暗挖导洞内大直径桩施工关键技术研究

韩竹青，张宏，胡宏彪，程松，卞正涛，王生

(北京建工集团有限公司，北京100028)

暗挖导洞内大直径桩施工关键技术研究

韩竹青，张宏，胡宏彪，程松，卞正涛，王生

(北京建工集团有限公司，北京100028)

针对北京地铁15号线新建奥林匹克公园站顺行密贴下穿大屯路隧道的施工技术难点，对传统泵吸反循环钻孔灌注桩施工设备进行改进，使其满足导洞内复杂环境下桩基施工的要求，并对施工工艺进行优化，保证施工安全和成桩质量。桩基施工完成后，通过自平衡法静载试验得到单桩竖向抗压承载力特征值，采用超声波透射法和低应变反射波法对大直径桩桩身完整性进行检测。试验和检测结果均表明，大直径桩均为Ⅰ类桩，桩身完整性良好，实测的单桩竖向抗压承载力特征值均满足设计要求。说明暗挖导洞内大直径桩成套施工技术能够满足成桩质量和效率的要求，保证工程的施工安全。

暗挖导洞 大直径桩 施工设备 施工工艺

1 工程概况

新建奥林匹克公园站是北京地铁15号线与8号线换乘车站，车站位于奥运中心区，大屯路城市隧道下方，预留公交节点的西侧，沿大屯路东西向布设，周边分布有国家会议中心、国家体育馆、水立方、鸟巢等重要建筑。车站主体结构为地下两层三跨平顶直墙结构，车站总长205.5 m，总宽23.3 m，车站顶板密贴大屯路隧道底板，大屯路隧道上方覆土约为3.5 m，见图1。

图1 新建奥林匹克公园站与大屯路隧道断面位置关系

新建奥林匹克公园站采用顺行密贴下穿大屯路设计方案，为保证周边建(构)筑物及新建车站施工的安全，采用单层导洞大直径桩预撑支柱盖挖暗作法进行施工。根据施工方案，车站主体结构首先开挖两个边导洞(1)和(4)，边导洞贯通后进行边桩施工。边桩施工完成支顶后开挖两个中导洞(2)和(3)，中导洞贯通后进行中桩、中柱施工，中柱体系施工完对隧道再次支顶后进行扣拱及后续结构施工。4个导洞的断面尺寸均为4.7(宽)×5.7 m(高)，见图2。

图2 导洞示意(单位:mm)

钻孔灌注桩具有施工振动和噪音小、成桩直径大、适用范围广及施工效率高等优点，已经在高层建筑、重型厂房、桥梁、港口码头、海上采油平台及核电站等工程中得到广泛应用［1-2］。因此，新建奥林匹克公园站的中桩为反循环钻孔灌注桩，总计58根，有2种规格:①直径1.8 m，桩长30 m，孔深为44.58～44.61 m;②直径1.8 m，桩长22 m，孔深为36.61～36.65 m。

2 桩基施工设备

由于暗挖导洞的空间狭小、桩基直径较大(1.8 m)，传统的桩基施工设备［3］不能满足导洞尺寸限界的要求，因此，有必要设计出一套适用于小导洞内大直径桩施工的设备，以保证桩基施工的成桩效率和质量。

2.1 成套桩基施工设备配置

暗挖导洞内大直径桩施工进度和成桩质量取决于施工设备中各子构件的严密配合。施工中，为了提高导洞内空间利用效率并保证施工有序进行，导洞内的泥浆、渣浆、混凝土及钢筋笼等采用有轨方式进行运输。在导洞内铺设两排钢轨，钢轨上依次布置渣浆泵、泥浆车、反循环钻机、移动式起重机及首灌车，见图3。

图3 导洞内大直径桩施工设备示意

2.2 钻孔设备

钻孔设备可分为4个子系统，即钻井系统、排渣系统、泥水分离系统及补浆系统。其中，钻进系统采用改装的60P45A型钻机机组，排渣系统包括渣浆泵及配套的泵管，泥水分离系统包括洞内渣浆池、地面的泥水分离机及输浆管，补浆系统包括泥浆泵、泥浆车及输浆管。

改装后的反循环钻机长5.0 m，宽2.2 m，钻机主架子高4.0 m，钻杆长1.2 m，并对杆连接处的丝扣进行锻造处理，使钻杆连接处的丝扣牢固、耐磨、便于拆卸。在钻机上加装大扬程水泵，将渣泥、渣石水平输送至渣浆泵并排至地面。

泥浆车出口处设置单向蝶阀，外侧设置水平管，施工时根据孔口水头变化及钻孔内泥浆量人工调节泥浆输送量，满足不同地层条件下泥水平衡动态变化的要求。

渣浆泵(图4)长度方向上设置有一根螺旋杆，螺旋杆距渣浆泵底部2 cm，周身设置10 cm×5 cm的钢丝刷，填充螺旋杆与渣浆泵底部的空隙，实现软连接，以防钻机钻至砂层及卵石层时，粒径小的砂石卡住螺旋杆致其无法转动。与渣浆泵连接处的泵管形状设置为喇叭形，以增加砂石在渣浆泵中的通过速度，防止砂石堵塞渣浆泵出渣口。在渣浆泵出口处设置风管和水管，用于控制车内渣浆沉淀速度，防止渣泥及渣石堵塞渣浆泵的出口。渣浆泵的通过粒径为12 cm，为防止大粒径卵石通过时堵塞渣浆泵，在车顶设置12 cm× 12 cm的钢筋篦子，便于及时清理。在渣浆泵顶部设置溢流口，防止渣浆泵出现故障时溢流。

图4 渣浆泵结构示意

2.3 混凝土灌注设备

由于导洞内长距离泵送混凝土难以满足水下灌注首灌连续、快速的要求［4］，因此为每套钻孔设备配备首灌车(见图5)进行首灌作业。灌注桩身混凝土之前，首先采用地泵将首灌车灌满混凝土，然后打开首灌车下方阀门完成混凝土首灌。

图5 首灌车结构示意

2.4输浆管路

钻孔产生的渣浆、泥浆在导洞内通过管道进行运输。首先沿导洞侧壁敷设直径50 mm的镀锌钢管作为给水管线，之后安装导洞内的泥浆管及渣浆罐，在桩基施工设备安装就位后安装横通道内的管线。横通道内管线均沿导洞侧墙按5‰的坡度自西向东敷设。导洞内管线布置示意如图6。

图6 导洞内管线布置示意

3 施工工艺

为保证施工有序进行及成桩质量达到设计要求，大直径桩的施工应严格按照施工工艺流程(图7)进行。

图7 导洞内大直径桩施工工艺流程

暗挖导洞内大直径桩施工主要工序的具体要求为:

1)钢筋笼、钢套筒施工。大直径桩钢筋笼长度为22.75～30.75 m，钢筋笼上部设置假笼子，长度为13.80～13.85 m，考虑到导洞内的运输及吊装，将钢筋笼在地面分节加工，每节长2.5 m。

2)人工挖孔施工。首先进行测量定位，确定出桩位中心后破除底板初支并进行加固，人工挖孔直径为2.4 m，尺寸偏差控制在1 cm，每开挖出一个循环土方，检查欠挖及超挖情况并进行处理。人工挖孔每一节喷射一次混凝土进行护壁，施工完成后对桩身直径、孔底标高、桩位中线及井壁垂直度进行全面测定，确保达到设计要求。

3)沉管施工。沉管采用外径2 m，壁厚1.4 cm的钢管，总长度14.85 m，标准节长度2.5 m。挖土作业在沉管内进行，挖土直径2.1 m，挖土应分层、均匀、对称地进行，每循环高度为0.25～0.30 m。

4)钻孔施工。采用改装的泵吸反循环钻机进行钻孔作业，钻孔前按桩身体积的1.5倍制备泥浆，钻孔作业过程中严格控制泥浆参数，保证钻孔施工的经济、高效。

5)混凝土灌注。由于桩径大、灌注时间长，故要求混凝土有较大的塌落度、较长的初凝时间和很好的和易性。正式灌注之前，先采用同强度等级的水泥砂浆进行润管。首灌作业采用首灌车完成。

6)监控量测。施工中对导洞初衬状态及大屯路隧道沉降进行实时量测，掌握大直径桩施工对周围环境的影响，科学合理地安排下一步施工，保证施工安全和成桩质量。

4 桩基质量评价

依据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2003)、《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)、《基桩静载试验自平衡法》(JT/T 738—2009)及相关施工图纸，本工程桩身完整性检测的抽检数量为总桩数的100%，单桩承载力检测数量为总桩数的1%且不少于3根［5-9］。

桩基施工时按设计预留声测管，施工后采用超声波透射法进行桩身完整性的检测，对于部分由于施工原因声测管出现堵塞的桩基，采用低应变反射波法进行补测。考虑工程现场条件，通过自平衡法基桩静载试验得到单桩竖向抗压承载力特征值。

采用超声波透射法检测的桩基数量为44根，采用低应变反射波法检测的桩基数量为14根，检测时混凝土龄期均＞14 d。检测结果显示，桩基均为Ⅰ类桩，桩身完整性指标合格。

自平衡法基桩静载试验结果见表1，各单桩实测竖向抗压承载力均满足设计要求。

表1 自平衡法基桩静载试验结果

5 结论

针对新建奥林匹克公园站顺行密贴下穿大屯路城市隧道工程中暗挖导洞内大直径桩的施工技术难点，研发了暗挖导洞内大直径桩成套施工技术，主要结论包括:

1)对导洞内大直径桩施工设备进行改进，使其满足导洞内狭小空间条件下构件吊装和桩基施工的要求。

2)优化桩基施工工艺，确保钢筋笼及钢套筒的吊装安全、人工挖孔及沉管施工的精度和钻孔施工的质量，满足水下混凝土首灌连续、快速的要求。

3)检测和试验结果显示，桩基均为Ⅰ类桩，桩身完整性良好，单桩竖向抗压承载力实测值均满足设计要求，说明暗挖导洞内大直径桩成套施工技术能够满足成桩质量和效率的要求，可保证类似工程的施工安全。

［1］桩基工程手册编写委员会．桩基工程手册［M］．北京:中国建筑工业出版社，1995．

［2］林兴刚，郝伟，韩夏冰，等．某高架桥大孔径钻孔灌注桩施工技术研究［J］．施工技术，2011，40(增):153-155．

［3］谢思东．洞桩法施工设备及工艺选择［J］．建筑机械技术与管理，2007(9):71-74．

［4］刘兴文，杜忠孝．水中大直径超深钻孔灌注桩施工技术［J］．铁道建筑，2012(8):28-31．

［5］中国人民共和国建设部．JGJ 106—2003建筑基桩检测技术规范［S］．北京:中国计划出版社，2003．

［6］中国人民共和国建设部．JGJ 94—2008建筑桩基技术规范［S］．北京:中国计划出版社，2008．

［7］中华人民共和国交通运输部．JT/T 738—2009基桩静载试验自平衡法［S］．北京:中国计划出版社，2009．

［8］丁育南，朱伟强，戚启明．钻孔灌注桩基础施工质量监控要点［J］．施工技术，2006，35(6):10-14．

［9］孟军涛，颜胜才，陈辉，等．混凝土灌注桩桩身质量缺陷声波透射法检测分析［J］．铁道建筑，2014(6):57-59．

Study on key construction technology of casting large-diameter pile in tunnel's drift

HAN Zhuqing，ZHANG Hong，HU Hongbiao，CHENG Song，BIAN Zhengtao，WANG Sheng
(Beijing Construction Engineering Group Co．，Ltd．，Beijing 100028，China)

According to the construction technology difficulty of Olympic Park Station in Beijing Subway Line 15 underneath passing the Datun Road tunnel，the traditional construction equipment system of bored piles with the pump suction reverse circulation method was improved to meet the pile foundation construction requirements under the complex conditions in a drift and the construction technology was optimized to ensure the construction safety and the high quality of the completed piles．After completing the pile foundation construction，the characteristic values of the single pile vertical bearing capacity are obtained by self-balanced static load tests and the integrity of largediameter pile are tested by using ultrasonic transmission method and low strain reflected wave method．T he test and inspection results showed that large-diameter piles areⅠclass and have good integrity，the measured characteristic values of the single pile vertical bearing capacity can meet design requirements，which means the improved construction technology of large-diameter pile in underground excavation drift could meet the needs of the construction quality，efficiency and safety．

Underground excavation drift;Large-diameter pile;Construction equipment;Construction technology

TU473.1+4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．20

1003-1995(2015)04-0073-04

(责任审编葛全红)

2014-10-20;

2015-02-20

北京市科委计划项目(Z121100000312021)

韩竹青(1982—)，男，河北张家口人，工程师。