāng)樁為素混凝土樁時(shí)，不需要此工序；當(dāng)樁為鋼筋混凝土樁的時(shí)候，則需要該工序。

圖1　砂卵地層咬合樁施工工藝流程

4.1導(dǎo)墻的施工

對(duì)于全套管鉆孔咬合樁的施工，在進(jìn)行鉆孔成樁之前有一個(gè)非常關(guān)鍵的步驟就是導(dǎo)墻的施工，導(dǎo)墻可以正確控制鉆孔咬合樁的平面位置，支持機(jī)具重量，防止孔口坍塌，確保咬合樁護(hù)筒的豎直，并確保全套管鉆機(jī)平整作業(yè)，因此正確地完成導(dǎo)墻的施工是確保后續(xù)工作順利進(jìn)行的關(guān)鍵，導(dǎo)墻平面布置具體見(jiàn)圖2所示。

圖2　咬合樁導(dǎo)墻平面布置

導(dǎo)墻一般均采用混凝土或鋼筋混凝土材料。地表層土較好時(shí)，導(dǎo)墻厚度一般取350mm，地表層土為軟土，需回填后分層碾壓，導(dǎo)墻一般應(yīng)該大于450mm。其施工步驟如下。

(1)整場(chǎng)地：清除地表雜物，填平碾壓，地下管線遷移的溝槽。如遇到雜填土層，應(yīng)采用置換素土的方法，導(dǎo)墻制作完成后，孔內(nèi)土層應(yīng)夯實(shí)，有利于鋼套管正確就位。

(2)測(cè)放樁位：根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑淖鴺?biāo)按外放100mm計(jì)算排樁中心坐標(biāo) (為抵消咬合樁在基坑開(kāi)挖時(shí)在外側(cè)土壓力作用下向內(nèi)位移而造成的基坑結(jié)構(gòu)凈空減少變化)，采用全站儀根據(jù)地面導(dǎo)線控制點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地放樣，并做好護(hù)樁，作為導(dǎo)墻施工的控制中線。

(3)導(dǎo)墻溝槽開(kāi)挖：在樁位放樣符合要求后即進(jìn)行溝槽開(kāi)挖，采用人工開(kāi)挖施工。開(kāi)挖結(jié)束后，立即將中心線引入溝槽下，以控制底模及模板施工，確保導(dǎo)墻中心線的正確無(wú)誤。

(4)鋼筋綁扎：溝槽開(kāi)挖結(jié)束后綁扎導(dǎo)墻鋼筋。導(dǎo)墻鋼筋按設(shè)計(jì)要求布置，經(jīng)檢查合格后方可進(jìn)行下一道工序施工。

(5)模板施工：模板采用整體木模，導(dǎo)墻預(yù)留定位孔模板直徑為套管直徑擴(kuò)大30～50mm。模板加固采用鋼管支撐，支撐間距不大于lm，確保加固牢固，嚴(yán)防跑模，并保證軸線和凈空的準(zhǔn)確，混凝土澆筑前先檢查模板的垂直度和中線以及凈距是否符合要求。

(6)混凝土澆筑施工：混凝土采用商品混凝土，混凝土澆筑時(shí)兩邊對(duì)稱交替進(jìn)行，嚴(yán)防走模。如果發(fā)生走模，應(yīng)立即停止混凝土的澆注，重新加固模板，并糾正到設(shè)計(jì)位置后，方可繼續(xù)進(jìn)行澆注。振搗采用插入式振搗器，振搗間距為600mm左右，防止振搗不均，同時(shí)也要防止在一處過(guò)振而發(fā)生走?，F(xiàn)象。

(7)當(dāng)導(dǎo)墻有足夠的強(qiáng)度后，拆除模板，重新定位放樣排樁中心位置，將點(diǎn)位反到導(dǎo)墻頂面上，作為鉆機(jī)定位控制點(diǎn)。

4.2鉆機(jī)就位

待導(dǎo)墻有足夠的強(qiáng)度后，移動(dòng)套管鉆機(jī)，使套管鉆機(jī)抱管器中心對(duì)應(yīng)定位在導(dǎo)墻孔位中心。定位后，在導(dǎo)墻孔與鋼套管之間用木塞固定，防止鋼套管端頭在施壓時(shí)位移。液壓工作站放置在導(dǎo)墻外平整地基上。

4.3吊裝安放第一、二節(jié)套管

埋設(shè)第一、第二節(jié)套管的垂直度，是決定樁孔垂直度的關(guān)鍵。在套管壓入過(guò)程中，用經(jīng)緯儀或測(cè)錘不斷校核垂直度。當(dāng)套管垂直度相差不大時(shí)，固定下夾具，利用上夾具來(lái)調(diào)整垂直度；當(dāng)套管垂直度相差較大時(shí)，一般應(yīng)拔出來(lái)重新埋設(shè)，有時(shí)也可將鉆機(jī)向前后左右移動(dòng)一下使之對(duì)中。吊裝套管如圖3所示。

圖3　吊裝套管示意

4.4取土成孔

先壓入第一節(jié)套管(每節(jié)套管長(zhǎng)度約8m)，壓入深度約2.5～3.0m，然后用抓斗從套管內(nèi)取土。一邊抓土，一邊下壓套管。要始終保持套管底口超前于取土面且深度不小于2.5m。第一節(jié)套管全部壓入土中后(地面以上要留著1.2～1.5m；以便于接管)檢測(cè)成孔垂直度，如不合格則進(jìn)行糾偏調(diào)整，如合格則安裝第二節(jié)套管下壓取土……直到設(shè)計(jì)孔底標(biāo)高。

4.5吊放鋼筋籠

如為鋼筋混凝土樁，成孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，檢查孔的深度、垂直度、清除孔底虛土，檢查合格后吊放鋼筋籠；安放鋼筋籠時(shí)應(yīng)采取有效措施保證鋼筋籠標(biāo)高。

4.6灌注混凝土

孔內(nèi)有水時(shí)，采用水下混凝土法灌注施工?？變?nèi)無(wú)水時(shí)，采用干孔灌注施工，此時(shí)需要振搗。開(kāi)始灌注混凝土?xí)r，應(yīng)先灌入2～3m3混凝土將套管搓動(dòng)后提升20～30cm，以確定機(jī)械上拔力是否滿足要求。不能滿足時(shí)，則應(yīng)采用吊車輔助起吊。灌注過(guò)程中應(yīng)確?；炷粮哂谔坠芏丝诓恍∮?m，防止上拔過(guò)快造成斷樁事故。

4.7拔管成樁

一邊灌注混凝土一邊拔管。應(yīng)注意始終保持套管底低于混凝土面2.0m以上。

4.8排樁施工工藝

鉆孔咬合樁就是通過(guò)使相鄰樁樁身相交，形成封閉體系，從而做到止水的作用。全套管咬合樁的施工順序通常是先施工第一序列樁(A樁)，然后再施工第二序列樁(B樁)，并且使第一第二序列樁相互搭接形成一個(gè)整體。典型全套管咬合樁施工順序見(jiàn)圖4。其施工流程：Al-A2-B1-A3-B2-A4-B3……An-(Bn-1)。為了便于切割，樁的排列方式一般為一根第一序列樁和一根第二序列樁間隔布置，施工時(shí)先施工A樁后施工B樁，A樁混凝土采用超緩凝混凝土，要求必須在A樁混凝土初凝之前完成B樁的施工。B樁施工時(shí)采用全套管鉆機(jī)切割相鄰A樁相交部分的混凝土實(shí)現(xiàn)咬合。

圖4　咬合樁施工工序圖

鉆孔咬合樁在施工時(shí)不僅要考慮第一序列樁混凝土的緩凝時(shí)間的控制，注意相鄰的第一序列樁和第二序列樁施工的時(shí)間安排，還需要控制好成樁的垂直度，防止因第一序列樁強(qiáng)度增長(zhǎng)過(guò)快而造成第二序列樁無(wú)法施工，或因第一序列樁垂直度偏差較大而造成與第二序列樁搭接效果不好的情況，甚至出現(xiàn)基坑漏水，無(wú)法止水而失敗的情況。因此對(duì)于咬合樁施工應(yīng)該進(jìn)行合理安排，做好施工記錄，方便施工順利進(jìn)行。

4.9分段施工接頭的處理方法

施工中往往1臺(tái)鉆機(jī)無(wú)法滿足工程進(jìn)度要求，需要多臺(tái)鉆機(jī)分段施工，這就存在段與段之間的接頭問(wèn)題，采用砂樁接頭是一個(gè)比較好的方法。在先施工段的端頭設(shè)置1個(gè)砂樁(成孔后用砂灌滿)，待后施工段到此接頭時(shí)挖出砂子灌入混凝土(圖5)。

圖5　砂樁接頭布置

4.10砂樁處理措施

根據(jù)本工程實(shí)際情況及鉆機(jī)投入情況，本工程設(shè)備開(kāi)鉆時(shí)試做砂樁8根，每條過(guò)街管線處施做2根砂樁，過(guò)街管線需施做砂樁50根。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告及試樁試驗(yàn)結(jié)果分析，咬合樁施工段卵石層較厚且地下水質(zhì)比較豐富，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析冷縫處注漿止水效果不是很理想。為后期基坑開(kāi)挖安全考慮，砂樁冷縫處做如下處理：在砂樁與素樁之間外側(cè)再施工一根砂樁C，施工此樁主要目的是為了清除冷縫外圍砂卵石層，便于后期注漿處理能達(dá)到良好的止水效果。外側(cè)砂樁位置如圖6所示，管線位置砂樁處理如圖7所示。

圖6　外側(cè)砂樁位置

圖7　管線位置砂樁處理

4.11事故樁的處理措施

在鉆孔咬合樁施工過(guò)程中,因A樁超緩凝混凝土出現(xiàn)早凝現(xiàn)象或機(jī)械設(shè)備故障等原因,造成鉆孔咬合樁的施工未能按正常要求進(jìn)行而形成事故樁。事故樁的處理主要有以下幾種情況。

(1)平移樁位單側(cè)咬合。B樁成孔施工時(shí),其一側(cè)A1樁的混凝土已經(jīng)凝固,使套管鉆機(jī)不能按正常要求切割咬合A1、A2樁。處理方法為向A2樁方向平移B樁樁位,使套管鉆機(jī)單側(cè)切割A(yù)2樁,施工B樁(鑿除原樁位導(dǎo)墻,并嚴(yán)格控制樁位),并在A1樁和B樁外側(cè)另增加1根旋噴樁(旋噴樁施做采用砂樁處理相同方式)作為防水處理(圖8)。

圖8　平移樁位單側(cè)咬合樁

(2)背樁補(bǔ)強(qiáng)。B1樁成孔施工時(shí),其兩側(cè)A1樁、A2樁的混凝土均已凝固,處理方法為放棄A1樁的施工,調(diào)整樁序,繼續(xù)后面咬合樁的施工,以后在B1樁外側(cè)增加3根咬合樁及兩根旋噴樁作為補(bǔ)強(qiáng)(圖9)。

圖9　咬合樁背樁補(bǔ)強(qiáng)示意圖

(3)預(yù)留咬合鍥口。在B1樁成孔施工中發(fā)現(xiàn)A1樁混凝土已有早凝傾向但還未完全凝固時(shí)，此時(shí)為避免繼續(xù)按正常順序施工造成事故樁，可及時(shí)在A1樁右側(cè)施工1根砂樁以預(yù)留出咬合鍥口，待調(diào)整完成后再繼續(xù)后面樁的施工(圖10)。

圖10　咬合樁預(yù)留咬合鍥口

工程施工與保護(hù)建筑距離極近，且該建筑物即高鐵要求影響控制5mm內(nèi)(已沉降2.646mm)，剩余沉降空間只剩不到2.4mm。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，采用咬合樁施工和強(qiáng)支撐能夠取得不錯(cuò)的效果，可以保證高架橋墩的安全并有較好的隔水作用，對(duì)與施工對(duì)極近距離建筑物影響有一定的參考作用。

5結(jié)論

(1) 對(duì)在砂卵地層中進(jìn)行大規(guī)模城市下穿隧道開(kāi)挖施工，必須依據(jù)工程地質(zhì)及工程結(jié)構(gòu)本身?xiàng)l件合理確定圍護(hù)型式才能保證工程安全。

(2) 在參考咬合樁施工正值雨季、高溫季節(jié)以及工期影響不利因素確定出砂卵地層咬合樁技術(shù)方案及其相應(yīng)的成孔、鋼筋籠施工、混凝土灌注等施工工藝流程可以保證下穿隧道開(kāi)挖和近距離高架鐵路橋墩穩(wěn)定，工程的成功經(jīng)驗(yàn)對(duì)于

預(yù)防在砂卵地層上咬合樁施工過(guò)程中常見(jiàn)的事故預(yù)防上具有一定的借鑒作用。

(3) 由于在砂卵地層上的咬合樁施工工藝的使用尚屬首次，故還需要更多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)完善這方面的施工工藝及施工方法。

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[作者簡(jiǎn)介]徐少平(1979～)，男，本科，高級(jí)工程師，從事隧道及地下工程技術(shù)與管理工作。

【中圖分類號(hào)】U443.16+4

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2016-03-21