鄭偉鋒,蔣贛猷,邱愛(ài)民,倪芃芃,董宏源,李莘哲, 楊茗欽,賈利強(qiáng),汪志城

(1.上海遠(yuǎn)方基礎(chǔ)工程有限公司,上海 200436; 2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院地基基礎(chǔ)研究所,北京 100013; 3.廣西路橋工程集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530200; 4.中山大學(xué)土木工程學(xué)院,廣東 珠海 519082; 5.廣西欣港交通投資有限公司,廣西 欽州 535000)

0 引言

懸索橋作為常用的橋梁形式,通常由橋塔、錨碇、主纜、吊索、加勁梁及鞍座等主要部分組成。錨碇作為懸索橋主纜拉力傳遞到深層地基的重要載體,其結(jié)構(gòu)形式主要以重力式錨碇結(jié)構(gòu)為主。重力式錨碇一般由錨體和基礎(chǔ)組成,依靠巨大的自重及基底摩阻力來(lái)抵抗主纜的豎向分力和水平分力,并將纜力傳給地基。隨著懸索橋的跨徑越來(lái)越大,基礎(chǔ)的建設(shè)環(huán)境及幾何尺寸往更大更深發(fā)展,這對(duì)基坑工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)及施工方法提出了新的要求。

目前已有眾多學(xué)者對(duì)地下支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。鄭偉鋒等[1]通過(guò)綜合考慮現(xiàn)有規(guī)范、工效工期和施工質(zhì)量,對(duì)旋噴樁等施工參數(shù)的取值提出了建議。趙志孟等[2]通過(guò)工字鋼在深大基礎(chǔ)支護(hù)中的應(yīng)用,解決了目前常規(guī)鋼板樁支護(hù)中基坑開(kāi)挖變形量大、支護(hù)樁垂直度控制差及止水防滲效果不佳等問(wèn)題,提高了深基坑支護(hù)工程的安全系數(shù)。邵治理等[3]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)地下連續(xù)墻側(cè)壓力計(jì)算公式進(jìn)行了修正。祝強(qiáng)等[4]、路乾等[5]通過(guò)對(duì)地下連續(xù)墻在粉砂地層中易發(fā)生塌孔現(xiàn)象進(jìn)行分析,提出了超深地下連續(xù)墻在粉砂地層成槽的相關(guān)施工措施。賈建彬[6]、李建全等[7]通過(guò)數(shù)值分析、理論研究及現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的方法,總結(jié)了支護(hù)結(jié)構(gòu)在富水砂礫層中的施工經(jīng)驗(yàn),提出了支護(hù)結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)。王衛(wèi)東等[8]對(duì)圓形基坑的2種支護(hù)方案進(jìn)行分析,得到了圓形基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)在軟土地區(qū)設(shè)計(jì)和施工的寶貴經(jīng)驗(yàn)。王曉華等[9]通過(guò)分析成槽施工中槽壁單元的土體應(yīng)力變化規(guī)律,探討了槽壁土體側(cè)向位移、地面沉降及土體土壓力分布在空間效應(yīng)上的相關(guān)性。殷超凡等[10]分析槽壁變形的相關(guān)因素,提出了滿足現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量的相關(guān)方案。黃茂松等[11]通過(guò)分析水平條分法與楔形體滑體分析法的內(nèi)在聯(lián)系,提出了基于三維等效楔形體計(jì)算成槽穩(wěn)定性的改進(jìn)方法。關(guān)于地下支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工的研究,得出了許多有益的結(jié)論,但隨著建設(shè)的推進(jìn),在地下支護(hù)結(jié)構(gòu)施工建設(shè)中不斷涌現(xiàn)出新的問(wèn)題,如濱海地區(qū)地下水位高且波動(dòng)大,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)具備剛度足夠大、止水效果好的特點(diǎn),亟需進(jìn)一步對(duì)其施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探究。

工程建設(shè)過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)施工方案處理不當(dāng),易造成基坑側(cè)壁的變形和失穩(wěn),或造成施工時(shí)隔水帷幕發(fā)生滲漏,引發(fā)地面沉降、基坑失穩(wěn)及海水倒灌基坑等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題,有必要對(duì)濱海地區(qū)樁墻咬合支護(hù)結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探究。

針對(duì)濱海地區(qū)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程復(fù)雜、施工周期長(zhǎng)及防水防滲要求高等問(wèn)題,創(chuàng)新性地提出了樁墻咬合聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu),將地下連續(xù)墻優(yōu)異的防滲、防水及承受水平推力性能等優(yōu)點(diǎn)與圓形灌注樁基礎(chǔ)的豎向剛度大、豎向抗拔承載力好及施工效率高等優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合,為基坑工程支護(hù)提供一種新型可靠的支護(hù)結(jié)構(gòu)。通過(guò)在支護(hù)結(jié)構(gòu)連接及搭接的槽段采取措施,結(jié)合樁墻咬合支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、樁與地下連續(xù)墻咬合銑槽施工工藝及現(xiàn)場(chǎng)樁墻施工垂直度的控制,形成了新型樁墻咬合支護(hù)結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù),滿足了濱海地區(qū)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度足夠大、止水效果好的需求,可為后續(xù)類似支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工建設(shè)提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

龍門(mén)大橋作為目前廣西建造的最大跨海大橋,全長(zhǎng)5 868m,主橋?yàn)閱慰绲鯌宜鳂?采用門(mén)式混凝土索塔,塔高176.8m,主跨1 098m,鋼箱梁橋面寬38.6m。龍門(mén)大橋布置如圖1所示。其錨碇基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用樁墻咬合支護(hù)結(jié)構(gòu)(Ⅰ期槽采用鉆孔灌注樁,Ⅱ期槽為地下連續(xù)墻,二者交替結(jié)合)。Ⅰ期槽樁徑3.5m,共52根,Ⅱ期槽墻厚1.5m,共52幅,兩者在軸線處搭接長(zhǎng)度為0.431m,接頭處采用銑接法連接。樁基深度為25～43.3m,墻深24.7～42.9m,樁底、墻底進(jìn)入中風(fēng)化砂巖不小于5m。目前鮮有對(duì)樁墻咬合支護(hù)結(jié)構(gòu)施工工藝的研究。

圖1 龍門(mén)大橋布置Fig.1 Layout of Longmen Bridge

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察中鉆孔揭露的數(shù)據(jù),其上覆第四系地層為角礫及碎石,部分地段基巖裸露,出露基巖為志留系下統(tǒng)連灘組強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖、中風(fēng)化頁(yè)巖,其中強(qiáng)風(fēng)化巖厚度大,發(fā)育層底標(biāo)高為-88.400～-21.900m(埋深24.70 ～91.20m),起伏較大,橫縱方向砂巖、頁(yè)巖交錯(cuò)分布,該區(qū)域中等風(fēng)化層頂埋深24.70～50.60m,層頂標(biāo)高為-35.740～-17.420m,層位相對(duì)穩(wěn)定,錨碇以中風(fēng)化頁(yè)巖、中風(fēng)化砂巖作為天然地基持力層。

1.3 工程水文情況

1)潛水 潛水主要埋藏于橋位區(qū)陸地及島嶼第四系覆蓋層中的孔隙水和上部強(qiáng)風(fēng)化基巖中裂隙水。海平面以上地層的地下水主要由大氣降水補(bǔ)給,含水量小;海平面以下地層除接受上層滲水補(bǔ)給外,還接受海水側(cè)向滲透補(bǔ)給,含水量取決于巖體裂隙發(fā)育程度及離岸距離,巖體越破碎,離岸越近,地下含水量越大,反之亦然。

2)裂隙承壓水 通過(guò)野外水文地質(zhì)調(diào)繪,含水層主要為裂隙承壓含水,主要在砂巖的垂向裂隙中,地面出露裂隙寬度為1～6cm。

3)滲透性 通過(guò)前期勘察進(jìn)行抽水試驗(yàn),得出地下支護(hù)結(jié)構(gòu)持力層的中風(fēng)化頁(yè)巖、中風(fēng)化砂巖地層滲透系數(shù)K分別為0.027 6,0.136 4m/d。因此,錨碇區(qū)地層判定為弱-中等透水層。

2 施工關(guān)鍵技術(shù)

基坑工程中,地下連續(xù)墻作為常用的支護(hù)結(jié)構(gòu),具有施工振動(dòng)小、噪聲小、墻身剛度大、整體性好、形式多樣化的特點(diǎn)。在實(shí)際工程應(yīng)用中地下連續(xù)墻表現(xiàn)出優(yōu)異的防水、防滲、深基坑圍護(hù)等功能,但其厚度難以滿足超大開(kāi)挖深度側(cè)向抗力需求,因此在地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成后,通常需在基坑逐層開(kāi)挖工序中施作植筋并進(jìn)行二次澆筑,提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,該工序復(fù)雜且受混凝土養(yǎng)護(hù)齡期控制,存在施工工期長(zhǎng)、造價(jià)高等問(wèn)題。而圓形灌注樁基礎(chǔ)具有承載力高、沉降小、沉降速度慢、便于機(jī)械化施工等優(yōu)點(diǎn)。因此,通過(guò)充分結(jié)合樁與地下連續(xù)墻在支護(hù)結(jié)構(gòu)中的優(yōu)點(diǎn),在龍門(mén)大橋錨定基坑支護(hù)中采用樁墻咬合支護(hù)結(jié)構(gòu)(樁+地下連續(xù)墻咬合式圍護(hù)結(jié)構(gòu))進(jìn)行支護(hù),確保支護(hù)結(jié)構(gòu)滿足基坑開(kāi)挖施工的要求。樁墻咬合支護(hù)結(jié)構(gòu)順利施工成型后,能避免逐層開(kāi)挖二次澆筑工序,有效縮短基礎(chǔ)工程施工周期。

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)槽段之間連接、搭接措施

傳統(tǒng)咬合樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是在相鄰混凝土排樁間采用部分圓周鑲嵌法連接,并于后序次相間施工的樁內(nèi)植入鋼筋籠,使之形成具有良好防滲作用的整體連續(xù)防水、擋土支護(hù)結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上,項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際工程需求,創(chuàng)新使用圓樁+地下連續(xù)墻咬合的組合支護(hù)形式,即采用相鄰鉆孔灌注樁間嵌入地下連續(xù)墻進(jìn)行咬合,從而形成具有高防水性、穩(wěn)定性好的支護(hù)結(jié)構(gòu)。由于灌注樁和地下連續(xù)墻兩種施工工藝差異較大,傳統(tǒng)的咬合樁或地下連續(xù)墻的接頭形式不完全適于二者咬合形成的復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)。

首期施工的灌注樁和二期施工的地下連續(xù)墻需形成有效搭接、咬合,保證樁、墻連接處的防滲性能。實(shí)際工程中采用φ3 500圓樁+1.5m厚地下連續(xù)墻咬合的組合支護(hù)形式,如圖2所示。地下連續(xù)墻通過(guò)榫結(jié)構(gòu)接頭與樁基礎(chǔ)進(jìn)行連接,使樁基礎(chǔ)與地下連續(xù)墻基礎(chǔ)之間互相結(jié)合、互相支撐,保證了樁基礎(chǔ)與地下連續(xù)墻之間的彎矩、剪力傳遞,提高了樁墻咬合的連接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度及其協(xié)同作用,增強(qiáng)了樁墻結(jié)構(gòu)咬合支護(hù)體系的整體性。

圖2 樁墻咬合復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)形式Fig.2 Shape for a novel secant pile-diaphragm wall supporting structure

2.2 樁墻咬合支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鉆孔灌注樁通常使用圓形截面的鋼筋籠,如圖3所示。本工程中為確保樁墻咬合施工中銑槽作業(yè)的順利實(shí)施,將樁孔內(nèi)下放的鋼筋籠截面設(shè)計(jì)為圓形+矩形的復(fù)合截面,從而有效避免了銑槽過(guò)程中存在的諸如連接段距離短、銑槽過(guò)程中鋼筋籠遭遇切割破壞等現(xiàn)象的發(fā)生。

圖3 鋼筋籠結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.3 Optimization design of steel cage structure

2.3 樁與地下連續(xù)墻咬合銑槽施工工藝

通過(guò)在前期施工的灌注樁混凝土中摻入緩凝減水劑,延緩混凝土的初凝時(shí)間,在樁基礎(chǔ)處于未初凝狀態(tài)下時(shí),完成地下連續(xù)墻導(dǎo)溝、導(dǎo)墻、成槽及泥漿制備的施工,并根據(jù)施工要求進(jìn)行槽段的劃分,再利用銑槽機(jī)及連續(xù)墻抓斗進(jìn)行槽孔施工,從而提高后續(xù)地下連續(xù)墻咬合施工的成槽效率。

2.4 樁和地下連續(xù)墻的垂直度控制

鋼筋籠垂直度作為樁墻咬合施工順利實(shí)施的一個(gè)重要指標(biāo),是影響樁-墻支護(hù)結(jié)構(gòu)整體受力、協(xié)同變形的關(guān)鍵因素。為此,需在施工中對(duì)樁墻咬合支護(hù)結(jié)構(gòu)的樁鋼筋籠及連續(xù)墻鋼筋籠垂直度進(jìn)行嚴(yán)格控制。

1)樁鋼筋籠垂直度控制方法 ①限位塊法 如圖4所示,樁孔成型后,在圖示限位塊預(yù)設(shè)位置處可放置一定深度(以4m為例)的預(yù)制限位塊作為鋼筋籠下放的導(dǎo)向限位裝置,確保鋼筋籠下放過(guò)程中滿足垂直度控制要求。②外包層法 如圖5所示,制作鋼筋籠時(shí),在鋼筋籠外圍添加低強(qiáng)度玻璃纖維材料外包層,從而使外包層尺寸與樁孔尺寸相匹配,該施工方法不僅有利于鋼筋籠下放的垂直度控制,且方便后期銑槽施工過(guò)程中對(duì)連接段處外包纖維層進(jìn)行切削成槽,提高后期地下連續(xù)墻的施工效率。

圖4 限位塊法示意Fig.4 Limit block method

圖5 外包層法示意Fig.5 Outsourcing layer method

2)地下連續(xù)墻鋼筋籠垂直度控制方法 連續(xù)墻的垂直度控制方法為限位塊法,具體實(shí)施方法參照樁體鋼筋籠下放限位塊法,其減少了傳統(tǒng)地下連續(xù)墻施工中需提前澆筑素混凝土導(dǎo)墻的施工工序,縮短了連續(xù)墻施工工期?；谙尬粔K法施工垂直度控制工藝,進(jìn)行預(yù)制地下連續(xù)墻鋼模導(dǎo)墻,控制地下連續(xù)墻鋼筋籠下放過(guò)程中的位置,使其垂直度滿足要求,此外導(dǎo)墻采用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu),易安裝、易拆卸,進(jìn)一步提高了施工效率。

現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)在支護(hù)結(jié)構(gòu)連接及搭接的槽段采取措施,結(jié)合樁墻咬合支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、樁與地下連續(xù)墻咬合銑槽施工工藝及現(xiàn)場(chǎng)樁墻施工垂直度的控制,形成了滿足濱海地區(qū)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)需求的樁墻咬合支護(hù)結(jié)構(gòu)。模型如圖6,7所示。

圖6 樁、地下連續(xù)墻三維模型Fig.6 Three-dimensional model of pile and underground diaphragm wall

圖7 樁墻咬合支護(hù)結(jié)構(gòu)模型Fig.7 Model of a novel secant pile-diaphragm wall supporting structure

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析濱海地區(qū)地下水位高且波動(dòng)大的特點(diǎn),提出具備剛度足夠大、高防水性及穩(wěn)定性好等特點(diǎn)的樁墻咬合復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系,并為支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工提供了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方法。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工,優(yōu)化了樁墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工方法,結(jié)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)槽段之間連接、搭接措施,完善了樁墻連接、搭接構(gòu)造,并提出合理的施工工藝,確保樁墻咬合支護(hù)結(jié)構(gòu)施工的順利進(jìn)行。

通過(guò)對(duì)樁與地下連續(xù)墻咬合銑槽施工工藝進(jìn)行探究,解決了樁墻不同步施工咬合連接問(wèn)題,提高了支護(hù)體系的施工效率,同時(shí)確保了支護(hù)體系的可靠性。使用裝配式地下連續(xù)墻導(dǎo)墻施工工藝,對(duì)樁和地下連續(xù)墻的垂直度進(jìn)行控制,確保樁墻咬合連接的有效性及支護(hù)結(jié)構(gòu)的完整性。