張明童,陳學(xué)軍,張秀勇

(1.河海大學(xué)巖土工程研究所,江蘇 南京 210098;2.南京祿口國(guó)際機(jī)場(chǎng)二期工程建設(shè)指揮部,江蘇 南京 211100;3.南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029)

0 引 言

咬合樁作為一種新型支護(hù)結(jié)構(gòu)施工工法,具有防滲能力強(qiáng)、無(wú)需泥漿護(hù)壁、擴(kuò)孔(充盈)系數(shù)小、配筋率低、止水效果好、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)外城市的地鐵建設(shè)中得到了很多成功的應(yīng)用[1-3]。但在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用才剛剛起步,地下工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)中屬于新技術(shù)、新工法、新工藝。1999年深圳地鐵一期工程會(huì)展中心站至購(gòu)物公園站區(qū)間隧道明挖段的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)首次采用鉆孔咬合樁,取得了成功,隨后該工法在南京、上海、天津、杭州、香港等城市地鐵建設(shè)中得到了成功應(yīng)用[4-8],并在施工工藝和技術(shù)方面積累了一些經(jīng)驗(yàn),但鑒于巖土工程的地域性差別較大,該工法還不能在全國(guó)范圍內(nèi)直接推廣應(yīng)用。

蘇州地鐵一號(hào)線(xiàn)南施街站咬合樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是該工法在蘇州地區(qū)的首次應(yīng)用,承載著探索蘇州軟土地基咬合樁設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)的任務(wù)。本文結(jié)合南施街站咬合樁的成功施工經(jīng)驗(yàn),分析該工法在蘇州軟土地區(qū)施工過(guò)程中的關(guān)鍵控制技術(shù)。

1 工程概況

1.1 工程介紹

蘇州地鐵一號(hào)線(xiàn)南施街站位于蘇州市南北向的主干道南施街與東西向的次干道翠園路的交叉路口,長(zhǎng)約122.0 m,寬約18.7 m的雙層臺(tái)島式車(chē)站,主體位于翠園路地下十米處,其布置為東西向,沿翠園路路中跨南施街。

車(chē)站西南側(cè)有一蘇州電信大樓,其他方向地面周邊目前均為空地。車(chē)站采用雙層雙跨、雙層三跨箱形鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),施工方式為明挖法。車(chē)站東西兩端的盾構(gòu)區(qū)間分別為始發(fā)井(41.5 m×36.5 m)和始發(fā)接收井(21.2 m×12.7 m)。

車(chē)站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ 1000@800鉆孔咬合樁,分三種樁型:A型咬合樁,應(yīng)用于端頭井深部,樁長(zhǎng)31.2 m;B型咬合樁,用于標(biāo)準(zhǔn)段,樁長(zhǎng)27.2 m;C型咬合樁,應(yīng)用于端頭井淺部,樁長(zhǎng)28.2 m,以上三種樁型均采用“葷素”搭配。拐角等關(guān)鍵部位選用旋噴樁作止水帷幕。圍護(hù)樁在使用期間通過(guò)壓頂梁(樁頂冠梁)參與車(chē)站抗浮。基坑豎向設(shè)置一道800mm×700mm的鋼筋混凝土支撐以及三道Ф 609×16鋼支撐,車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)段基坑埋深15.5 m,端頭盾構(gòu)井基坑埋深17.0 m。

1.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

南施街站地段地勢(shì)平坦,地面高程為5.8 m～7.1 m,太湖沖積平原區(qū),地表水系發(fā)育,屬第四系(Q)沉積地層。根據(jù)地質(zhì)勘察資料,南施街站地基土層特征情況為:上部土層基本穩(wěn)定,下部土層變化較大。

該區(qū)域土層的含水層分孔隙潛水含水層、微承壓含水層和承壓含水層。潛水含水層主要由填土層組成,歷年最高潛水位標(biāo)高2.63 m、最低潛水位標(biāo)高0.21 m。微承壓含水層由晚更新統(tǒng)沉積成因的土層組成,主要為③2粉土夾粉質(zhì)黏土、④1粉土,埋深通常為4.6 m～10.0 m。該含水層的補(bǔ)給來(lái)源主要為潛水和地表水,微承壓水頭埋深在1.0 m～2.0 m左右。承壓含水層由⑦粉質(zhì)黏土、粉土層組成,埋深在-31.50 m以下,厚度3.0 m～7.0 m,深承壓水頭標(biāo)高-6.68 m。承壓水對(duì)本工程施工及運(yùn)營(yíng)影響不大。

基坑底板主要位于⑤粉質(zhì)黏土層,該土層局部夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及薄層狀粉土和可塑性的粉質(zhì)黏土,以軟塑～流塑為主,強(qiáng)度低、變形大,以該土層作為持力層,地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為70 kPa～90 kPa。底板所在土層水平滲透系數(shù)為7.1×10-6cm/s,垂直滲透系數(shù)為5.0×10-6cm/s。

2 咬合樁的施工工藝與效果分析

2.1 咬合樁施工原理

咬合樁是指平面布置的排樁間相互咬合排列,即樁圓周相嵌的連續(xù)擋土并具備防滲作用的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)[4]。它既可全部采用鋼筋混凝土樁(“葷葷”搭配),也可采用素混凝土樁與鋼筋混凝土樁相隔布置(“葷素”搭配)。本項(xiàng)目以“葷素”搭配咬合樁為例,將素混凝土樁(A樁,Φ 1000mm)和鋼筋混凝土樁(B樁,Φ 1000mm)以咬合樁的排列方式間隔布置,咬合寬度200mm。施工順序?yàn)锳樁后B樁。A樁混凝土采用超緩凝型混凝土,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),利用套管樁機(jī)的切割能力切割掉相鄰A樁相交部分的混凝土,實(shí)現(xiàn)兩相鄰混凝土樁的咬合[9]。施工順序[5-6]為:A1—A2—B1—A3—B2—A4—B3 ……,(如圖1所示)

圖1 鉆孔咬合樁施工流程圖

2.2 施工設(shè)備

南施街咬合樁主要施工設(shè)備為液壓搖頭式套管樁機(jī)MZ1000,該樁機(jī)有兩個(gè)液壓卡盤(pán),上卡盤(pán)可升降轉(zhuǎn)動(dòng),能旋轉(zhuǎn)、提升及下壓套管,在成孔時(shí)發(fā)揮磨進(jìn)作用,成樁時(shí)起提升套管的作用。施工中還配套使用履帶吊機(jī),其行走機(jī)構(gòu)與套管樁機(jī)相互連接成為整體,可整體行走、定位、移動(dòng),履帶吊機(jī)在成孔時(shí)提降抓斗,抓出套管內(nèi)土方,成樁時(shí)吊裝鋼筋龍、提升導(dǎo)管。

2.3 施工工藝流程

目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有關(guān)于咬合樁的統(tǒng)一施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),總的原則是,先施工A樁,后施工B樁(如圖1)。南施街站咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)施工流程如圖2所示,其施工質(zhì)量控制措施見(jiàn)圖3。

圖2 咬合樁施工工藝流程圖

圖3 咬合樁的施工效果圖

2.4 施工效果

蘇州地鐵一號(hào)線(xiàn)南施街站所處的南施街與翠園路兩側(cè)的地下管線(xiàn)十分密集,在南施街站圍護(hù)結(jié)構(gòu)咬合樁施工期間,因相應(yīng)管線(xiàn)沒(méi)有完成遷改,造成了砂樁現(xiàn)象的出現(xiàn)。為進(jìn)行補(bǔ)救,在完成管線(xiàn)改移后,采取二次成孔的方式進(jìn)行施工,并在砂樁冷縫外側(cè)施工旋噴樁止水。

南施街站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)共施工449根咬合樁,在施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有四處砂樁冷縫處出現(xiàn)滲漏,施工單位及時(shí)采用雙快水泥或堵漏王進(jìn)行封堵注漿處理,同時(shí)用水泥-水玻璃雙液漿進(jìn)行注漿。經(jīng)處理后滲漏問(wèn)題得到了有效地控制。

2008年10月8日南施街站基坑土方開(kāi)始進(jìn)行開(kāi)挖,2008年11月9日第一段結(jié)構(gòu)底板澆筑,2009年7月15日主體結(jié)構(gòu)施工全部完成。除上述因管線(xiàn)影響未連續(xù)施工所引起的滲漏外,整個(gè)施工過(guò)程中未發(fā)生一起安全事故,基坑施工一直處于安全受控狀態(tài),基坑開(kāi)挖后可見(jiàn)咬合樁咬合充分,樁身垂直度好,外觀整齊光潔,整體防滲止水效果良好(如圖3所示)。從本工程的實(shí)際效果看,咬合樁在南施街站基坑工程中的應(yīng)用是非常成功的,咬合樁作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu),適合于蘇州軟土高地下水位地質(zhì)條件。

3 咬合樁的關(guān)鍵施工控制技術(shù)

咬合樁具有施工噪音低、無(wú)泥漿污染、造價(jià)低、止水效果好等優(yōu)點(diǎn),但對(duì)施工精度、工藝和混凝土配比等均有嚴(yán)格要求,對(duì)施工人員的要求也相應(yīng)較高。結(jié)合南施街站成功施工的實(shí)例,分析咬合樁在軟土地區(qū)施工過(guò)程中的關(guān)鍵控制技術(shù)[7]。

3.1 咬合樁樁位控制技術(shù)

孔口定位偏差控制一般是利用定位導(dǎo)墻精確安放第一節(jié)套管來(lái)控制孔口成孔精度,導(dǎo)墻上定位孔的直徑一般比樁徑大20mm～40mm。樁機(jī)就位后,將第一節(jié)套管插入定位孔并檢查調(diào)整,使孔口定位誤差控制在±10mm。為保證咬合樁底部有足夠厚度的咬合量,除對(duì)其孔口定位誤差嚴(yán)格控制外,成孔過(guò)程中需要對(duì)套管的順直度和樁的垂直度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和檢查,套管順直度偏差一般控制在0.1%～0.2%。如發(fā)現(xiàn)垂直度偏差過(guò)大,必須及時(shí)進(jìn)行糾偏,糾偏的具體措施見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。

3.2 超緩凝混凝土的緩凝時(shí)間控制

灌注樁的施工中,先施工被切割的A樁身混凝土均要求凝結(jié)時(shí)間在60 h以上,由于該混凝土比一般緩凝混凝土凝結(jié)時(shí)間還長(zhǎng)兩倍以上,故將其稱(chēng)為超緩凝混凝土。本工程中配制和生產(chǎn)該混凝土的關(guān)鍵,一要確保素樁混凝土緩凝時(shí)間不小于60 h;二要求混凝土坍落度為16±2cm;三要求混凝土各齡期強(qiáng)度須滿(mǎn)足設(shè)計(jì)施工需要。即先施工樁的樁身混凝土凝結(jié)時(shí)間要長(zhǎng),混凝土的3 d強(qiáng)度不大于3MPa,以保證能被后施工樁的鉆機(jī)套管下沉?xí)r切割,同時(shí)混凝土的28 d強(qiáng)度能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)[9]。南施街站咬合樁中的素樁采用C20超緩凝混凝土,葷樁為C30鋼筋混凝土樁,通過(guò)試驗(yàn)確定的配合比如表1所示。

表1 咬合樁超緩凝混凝土配合比

3.3 樁內(nèi)“混凝土管涌”的控制技術(shù)

在B樁切割兩側(cè)A樁成孔過(guò)程中,由于A樁混凝土尚未凝固,還處于流塑狀態(tài),因此A樁混凝土可能從A、B樁相交處涌入B樁孔內(nèi),稱(chēng)為“混凝土管涌”。南施街站施工過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)輕微涌砂現(xiàn)象,及時(shí)采取了以下措施防止了“混凝土管涌”的再次發(fā)生:

(1)控制A樁混凝土的坍落度,不宜超過(guò)18cm,以便于降低混凝土的流動(dòng)性;

(2)加大B樁套管下沉深度,B樁套管埋深應(yīng)始終超前開(kāi)挖面2.5 m以上,終挖時(shí)B樁套管至少超過(guò)孔深1.5 m以上;

(3)采取壓水措施,即向B樁套管內(nèi)注入一定量的水,使其保持一定的反壓力來(lái)平衡A樁混凝土的壓力,阻止“混凝土管涌”的發(fā)生;

(4)B樁成孔過(guò)程中應(yīng)注意觀察相鄰兩側(cè)A樁混凝土頂面,如發(fā)現(xiàn)A樁混凝土下陷應(yīng)立即停止B樁開(kāi)挖,并一邊將B樁套管盡量下壓,一邊向B樁內(nèi)填土或注水,直到完全制止住“管涌”為止。

3.4 “拔樁”的控制技術(shù)

根據(jù)南施街站現(xiàn)場(chǎng)施工情況,主要采取了如下預(yù)防措施:

(1)嚴(yán)格控制緩凝混凝土的配合比,保證其和易性良好,在控制整樁的總體灌注時(shí)間的前提下,不得拖延每次灌注的間隔時(shí)間;

(2)混凝土初灌后,即開(kāi)始提拔外套管,且在灌注過(guò)程中隨著灌注混凝土頂面的提高,連續(xù)提拔外套管,外套管在混凝土中的埋深不大于2 m;

(3)鋼筋籠的加工尺寸應(yīng)確保精確,在轉(zhuǎn)運(yùn)、吊裝過(guò)程中采取可靠措施防止鋼筋籠扭曲變形;

(4)在鋼筋籠底部加焊一塊比鋼筋籠略小的薄鋼板,增加其抗浮能力,或在鋼筋籠底部設(shè)置抗浮塊,且與鋼筋籠連接可靠。

3.5 分段施工節(jié)點(diǎn)連接的控制技術(shù)

節(jié)點(diǎn)連接一般采用砂樁過(guò)渡的方法,即在先施工樁的端頭設(shè)置一個(gè)砂樁(成孔后用砂灌滿(mǎn),見(jiàn)圖4)用以在相鄰的A樁預(yù)留出咬合口,待后施工段到此節(jié)點(diǎn)時(shí)在砂樁樁位重新成孔挖出砂并灌上混凝土即可。

圖4 分段施工接頭預(yù)設(shè)砂樁示意圖

3.6 事故樁的處理措施

事故樁的處理主要分以下幾種情況[10]:

(1)平移樁位單側(cè)咬合。B1樁切割咬合施工時(shí),A1樁的混凝土已經(jīng)凝固,使鉆機(jī)不能按正常施工條件切割咬合A1、A2樁完成B1樁。在這種情況下,宜向A2樁方向平移B1樁樁位,使鉆機(jī)單側(cè)切割A(yù)2樁,并在A1與B1樁外側(cè)另增加一根旋噴樁作為防水處理。

(2)背樁補(bǔ)強(qiáng)。B1樁成孔施工時(shí),其兩側(cè)的A1、A2樁混凝土均已凝固,在這種情況下,則放棄B1樁的施工,調(diào)整樁序繼續(xù)后面咬合樁的施工,以后在B1樁的外側(cè)增加一根咬合樁及兩根旋噴樁作為補(bǔ)強(qiáng)、防水處理。

(3)預(yù)留咬合企口。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),如繼續(xù)按正常順序施工則會(huì)更多的造成事故樁,應(yīng)及時(shí)在A1樁右側(cè)施工一砂樁以預(yù)留出咬合企口,待調(diào)整完成后再繼續(xù)后面樁的施工。

(4)用后壓漿技術(shù)、旋噴補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)等方法處理咬合樁之間的其它缺陷。

4 咬合樁的監(jiān)測(cè)變形分析

本基坑施工中監(jiān)測(cè)內(nèi)容設(shè)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、支撐軸力、地表和周?chē)ㄖ锍两档?其中最具有直接檢驗(yàn)效果的是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移,南施街站主體基坑每40 m左右至少有一組測(cè)斜孔的監(jiān)測(cè)點(diǎn),共布設(shè)14個(gè)測(cè)斜孔,本文選取車(chē)站基坑標(biāo)準(zhǔn)段中部測(cè)斜孔CX4的側(cè)向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,根據(jù)基坑標(biāo)準(zhǔn)段在9種施工工況下CX4孔的側(cè)向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,圖5給出了CX4點(diǎn)處咬合樁樁體水平側(cè)向位移隨工況的發(fā)展情況,圖中“位移差”代表相鄰兩種工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的變化量,位移差越大表示在兩種工況施工期間施工風(fēng)險(xiǎn)越大。

圖5 咬合樁的水平側(cè)向位移隨施工進(jìn)度的變化

(1)圖5(a)為開(kāi)挖表層土并澆筑首道混凝土支撐后咬合樁的水平側(cè)向位移。從圖中可以看出,由于開(kāi)挖深度很淺,且設(shè)置了剛度較大的鋼筋混凝土支撐,樁體基本沒(méi)有變形。

(2)圖5(b)為開(kāi)挖深度至7 m時(shí)咬合樁的水平側(cè)向位移。分析表明,開(kāi)挖初期在墻頂位置設(shè)置支撐能夠有效的限制墻頂水平位移。

(3)圖5(c)為設(shè)置第二道鋼支撐并施加預(yù)加軸力后咬合樁的水平側(cè)向位移。

(4)圖5(d)為開(kāi)挖深度至10 m時(shí)咬合樁的水平側(cè)向位移。從圖中可以看出,隨著開(kāi)挖深度增加,咬合樁最大水平側(cè)向位移迅速增大到10mm,樁體位移形態(tài)開(kāi)始表現(xiàn)出樁體兩端位移量小,中間位移量大的“大肚狀”,是典型的多支撐咬合樁坑內(nèi)的變形形態(tài)。

(5)圖5(e)為設(shè)置第三道鋼支撐并施加預(yù)加軸力后咬合樁的水平側(cè)向位移。

(6)圖5(f)為開(kāi)挖深度至12 m時(shí)咬合樁的水平側(cè)向位移。從圖中可以看出,基坑向下開(kāi)挖3 m,咬合樁的水平側(cè)向位移僅僅增加了1mm,這是因?yàn)榛娱_(kāi)挖到相對(duì)較硬的土層,在一定程度上限制了樁體水平側(cè)向位移的發(fā)展。

(7)圖5(g)為設(shè)置第三道鋼支撐并施加預(yù)加軸力后咬合樁的水平側(cè)向位移。

(8)圖5(h)為開(kāi)挖深度至14 m時(shí)咬合樁的水平側(cè)向位移。從圖中可以看出,隨著基坑開(kāi)挖到基底位置,咬合樁最大水平側(cè)向位移迅速增大到28mm,此時(shí)是基坑開(kāi)挖的最危險(xiǎn)階段,應(yīng)避免坑底暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng),以免引起坑底隆起量和樁體水平側(cè)向位移過(guò)大,造成安全隱患。

(9)圖5(i)為澆筑底板后咬合樁的水平側(cè)向位移。從圖中可以看出,隨著底板的澆筑,基坑基本穩(wěn)定,咬合樁的水平側(cè)向位移速率明顯減低。

通過(guò)以上分析,可以看出,隨著基坑開(kāi)挖深度增加,咬合樁水平側(cè)向位移不斷增大,且水平側(cè)向位移最大值的位置隨開(kāi)挖深度增加而降低,基本維持在開(kāi)挖面附近;首道鋼筋混凝土支撐的設(shè)置能夠有效的限制樁頂水平位移的發(fā)展,對(duì)基坑的穩(wěn)定起到很重要的作用;設(shè)置鋼支撐并施加合理大小的預(yù)應(yīng)力能夠更好的約束咬合樁的水平側(cè)向位移。在施工過(guò)程中應(yīng)避免施加過(guò)大或過(guò)小的預(yù)應(yīng)力,以免造成樁體破壞或者過(guò)大變形;由于土體的蠕變現(xiàn)象,在基坑停止開(kāi)挖后,咬合樁仍會(huì)繼續(xù)變形,因此在基坑開(kāi)挖至基底后應(yīng)盡快澆筑底板。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)南施街站的工程實(shí)踐證明:咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)適用于蘇州地區(qū)軟土高地下水位地層。

(2)不同施工工況下的測(cè)斜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明:圍護(hù)墻體兩端變形小、中間變形大,最大側(cè)移點(diǎn)深度隨著開(kāi)挖不斷下移,且最大側(cè)向位移監(jiān)測(cè)值始終在警戒值范圍內(nèi),施工一直處于安全受控狀態(tài)。另外,深基坑首道支撐采用混凝土支撐,對(duì)保證基坑開(kāi)挖安全,有效防止圍護(hù)樁墻內(nèi)外位移起到了重要作用。

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