盾构穿越城市建(构)筑物桩基的施工技术研究

刘建卫

(中铁一局集团有限公司城市轨道交通工程分公司,西安 710054)

近几年,我国城市轨道交通发展迅速,北京、上海、南京、广州等一线城市的轨道交通建设已经达到一定水平,带动中西部省会城市以及二线城市的轨道交通建设相继开工建设。盾构作为一种安全性较高的土建施工设备,在城市轨道交通建设中发挥着积极作用。但各城市中不同程度地存在着既有建、构筑物,其基础与轨道交通线路在地下相交者甚多,对盾构施工存在一定的制约与影响。

笔者结合实例,就不同地区盾构穿越建构筑物桩基的成功案例进行对比分析研究,阐述盾构穿越城市建、构筑物桩基的施工方法及关键技术。

1 施工技术

目前,国内盾构穿越建构筑物桩基工程主要有桩基托换、拔桩、冲桩、线路调整及直接穿越等技术。

1.1 桩基托换技术

桩基托换分为主动托换与被动托换两种,尤以华南地区的广州、深圳等地轨道建设中应用较多。本文以广州地铁 5号线草—淘盾构区间穿越内环路 2.6标A匝道 A4桩桩基为例说明分析。

(1)隧道与桥梁桩基概况

内环路 2.6标 A匝道 A4桩位于区间隧道左线ZDK8+231.390处,桩径 1.5m,桩长约 20.043m,侵入隧道 1.647m。由于该桩侵入隧道部分会影响今后盾构机的施工,需对侵入隧道的桩身部分进行破除。

根据取芯情况揭示地层如下。

素填土层:灰黄色,湿,稍压实,主要由黏性土组成,顶部 40cm为混凝土板,分层厚度 2.1m。

全风化粉砂岩层:褐红色、灰黄色、紫灰色,岩芯呈坚硬土柱状,普遍夹有砂岩碎块或铁质砂岩碎块。岩芯浸水易软化、崩解,钻进有时快时慢的现象,取芯困难,取芯率较低,分层厚度 20.8m,标贯击数为 30～42击,平均击数 34击。

(2)桩基托换技术

采用钢管桩结合承台基础托换方案为主,同时将侵入隧道范围的桩体切除,其余部分保留,让原桩基础的部分摩擦力继续发挥作用。其中钢管桩 φ300mm 18根,桩基承台分上下台阶,上台阶承台尺寸:7500mm×4500mm×1000mm,基坑呈六边形,开挖深度 3m,五面放坡,坡面采用挂网喷射混凝土支护,另外一面采用直墙开挖,采用锚杆和挂网喷射混凝土。截桩采用人工挖孔桩,净空尺寸 φ2000mm,护壁厚度200mm,深度 14.84m。

①托换原则

主动托换,保证上部结构足够安全,地基持力层有足够的承载力;整个施工过程中,A4桩的沉降在结构允许范围之内;浅基础混凝土强度等级为 C30。

②工艺流程(图1)

图1 桩基托换流程

③基坑施工

建筑物,特别是桥梁的桩基承台一般在地面下,而且托换桩位于承台下,因此,部分桩基托换工作需要先做基坑,为托换施工创造足够的施工环境。基坑施工前需要经过设计,采用安全、可靠的支护方法。

④钢管桩施工

测量放点,放样钢管桩位,固定基座,调整钻机位置并固定在基座上;

清水清孔,并放置 φ219mm,厚度为 4.5mm的钢管,钢管壁每 0.5m开 3个 φ30mm的小孔,注意钢管应高于地面 100mm,管内放置 1根φ32mm的注浆管,底部用胶带密封;向管内灌注 C30的细石混凝土,细石粒径不大于 10mm;

插入 4根 φ18mm的 HRB335钢筋,插入钢管内深度为 600mm,预留锚入承台长度为 630mm(35d,d为钢筋直径),待细石混凝土强度达到 70%后,用法兰盘封住钢管口并留一注浆管口,采用 2.0～3.5MPa的压力灌注水灰比为 1∶1水泥浆,以保证桩底与岩层以及钢管侧壁的有效接触;截钢管,满足钢管桩桩顶嵌入新承台长度为 100mm的要求。

⑤托换新承台及植筋

凿毛:为让新承台与旧承台及桩之间混凝土结合牢固,对旧混凝土界面要进行凿毛处理。将旧混凝土表面凿毛,深度控制在 10～20mm。凿毛后用水清洗干净,在新加混凝土浇捣前 4h内刷界面处理剂。

绑扎、焊接钢筋:绑扎钢筋牢固,焊接采用单面焊,焊缝长度 10d,有条件时采用双面焊接,焊缝长 5d,控制保护层的厚度。绑扎过程中预埋好与上部连接的预埋钢筋。

立模:先立下部承台的模板。立模前,仔细检查模板平整度,涂脱模剂。精确测量承台外界,现场指导模板的架立,模板支撑要牢固,防止浇筑过程中跑模,拼缝要严密,防止跑浆。

混凝土的运输与浇筑:承台混凝土浇筑采用商品混凝土,宜采用泵送浇筑,浇筑要分层,分层厚度为振捣棒有效振捣长度的 1.25倍,振捣要密实,不再冒泡,模板周边翻浆即可停止振捣,振捣时间为 2～3min,对侧壁采用小锤轻敲模板振捣。下承台浇筑时,混凝土面要略高于原有承台底面。浇筑完之后,养护 3d后即可对模板进行拆除,进行上承台的施工,方法与下承台相同,上下承台接触面必须凿毛。

混凝土养护:初凝之后开始浇水养护,养护时间不少于 7d,洒水养护至混凝土强度达到 70%。

⑥人工挖孔、马头门及横通道施工

人工挖孔施工严格按照现行规范执行。

马头门是施工薄弱环节,施工前,先破除拱部局部护壁的混凝土,然后打入 φ32mm小导管,先向里面压双液浆(水泥浆和水玻璃),加固拱部土体,提高开挖的安全性。

缑卫军[10]以钼酸铵和硫化钠为原料，聚乙二醇为分散剂，在盐酸水溶液中通过水合热法合成了类似于富勒烯型的MoS2纳米微球，其直径在30～60 nm之间，该方法制备出的MoS2纳米微球外表坚硬，物化性能稳定，然而所得产物大小不均。

破除护壁,将架设格栅的位置凿出来,中间部分先不凿,凿完后立即在马头门口架设一榀钢格栅,如此循环。

⑦截桩及回填孔位

待横通道施工完成,新承台与原桩固结达到设计强度后,对下部桩体进行凿除,同时用砂浆回填密实,确保盾构顺利通过。

(3)分析评价

施工中最大沉降量 5.2mm,截桩时沉降量 0.6 mm。施工完,回填后稳定沉降量 4.2mm。完全满足结构最大沉降 5.5mm的要求,为盾构安全穿越奠定基础。

1.2 拔桩技术

外秦淮河综合整治水利工程在石城桥—清凉桥段两岸的防护钻孔灌注桩与南京地铁 2号线 TA07标莫愁湖站—汉中门站区间隧道在该处平面和立面位置上相交,灌注桩侵入隧道,阻碍隧道正常的掘进施工。由于该部分钻孔灌注桩为岸堤的抗滑桩,拟采用先加固、后拔桩、再恢复的总体施工技术方案。

(1)障碍桩概况

右岸为2排 φ600mm@1500mm的混凝土钻孔灌注桩抗滑,排间距为 2.1m,桩长 23m,桩底高程为 -16m,桩顶承台宽 3.5m,厚 0.6m,防洪墙建在承台上,为钢筋混凝土悬臂结构。坡面防护从河底抛石护脚加上护坡到岸边的 2m高的挡土墙,再加上 2.2m的观光平台,1∶7.1的填土放坡至 3.5m高的防洪墙。原设计为三等三级水工建筑物。

左岸为 φ800mm@1500mm的混凝土钻孔灌注桩抗滑,桩长为 25m,桩底高程为 -19m,桩顶承台宽1.6m,厚度为0.6m;坡面防护从河底小护脚加护坡到岸边防洪墙抗滑抗倾覆,再加上 4.3m的观光平台,岸堤小护脚加上 5.3m的放坡(反压护坡)至老挡墙。原设计按三等三级水工建筑物设计。

(2)线路概况

南京地铁 2号线 TA07标莫愁湖站—汉中门站区间盾构隧道起始于莫愁湖站,沿汉中门大街向东,在石城桥北侧下穿秦淮河,过河后在汉中翠庭以南转向汉中路,左、右线分别在汉中门立交桥 13号、14号、15号墩间穿越,在汉中门广场以北进入汉中门站;右线长度为 816.192m,左线长度为 828.869m。

区间隧道在秦淮河范围内线间距分别为 13.08m(左岸)、14.57m(右岸),隧道顶高程 -7.565(左岸 )、-4.969(右岸),以 29‰上坡至汉中门车站方向。

(3)地质条件

区间隧道线路在秦淮河附近地质主要以淤泥质粉质黏土为主,深层含有粉质黏土和粉土,基岩呈斜向分布,埋深高差较大,表面坡度较陡,总体地质条件差。具体地质状况见表1。

表1 穿越地段地质情况 m

(4)盾构隧道与秦淮河两岸支护桩位置关系

区间隧道在秦淮河左岸(靠近莫愁湖车站一侧)里程为 ZK11+807.5处穿越障碍桩,在此处隧道顶高程约为 -7.565m,支护桩底高程为 -19m,右岸(靠近汉中门车站一侧)里程为 ZK11+897处穿越障碍桩,此处隧道顶高程为 -4.969m,支护桩底高程约为 -16 m。根据平面、立面情况分析,确定影响区间盾构隧道掘进约 39根桩。

(5)加固施工

采用 φ600mm,行间距 800mm,列间距 900mm的高压旋喷桩,梅花形布置方式加固,右岸桩深 25m,左岸桩深 23m;秦淮河左岸隧道范围外采用 16根 φ800 mm@1500mm,深 25m的钻孔灌注桩,隧道范围内采用一排 10根 φ800mm@1500mm,深 11m的钻孔灌注桩加固;秦淮河右岸隧道范围外采用 2排 18根φ800mm@1500mm,深23m的钻孔灌注桩,隧道范围内采用 2排 16根 φ800mm@1500mm,深 9m的钻孔灌注桩加固。然后进行桩顶梁的施工,将新钻孔灌注桩与隧道范围两侧不需要拔除的钻孔灌注桩连成整体,每隔 15m设 1道沉降缝。

(6)套钻减摩拔桩施工

①工艺流程(图2)

②人工挖孔揭露原有桩基及冠梁破除

钻孔灌注桩抗滑结构桩身上端打有钢筋混凝土结构冠梁。冠梁把障碍桩连接锚固在一起,对拔除施工(单根拔除)有严重影响,故须在拔除障碍之前凿除冠梁。

图2 拔桩施工工艺流程

冠梁凿除后,开始钻进前人工挖孔和埋设 φ1.2 m、长度为 2～3m的护筒,使原桩基被揭露一定长度,以便于钻孔准确定位和吊出作业的实施。

③设备改装和特制钻具

因大直径跟管钻进要求施工设备有很大的扭矩,标准的施工设备无法满足要求不能直接使用,故在施工之前须对现有设备进行改装和加强。根据以往施工经验,可选用大口径桩机并改用大功率电机、卷扬机和慢档变速箱。由于障碍桩直径比较大,现有的标准钻具和钻头无法直接使用,须特制 φ1200mm×8mm大套管跟管钻具和 φ1500mm的钻头及φ1400mm笼式冲击钻头。

④成孔工艺

根据钻具质量大、施工扭矩大的特点,钻进过程中应把卷扬机负荷控制在 30kN内,并采用低转速小压力进行钻进。以满足施工要求为依据,此次拔桩钻机选型为 GPS-20钻孔桩机,桩机扭矩可达到40kN◦m,钻孔成孔直径可达到 2000mm。

为防止连接套管的法兰缝隙漏浆,适当降低套管内泥浆压力,每次加套管时,仔细检查连接螺栓。钻进过程中保证泥浆有足够的循环压力,达到翻渣清孔的效果。

泥浆循环过程中,需经二级净化。须随时监控泥浆质量,定时清理沉淀池中的沉淀物。泥浆的控制指标:黏度 18～22s;含砂率不大于 8%;胶体率不小于90%。

⑤吊车就位拔桩

把钢丝绳缠绕在原有桩基上部钢筋上,利用钻机把钻孔灌注障碍桩拔出地面。在起拔过程中,须严格控制提升速度,以保持桩身平稳;须时刻注意桩身垂直度,以保证桩体不与套筒发生碰撞。若作业区上方有高压线等影响,则在拔桩的过程中将桩割断分截拔起,利用 50t吊车将割断桩吊走,如此往返,直到完成全部拔桩工程。

⑥回填

为保护原有地层性质和周边环境,以及后续盾构隧道施工时盾构机能顺利通过,并保证秦淮河堤以后不发生塌方或渗漏,要求对桩孔进行回填,采用 M2.5水泥砂浆回填。回填工艺采用水下混凝土灌注工艺。

⑦孔内残留铁件处理

对原有孔内残留的障碍桩体被套管切割落到孔底的钢筋或不小心由孔口掉入孔内的短钢筋,在原桩体吊出之后,用强力磁铁打捞或强行打入隧道底面下 1～1.5 m,使残留件深入孔底,保证隧道范围内无钢筋。

⑧拔桩注意事项

当遇到障碍桩扩孔受阻时,下钻要慢,一旦钻进困难,钻不下去,采取将桩打入隧道范围以下的方法处理。

在拔桩的过程中如果发生断桩,可以采用套取措施将断桩拔除,也可以采用破除法将桩破除。

1.3 冲桩技术

冲桩技术实质上和拔桩技术相似,是一种通过破坏既有桩消除对盾构施工影响的技术。以苏州市轨道交通 1号线 I-TS-14标段盾构穿越玲珑街 1号桥为例,分析研究冲桩技术在工程中的应用。

(1)工程概况

玲珑街 1号桥位于苏州市翠园路,全长 35.194m,宽 37.4m,在盾构掘进里程 DK20+260.4处,距盾构始发端 71.9m。该桥与苏州市轨道交通 1号线会展中心站—星港街站区间隧道斜交 19.443m,桥型为 3孔标准跨径(5.5+8+5.5)m板梁桥,下部结构为 56根 φ1.00m钢筋混凝土灌注桩基础,桩长 15.2m,共28根桩基位于隧道掘进区域。

(2)原设计方案

原设计方案采用先将既有桥面部分凿除,然后对影响区域内的 28根桩进行逐一拔除,然后回填。

(3)冲桩技术的成功应用

经过对国内拔桩案例的分析认为,在国内拔桩施工有过成功的案例,但是在拔桩过程中有部分桩出现拔断的现象。根据该工程中盾构穿越的特殊性,如果出现拔断现象,则严重影响盾构的穿越。因此,提出采用冲击钻机直接冲压既有桩,使其破碎或下沉至隧道底 2m以下的施工方案。

①施工方案

首先进行桥梁两侧围堰施工,将河道与桥梁隔断;按照桥梁影响隧道的范围,结合桥梁梁板的布置,有影响的梁板整块拆除;采用冲击钻冲压桩体(图3),冲压深度按照至隧道下方 2m位置控制;桩体处理后,用M5砂浆回填冲击钻留下的桩孔,其施工原理同钻孔灌注桩,采用导管法灌注砂浆,填充桩孔。

图3 冲压桩体示意

②关键环节

桩体冲压和桩孔回填是施工关键。

桩体冲压采用普通冲击钻机即可,但护筒要大于待冲压桩体直径 0.5m,冲锤直径大于待冲压桩体直径 0.3m,才能确保将既有桩冲压干净。

桩孔回填采用 M5号砂浆,且回填必须采用导管法灌注砂浆,确保充填密实,确保后期盾构机通过时在同步注浆过程中不出现浆液冒出、污染环境的现象。

通过盾构穿越过程中的监测和观察证明,该方案施工可行、工期缩短、造价合理,盾构机穿越过程中 28根桩体仅出现 2截短钢筋,而且系箍筋而非主筋。

③冲桩注意事项

施工过程中若出现偏孔现象,在地面下 3m以上,则全部回填后重新冲孔;若在 3m以内,则采用回填石片,通过石片的缓冲与挤压修正孔位。

冲压完成后用高磁性磁铁吊入孔内吸附孔底钢筋残渣和检查孔壁上是否有直立主筋未冲压下去。

(4)分析评价

原钻孔灌注桩主筋及混凝土结构全部清除,施工中随渣发现的两截短钢筋对盾构刀盘刀具的影响不大,孔洞填充密实,注浆过程中未出现浆液冒出现象,盾构顺利穿越。

1.4 线路调整

线路调整必须在线路可以避开的情况下进行,例如苏州市轨道交通 1号线会展中心站—星港街站区间,盾构在出会展中心站后约 210m处遇会展中心冷却塔,其桩基有 8根侵入隧道。若采用拔桩方案则损失太大,桩基托换则需在富水软土地层中进行,风险性较大,且经过现场勘察,周围地下并无其他障碍物,通过调整原曲线段曲率和增加 2个曲线段(R＞350m),完全有条件通过线路调整避开既有冷却塔桩基。见图4、图5。

图4 调整前线路与冷却塔关系示意

图5 调整后线路与冷却塔关系示意

1.5 直接穿越

一般来说,盾构机不直接穿越正在使用的含筋桩体或高强度桩体,但对部分废弃的素桩、钢纤维桩或仅侵入桩体保护层等桩体可以实施直接穿越,但必须经过加固及采取相应的处理措施,确保对既有建、构筑物的影响在可控范围之内,同时要求盾构设备具有良好的工作性能。

例如:广州地铁 3号线北延段燕塘站—梅花园站区间盾构过基础桩,即采用直接通过的方式。基本情况:区间隧道于里程 YDK-1-808.390处下穿 B001-029建筑物广州电梯厂汽车运输与用户服务楼,于里程 YDK-1-892.370处下穿 B001-030建筑物钣金车间,于里程 YDK-1-954.300处下穿 B001-031建筑物割料车间及金属材料库。汽车运输与用户服务楼、钣金车间和各料车间及金属材料库均为桩基础。根据广日电梯厂提供的基础资料和施工单位提供的桩基监测报告,B001-29建筑物的桩基与隧道的净距为1.3m,B001-030建筑物的桩基距隧道外净距最小为5.3mm,B001-031建筑物的桩基已经侵入隧道,为了确保建筑物安全和隧道施工顺利,对 B001-029建筑物桩基和 B001-030建筑物的桩基采用 φ52mm的袖阀管自地面沿桩身全长土层进行地面注浆加固,以提高桩土摩擦力,对盾构切削通过 B001-031建筑物桩基处须加固地层,以开仓处理桩靴。

(1)穿越关键环节

加强设备维护:加强驱动动力系统、电气控制系统、注浆系统、渣土改良装置、后配套系统、盾尾排水设备的检修与维护,检查铰接密封、盾尾密封,保证各部位具有良好的密封性能。同时气压设备按照 300kPa压力进行保压试验,对气压设备的气密性进行全面检查,如果进行气压换刀,压力最大为 200kPa。

盾构司机经验:通过桩区段掘进中,选择经验丰富的盾构机司机,同时优化盾构掘进参数,注意对刀具的保护,确保盾构通过房屋时刀具的完好。

参数选择:桩区段管片均采用 B型管片,土压在0.19～0.2MPa,拼装管片时土压下降值不得超过0.03MPa;控制适宜的同步注浆压力(0.21～0.30 MPa),避免注浆压力大于盾尾密封压力时浆液残留固结在密封区;加大注浆量,注浆量大于8m3/环;盾构机进入加固体后及时二次注浆封水,二次注浆先注单液浆,再注双液浆;出土量保持在 62m3左右,加强对渣土的改良,保持土体密实;盾构机总推力 9000～13000kN,掘进速度保持在 10mm/min以内,严格控制进、出土平衡,确保盾构机的安全通过;刀盘转速控制在 0.8r/min;盾尾油脂及时加注,保证盾尾具有良好的密封性,以避免盾尾涌水。

(2)注意事项

盾尾内的冲洗水应及时抽走,确保管片的拼装质量;根据现场施工及监测情况,及时进行二次注浆,严格控制沉降;推进过程中,使用优质泡沫和盾尾油脂,以加强对刀具、螺旋输送机和盾尾尾刷的保护;在掘进中,控制好油缸行程,管片选型合理,确保盾尾间隙均匀;在盾构机通过桩区的过程中,须派专人监听刀盘声音,若有异响,及时上报,土建工程师及时分析渣样。

(3)分析评价

盾构通过过程中,出现刀盘压力瞬间增大的现象,随渣有大块的混凝土块及切割断的钢筋输出,但最终顺利通过,后期沉降也在范围之内。

2 适应性分析(表2)

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3 结语

盾构穿越城市建(构)筑物桩基施工技术是一项复杂的系统工程,不仅由技术条件直接决定,同时需要有严格、有效的项目组织管理水平、管理人员及技术工人有较高的综合素质、相关各方配合、协调顺畅、施工方案经过严密的制定论证过程并经相关专家审核通过等基本条件,另加现场认真、细致的操作方可实现既定目标。

上述 5种方法侧重于技术方面的论证,实际操作过程中必须在确保安全的前提下,经过造价、质量隐患、工期等多方面分析对比,最终确定安全、经济、可行的设计、施工方法,从而实现人文、和谐的工程环境。

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