王 振

(中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司,天津 300222)

0 引言

目前,一般的止水方法有注漿止水帷幕、凍結(jié)法和結(jié)構(gòu)法(地下連續(xù)墻和咬合樁等)[1-4]。凍結(jié)法在技術(shù)上應(yīng)用于大型地下空間開挖止水是切實(shí)可行的,但造價(jià)太高;注漿止水帷幕一般采用深孔注漿和高壓旋噴樁,深孔注漿在富水砂卵石地層效果難以保證,高壓旋噴樁造價(jià)太高;結(jié)構(gòu)法一般采用地下連續(xù)墻和咬合樁,但暗挖車站空間受限,地下連續(xù)墻難以實(shí)施,研究洞內(nèi)咬合樁止水施工技術(shù)勢(shì)在必行。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

太平橋站為北京地鐵19號(hào)線中間站,為地下2層雙柱三跨(南端局部為三柱四跨)島式站臺(tái),有效站臺(tái)寬度16m,車站長317m,標(biāo)準(zhǔn)段寬25m,高16m,拱頂覆土12m,底板埋深29m。車站采用洞樁法(PBA)施工,北端區(qū)間采用礦山法施工,南端區(qū)間采用盾構(gòu)法施工。

1.2 水文地質(zhì)條件

車站站址范圍內(nèi)頂部地層主要為填土及粉細(xì)砂,中部地層以⑤卵石～圓礫、⑥粉質(zhì)黏土、⑦卵石、⑧粉質(zhì)黏土、⑨卵石層為主;底部為⑨卵石層;站底以下5～10m位置為粉質(zhì)黏土及砂層,厚度3～5m,局部夾雜卵石層。車站范圍地下水主要為潛水(三)(微承壓性),水位標(biāo)高21.800m,含水層主要為⑦卵石、⑨卵石,滲透系數(shù)300m/d,車站底板入水深度4.5m。

車站橫斷面及地層情況如圖1所示。

1.3 咬合樁施工參數(shù)

側(cè)壁咬合樁采用φ900@1 200 AB型咬合樁進(jìn)行止水,在導(dǎo)洞開挖完成后開始施作,導(dǎo)洞凈寬4 000mm,凈高5 500mm。咬合樁施工參數(shù)如下。

1)A樁(素樁)采用M7.5補(bǔ)償收縮膨潤土砂漿,抗壓強(qiáng)度5～8MPa,滲透系數(shù)≤1×10-6cm/s,樁長19m。

2)B樁(鋼筋混凝土樁)采用鋼筋籠+C30混凝土,樁長28m。

3)A樁(I序),φ900@1 200,613根。

4)B樁(II序),φ900@1 200,580根。

5)咬合厚度≥300mm(綜合考慮垂直度及樁位偏差,保證底部最小咬合度≥50mm)。

6)垂直度偏差≤0.5%,樁位偏差≤50mm,樁深偏差≤300mm。

2 洞內(nèi)咬合樁施工存在問題

咬合樁施工一般采用超緩凝混凝土和全套管跟進(jìn)的施工工藝,其中素樁采用超緩凝混凝土,初凝時(shí)間20h以上,先施工兩側(cè)素樁,然后在2個(gè)素樁之間采用全套管跟進(jìn)的方法施工鋼筋混凝土樁孔,因咬合需要,施工時(shí)須做導(dǎo)墻,需要全套管施工,并配備專用搓管機(jī)下套管,套管須超前2m左右。制作完鋼筋混凝土樁后,將套筒拆除,由于樁孔內(nèi)灌入的是超緩凝混凝土,所以當(dāng)拆除套筒后,超緩凝混凝土?xí)c鋼筋混凝土樁融合在一起,從而形成咬合樁。

傳統(tǒng)咬合樁一般在地面上施作,作業(yè)空間寬裕,鉆機(jī)移位倒序和安裝套管等施工方便,但是地鐵暗挖車站內(nèi)空間有限,如果素樁混凝土凝固,鋼筋混凝土樁將無法施工,且下套管需要搓管機(jī)配合,需要作業(yè)空間,施工過程繁瑣,增加了事故率和施工成本。

另外,洞內(nèi)施工作業(yè)空間有限,需采取切實(shí)可行的措施保證機(jī)械成孔垂直度符合設(shè)計(jì)要求,并對(duì)咬合效果進(jìn)行超前檢測(cè),提前處理補(bǔ)強(qiáng)。

因此,對(duì)于地鐵暗挖車站洞內(nèi)咬合樁施工,提出一種具有優(yōu)異的抗?jié)B、抗裂性能、良好的塑性和韌性,以及強(qiáng)度低、易切削等特點(diǎn)的素樁材料,適合洞內(nèi)施工且保證施工質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)是急需解決的問題。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 施工工序

車站邊樁采用φ900@1200咬合樁,I序樁為咬合式膨潤土砂漿樁(A型樁),II序樁為咬合式鋼筋混凝土樁(B型樁)。先施工I序A型樁,待成樁后30～40d內(nèi)施工II序B型樁,確保咬合效果。咬合樁施工順序如圖2所示。

圖2 洞內(nèi)咬合樁施工順序Fig.2 Construction sequence of occlusal pile

3.2 導(dǎo)坑施工

3.2.1樁位控制

車站導(dǎo)洞開挖完成后,在導(dǎo)洞底板上放出樁位位置,經(jīng)復(fù)核無誤后,用激光垂準(zhǔn)儀將樁位點(diǎn)引至導(dǎo)洞頂部,并用釘子加掛線做標(biāo)識(shí),在頂部標(biāo)出樁位號(hào),調(diào)整掛線和垂準(zhǔn)儀激光線重合,確保樁位準(zhǔn)確。

破除底板前,將掛線垂直于導(dǎo)洞底板并掛上垂球,以此為圓心畫出破除范圍;鉆機(jī)在就位前利用導(dǎo)洞頂部掛線恢復(fù)出樁位準(zhǔn)確位置,鉆桿中心對(duì)準(zhǔn)樁位點(diǎn)進(jìn)行下鉆。

3.2.2導(dǎo)洞破除

樁位孔口注漿加固完成后,為便于咬合樁施工工序安排,進(jìn)行分段間隔人工破除導(dǎo)洞底板初支結(jié)構(gòu),施作導(dǎo)坑。具體施工工序如下(見圖3)。

圖3 導(dǎo)坑施工工序Fig.3 Guide pit construction process

1)根據(jù)咬合樁樁徑和間距,要求每段破除長度≤3.8m,破除格柵鋼架后施作洞口一期加強(qiáng)混凝土環(huán)梁,破除范圍沿導(dǎo)洞方向采用6根φ25鋼筋(分為上下2層)與底板格柵主筋焊接牢固形成洞口加強(qiáng)梁,中間采用I22支撐加固。

2)先采用人工挖孔的方式施工樁頂以下3m樁孔,稱之為導(dǎo)坑,在導(dǎo)坑內(nèi)采用機(jī)械成孔施作I序A型素樁。

3)本段內(nèi)素樁完成后,清理泥漿,拆除既有中間型鋼支撐,在素樁中心位置安裝I22換撐,破除素樁導(dǎo)坑,重新施作新導(dǎo)坑,在新導(dǎo)坑內(nèi)采用機(jī)械成孔施作II序B型鋼筋混凝土樁。

4)待兩側(cè)咬合樁施工完成后,清理泥漿,破除中間段導(dǎo)洞底板,施作樁孔洞口二期加強(qiáng)環(huán)梁及型鋼支撐。隨后,在導(dǎo)坑內(nèi)施工素樁,本段內(nèi)素樁完成后,清理泥漿,型鋼支撐換撐,破除接口處一期加強(qiáng)環(huán)梁,施作車站鋼筋混凝土樁。

5)步驟1～4重復(fù)進(jìn)行,直至車站內(nèi)咬合樁全部施工完成。

3.3 機(jī)械成孔施工

3.3.1鉆機(jī)改進(jìn)

素樁和鋼筋混凝土樁成孔均采用第7代8JH-150型履帶式反循環(huán)鉆機(jī),外形尺寸:行進(jìn)狀態(tài)長5 930mm、寬2 300mm、高2 740mm,工作狀態(tài)長5 930mm、寬2 300mm、高4 100mm。

1)鉆機(jī)改進(jìn)措施 ①采用新型加重鉆機(jī),鉆機(jī)自重由原來的14t增至17.5t,改變鉆塔結(jié)構(gòu),增加剛度和穩(wěn)定性。②增加動(dòng)力頭對(duì)中記憶數(shù)顯,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),確保鉆孔定位準(zhǔn)確。③鉆塔底盤(夾持平臺(tái))加強(qiáng),鋼板厚度由原來的20mm增至50mm,增加其穩(wěn)定性和剛度。

2)鉆機(jī)自身平整度控制措施 ①鉆機(jī)調(diào)平 鉆機(jī)定位后,依靠鉆機(jī)自身水平系統(tǒng)調(diào)節(jié)鉆機(jī)平整度,并用水平尺檢查架體、動(dòng)力頭等垂直度[5]。②實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 為防止鉆進(jìn)過程中機(jī)身平整度發(fā)生變化,導(dǎo)致鉆桿傾斜,采用激光水平儀全過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆機(jī)機(jī)身(動(dòng)力頭)水平。鉆機(jī)位于導(dǎo)洞泥漿內(nèi),鉆孔吃力過程中可能導(dǎo)致機(jī)身失穩(wěn),從而造成鉆桿傾斜?，F(xiàn)場(chǎng)每臺(tái)鉆機(jī)配置1臺(tái)激光水平儀,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆機(jī)平整度。

3.3.2鉆桿改進(jìn)

由于咬合樁素樁強(qiáng)度與地層不同,造成鉆頭接觸面軟硬不一,致使鉆進(jìn)過程中極易傾斜。采用適用于巖質(zhì)地層的牙輪鉆頭(牙口加寬加厚,成孔約30h),增加鉆頭克服軟硬不一的能力,成孔過程中以慢磨為主,延長成孔時(shí)間,成孔質(zhì)量較好,垂直度易保證。

為便于切削咬合樁素樁,在鋼筋混凝土樁施工時(shí)增加鉆頭頂部鉆桿質(zhì)量,防止鉆頭擺動(dòng);增加扶正鉆桿,每4m一道(10m內(nèi)3m一道)[6];施工過程中對(duì)每節(jié)鉆桿同心度進(jìn)行校正,采用電子水平尺復(fù)核垂直度,每鉆進(jìn)2m調(diào)校一次鉆桿垂直度。

3.3.3成孔檢測(cè)

施工過程中采用智能超聲成孔質(zhì)量檢測(cè)儀檢測(cè)每根樁的成孔情況(個(gè)別擴(kuò)孔數(shù)據(jù)顯示不明顯),鋼筋混凝土樁垂直度檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如下。

1)垂直度≤5‰ 累計(jì)320根,占比55.2%。

2)5‰<垂直度≤8‰ 累計(jì)254根,占比43.8%。

3)垂直度>8‰ 6根,占比1.0%。

根據(jù)樁基成孔檢測(cè)儀檢測(cè)結(jié)果,鋼筋混凝土樁的垂直度基本位于8‰以內(nèi)(占比99%),采用BIM模型進(jìn)行分析可知,咬合厚度在最底部19m處最小約6cm,14m處最小約10cm。

3.3.4泥漿外運(yùn)

洞內(nèi)空間狹小,要完成鉆孔、泥漿與渣土外排、鋼筋籠搬運(yùn)與吊裝連接、混凝土灌注等多項(xiàng)作業(yè),需合理安排形成流水施工。泥漿通過小導(dǎo)洞、橫通道及豎井外運(yùn),在施工豎井內(nèi)設(shè)置泥漿池,在地面設(shè)置渣土場(chǎng),在小導(dǎo)洞及橫通道內(nèi)布置泥漿管和排渣管。每臺(tái)鉆機(jī)均需1根泥漿管和排渣管,管徑為400mm,每根管路上各設(shè)置1臺(tái)渣漿泵,管路由豎井、橫通道及導(dǎo)洞安裝至鉆機(jī)作業(yè)面。通過豎井抓斗清理泥漿池內(nèi)卵石等沉淀物,提升至地面渣土場(chǎng),泥漿密度等技術(shù)指標(biāo)根據(jù)出渣情況適時(shí)調(diào)整。

3.3.5鋼筋籠安裝

由于洞內(nèi)空間受限,鋼筋籠在地面分節(jié)加工,完成后由豎井吊裝至洞內(nèi),運(yùn)輸?shù)绞┕ぷ鳂I(yè)面。樁長28.24m,鋼筋籠總長24.74m,共計(jì)11節(jié),節(jié)長為1.5～3m。鋼筋籠主筋采用直螺紋套筒連接。

在洞內(nèi)采用安裝架吊裝下放鋼筋籠,安裝架提前進(jìn)行準(zhǔn)確定位,安放平穩(wěn),并將其兩側(cè)的三角支架用麻繩分別固定在導(dǎo)洞側(cè)墻上,防止傾覆。第1節(jié)鋼筋籠下放到最后一個(gè)環(huán)向加強(qiáng)筋處,穿進(jìn)工字鋼,將鋼筋籠支撐在導(dǎo)洞底板上,再通過吊裝架起吊第2節(jié)鋼筋籠,使它們?cè)谕回Q直軸線上并采用套筒連接好,抽出支撐工字鋼后緩慢下放,嚴(yán)禁鋼筋籠擺動(dòng)碰撞孔壁,如此循環(huán),下放至設(shè)計(jì)標(biāo)高,校核鋼筋籠中心,固定于孔口,完成鋼筋籠的安裝。

3.4 素樁施工

3.4.1素樁材料配合比

考慮到素樁既要有足夠的抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B效果,又要便于后續(xù)鋼筋混凝土樁鉆進(jìn)時(shí)易于鉆鑿切割,還不受緩凝時(shí)間影響,且垂直度有保證,因此素樁材料的選取需綜合多方面因素進(jìn)行試驗(yàn)。本文提出了一種補(bǔ)償收縮膨潤土砂漿作為地鐵暗挖車站內(nèi)咬合樁素樁材料。

膨潤土砂漿是指將水泥、膨潤土、水、砂子、外加劑等攪拌而成的漿體澆筑凝結(jié)成的混合材料,具有較低的強(qiáng)度和彈性模量,能承受較大的變形,抗裂性能好,是一種新型柔性工程材料。與普通混凝土相比,補(bǔ)償收縮膨潤土砂漿彈性模量低、極限應(yīng)變大、能適應(yīng)較大變形、抗?jié)B性能好,便于后續(xù)施工的樁鉆鑿切割[7]。

進(jìn)一步進(jìn)行膨潤土補(bǔ)償收縮砂漿配合比研究,針對(duì)膨潤土砂漿的終凝強(qiáng)度,選擇了4種強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行配合比試驗(yàn),分別為M10,M7.5,M5,M2.5。各原材料的配合比如表1所示。膨潤土砂漿試驗(yàn)如圖4所示。

表1 膨潤土砂漿配合比試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Bentonite mortar mix ratio test data

圖4 膨潤土砂漿試驗(yàn)Fig.4 Bentonite mortar test

根據(jù)試驗(yàn)報(bào)告的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行比選,選用M7.5膨潤土砂漿,并確定現(xiàn)場(chǎng)施工配合比,為提高膨潤土砂漿塑性,防止后期與樁共同受力產(chǎn)生裂縫,每m3膨潤土砂漿中添加140kg粉煤灰和0.42kg、素纖維[8]和0.84kg減水劑。

3.4.2素樁成樁情況

1)素樁自身完整性

素樁施工完成后,根據(jù)設(shè)計(jì)及規(guī)范要求,對(duì)素樁樁身完整性等進(jìn)行檢測(cè),采用低應(yīng)變法檢測(cè)素樁123根,結(jié)果均為Ⅰ類樁。同時(shí),成樁28d后,采用GK-180(移動(dòng))型地質(zhì)鉆機(jī)(長1 640mm、寬1 030mm、高1 440mm)對(duì)素樁進(jìn)行取芯,并進(jìn)行試驗(yàn),得出其強(qiáng)度、抗?jié)B系數(shù)等參數(shù),共取芯21根,具體情況如表2所示。編號(hào)15的芯體如圖5所示,芯體完整。

表2 素樁取芯情況統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical of core taking of plain pile

圖5 編號(hào)15素樁現(xiàn)場(chǎng)取芯情況Fig.5 No. 15 core condition of plain pile site

2)剩余素樁自身完整性

鋼筋混凝土樁施工完成后,考慮切削對(duì)素樁完整性的影響,對(duì)剩余素樁樁身進(jìn)行取芯,檢查完整性情況,共取芯10根樁,其中8根樁芯體完好,2根樁芯體不連續(xù),受鉆機(jī)切削所致(見圖6)。

圖6 剩余素樁取芯情況Fig.6 The core condition of residual plain pile

3.5 接縫處理

在切削素樁過程中,由于受到鉆頭的擠壓,一部分泥渣依附在鋼筋混凝土樁與素樁接觸面,如圖7所示,為保證咬合樁施工質(zhì)量,需對(duì)咬合樁接縫處泥皮進(jìn)行處理,措施如下。

圖7 泥皮處理示意Fig.7 Mud treatment

1)在鋼筋混凝土樁內(nèi)安裝了2根DN42注漿管,布置在鋼筋混凝土樁與素樁咬合交點(diǎn)部位(見圖7),與鋼筋籠綁扎牢固,隨鋼筋籠分節(jié)下放連接,通過樁側(cè)注漿加強(qiáng)接縫處咬合效果。

2)在鉆進(jìn)鋼筋混凝土樁切削素樁時(shí),采用重晶石代替膨潤土制備的泥漿,消除咬合接縫處的泥皮。

3.6 超前探測(cè)技術(shù)

滲漏水的檢測(cè)及處理一直是行業(yè)研究重點(diǎn),若能提前探測(cè)出薄弱點(diǎn),便于施工質(zhì)量控制和及時(shí)處理補(bǔ)強(qiáng)。本文提出采用鉆孔電磁波成像儀檢測(cè)滲漏點(diǎn)。

1)檢測(cè)原理 利用磁偶極子天線和電磁波層析成像技術(shù),通過改變兩鉆孔中收發(fā)探頭位置獲取相應(yīng)場(chǎng)強(qiáng),進(jìn)而反演成像實(shí)現(xiàn)兩孔間的地質(zhì)勘探,從而準(zhǔn)確定位滲漏點(diǎn)位置。

2)檢測(cè)方法 預(yù)埋與素樁等長的PVC管,30m布置1道,管徑100mm,固定于鋼筋混凝土樁鋼筋籠上并隨鋼筋籠分節(jié)下放。一根作為超聲波信號(hào)發(fā)射孔,一根作為信號(hào)接收孔。為了采樣數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,探頭下放過程不采集數(shù)據(jù),上提操作時(shí)接收數(shù)據(jù),發(fā)射機(jī)及接收機(jī)先都下放至樁底位置,然后接收機(jī)每間隔1m接收發(fā)射機(jī)從樁底提升至樁口期間的信號(hào);需通過2次間隔測(cè)量消除鋼筋的影響,最后由計(jì)算機(jī)處理分析后檢測(cè)出滲漏點(diǎn)。滲漏水檢測(cè)預(yù)埋管如圖8所示。

圖8 咬合樁止水結(jié)構(gòu)滲漏點(diǎn)檢測(cè)Fig.8 Detection of leakage point of sealing structure of occluding pile

4 咬合樁開挖情況分析

4.1 侵限情況

咬合樁全部實(shí)施完成后,車站進(jìn)行大面積土方開挖,分別對(duì)地下1層和地下2層?xùn)|西側(cè)墻暴露的咬合樁侵限情況進(jìn)行實(shí)測(cè)。經(jīng)統(tǒng)計(jì),地下1層咬合樁垂直度控制較好,只有個(gè)別樁位侵限嚴(yán)重,主要在車站的南北兩端,侵限最大8cm,東西側(cè)墻咬合樁侵限情況很少,侵限量為1～4cm。地下2層咬合樁垂直度控制稍差,主要是車站的南北兩端樁位侵限嚴(yán)重,侵限量為3～8cm,個(gè)別樁位侵限量為15cm。東西側(cè)墻咬合樁侵限情況較少,侵限量為3～6cm。

4.2 樁體侵限處理措施

1)樁體傾斜5‰以內(nèi)或樁體侵入側(cè)墻結(jié)構(gòu)3mm以內(nèi),無需進(jìn)行處理。

2)樁體傾斜5‰～9.5‰或樁體侵入側(cè)墻結(jié)構(gòu)50mm以內(nèi),需剔除圍護(hù)樁保護(hù)層。

3)樁體傾斜9.5‰～15‰或樁體侵入側(cè)墻結(jié)構(gòu)108mm以內(nèi),需剔除圍護(hù)樁保護(hù)層,切除相鄰側(cè)3根主筋,高度為底板以上4.2m。

4)樁體傾斜15‰～20‰或樁體侵入側(cè)墻結(jié)構(gòu)160mm以內(nèi),需剔除圍護(hù)樁保護(hù)層,切除相鄰側(cè)5根主筋,高度為底板以上6m,樁體背后打設(shè)錨桿進(jìn)行加固處理。

5)樁體傾斜15‰～20‰、連續(xù)3根樁及以上或樁體侵入側(cè)墻結(jié)構(gòu)100～160mm,需間隔鑿除侵限樁體,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)凹處理,并對(duì)樁后土體打設(shè)4m長錨桿進(jìn)行加固處理,樁間設(shè)置2根,豎向間距1 000mm。

4.3 滲漏水情況

車站地下1層開挖期間,側(cè)壁無明顯滲漏水現(xiàn)象;地下2層開挖期間,局部出現(xiàn)輕微滲漏水,開挖過程中采用防水砂漿臨時(shí)封堵,必要時(shí)采用靜壓注漿封堵,不影響基坑整體穩(wěn)定,并且可隨時(shí)進(jìn)行防水、鋼筋等下一步工序。若開挖過程中出現(xiàn)滲漏情況,應(yīng)進(jìn)行如下處理。

1)微小滲漏 開挖過程中采用防水砂漿臨時(shí)封堵,必要時(shí)注漿封堵。

2)滲漏明顯,防水施工困難 注漿封堵處理。

3)滲漏較大,樁間土流失 注漿處理,必要時(shí)啟動(dòng)車站周邊降水井減壓。

5 結(jié)語

1)針對(duì)暗挖車站空間狹小,采用洞內(nèi)機(jī)械成孔施工咬合樁,無全套管跟進(jìn),不需要大型起重機(jī)配合施工。同時(shí),為保證垂直度和咬合效果,對(duì)鉆機(jī)和鉆桿進(jìn)行改進(jìn),進(jìn)一步提高了施工效率、降低了施工成本。

2)考慮超緩凝混凝土洞內(nèi)施工局限性,研究新型膨潤土補(bǔ)償收縮砂漿作為素樁材料,施工時(shí)允許素樁凝固,采用對(duì)施工工序要求低、配合比較成熟的洞樁施工工藝,適應(yīng)性較強(qiáng),有利于咬合樁的推廣應(yīng)用。

3)應(yīng)用超前探測(cè)技術(shù),提前發(fā)現(xiàn)薄弱點(diǎn)及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)處理,針對(duì)不同侵限及滲漏水情況提出處理措施,降低開挖施工風(fēng)險(xiǎn)。

雖然洞內(nèi)咬合樁施工技術(shù)成功應(yīng)用,且開挖未發(fā)現(xiàn)明顯滲漏點(diǎn),但洞內(nèi)咬合樁施工仍然有需要解決的技術(shù)難題,例如搭載信息化平臺(tái),實(shí)時(shí)監(jiān)控滲漏水情況等。