暗挖车站洞内咬合桩止水施工技术研究*

王 振

(中铁十八局集团市政工程有限公司,天津 300222)

0 引言

目前,一般的止水方法有注浆止水帷幕、冻结法和结构法(地下连续墙和咬合桩等)[1-4]。冻结法在技术上应用于大型地下空间开挖止水是切实可行的,但造价太高;注浆止水帷幕一般采用深孔注浆和高压旋喷桩,深孔注浆在富水砂卵石地层效果难以保证,高压旋喷桩造价太高;结构法一般采用地下连续墙和咬合桩,但暗挖车站空间受限,地下连续墙难以实施,研究洞内咬合桩止水施工技术势在必行。

1 工程概况

1.1 项目概况

太平桥站为北京地铁19号线中间站,为地下2层双柱三跨(南端局部为三柱四跨)岛式站台,有效站台宽度16m,车站长317m,标准段宽25m,高16m,拱顶覆土12m,底板埋深29m。车站采用洞桩法(PBA)施工,北端区间采用矿山法施工,南端区间采用盾构法施工。

1.2 水文地质条件

车站站址范围内顶部地层主要为填土及粉细砂,中部地层以⑤卵石～圆砾、⑥粉质黏土、⑦卵石、⑧粉质黏土、⑨卵石层为主;底部为⑨卵石层;站底以下5～10m位置为粉质黏土及砂层,厚度3～5m,局部夹杂卵石层。车站范围地下水主要为潜水(三)(微承压性),水位标高21.800m,含水层主要为⑦卵石、⑨卵石,渗透系数300m/d,车站底板入水深度4.5m。

车站横断面及地层情况如图1所示。

1.3 咬合桩施工参数

侧壁咬合桩采用φ900@1 200 AB型咬合桩进行止水,在导洞开挖完成后开始施作,导洞净宽4 000mm,净高5 500mm。咬合桩施工参数如下。

1)A桩(素桩)采用M7.5补偿收缩膨润土砂浆,抗压强度5～8MPa,渗透系数≤1×10-6cm/s,桩长19m。

2)B桩(钢筋混凝土桩)采用钢筋笼+C30混凝土,桩长28m。

3)A桩(I序),φ900@1 200,613根。

4)B桩(II序),φ900@1 200,580根。

5)咬合厚度≥300mm(综合考虑垂直度及桩位偏差,保证底部最小咬合度≥50mm)。

6)垂直度偏差≤0.5%,桩位偏差≤50mm,桩深偏差≤300mm。

2 洞内咬合桩施工存在问题

咬合桩施工一般采用超缓凝混凝土和全套管跟进的施工工艺,其中素桩采用超缓凝混凝土,初凝时间20h以上,先施工两侧素桩,然后在2个素桩之间采用全套管跟进的方法施工钢筋混凝土桩孔,因咬合需要,施工时须做导墙,需要全套管施工,并配备专用搓管机下套管,套管须超前2m左右。制作完钢筋混凝土桩后,将套筒拆除,由于桩孔内灌入的是超缓凝混凝土,所以当拆除套筒后,超缓凝混凝土会与钢筋混凝土桩融合在一起,从而形成咬合桩。

传统咬合桩一般在地面上施作,作业空间宽裕,钻机移位倒序和安装套管等施工方便,但是地铁暗挖车站内空间有限,如果素桩混凝土凝固,钢筋混凝土桩将无法施工,且下套管需要搓管机配合,需要作业空间,施工过程繁琐,增加了事故率和施工成本。

另外,洞内施工作业空间有限,需采取切实可行的措施保证机械成孔垂直度符合设计要求,并对咬合效果进行超前检测,提前处理补强。

因此,对于地铁暗挖车站洞内咬合桩施工,提出一种具有优异的抗渗、抗裂性能、良好的塑性和韧性,以及强度低、易切削等特点的素桩材料,适合洞内施工且保证施工质量的关键技术是急需解决的问题。

3 关键施工技术

3.1 施工工序

车站边桩采用φ900@1200咬合桩,I序桩为咬合式膨润土砂浆桩(A型桩),II序桩为咬合式钢筋混凝土桩(B型桩)。先施工I序A型桩,待成桩后30～40d内施工II序B型桩,确保咬合效果。咬合桩施工顺序如图2所示。

图2 洞内咬合桩施工顺序Fig.2 Construction sequence of occlusal pile

3.2 导坑施工

3.2.1桩位控制

车站导洞开挖完成后,在导洞底板上放出桩位位置,经复核无误后,用激光垂准仪将桩位点引至导洞顶部,并用钉子加挂线做标识,在顶部标出桩位号,调整挂线和垂准仪激光线重合,确保桩位准确。

破除底板前,将挂线垂直于导洞底板并挂上垂球,以此为圆心画出破除范围;钻机在就位前利用导洞顶部挂线恢复出桩位准确位置,钻杆中心对准桩位点进行下钻。

3.2.2导洞破除

桩位孔口注浆加固完成后,为便于咬合桩施工工序安排,进行分段间隔人工破除导洞底板初支结构,施作导坑。具体施工工序如下(见图3)。

图3 导坑施工工序Fig.3 Guide pit construction process

1)根据咬合桩桩径和间距,要求每段破除长度≤3.8m,破除格栅钢架后施作洞口一期加强混凝土环梁,破除范围沿导洞方向采用6根φ25钢筋(分为上下2层)与底板格栅主筋焊接牢固形成洞口加强梁,中间采用I22支撑加固。

2)先采用人工挖孔的方式施工桩顶以下3m桩孔,称之为导坑,在导坑内采用机械成孔施作I序A型素桩。

3)本段内素桩完成后,清理泥浆,拆除既有中间型钢支撑,在素桩中心位置安装I22换撑,破除素桩导坑,重新施作新导坑,在新导坑内采用机械成孔施作II序B型钢筋混凝土桩。

4)待两侧咬合桩施工完成后,清理泥浆,破除中间段导洞底板,施作桩孔洞口二期加强环梁及型钢支撑。随后,在导坑内施工素桩,本段内素桩完成后,清理泥浆,型钢支撑换撑,破除接口处一期加强环梁,施作车站钢筋混凝土桩。

5)步骤1～4重复进行,直至车站内咬合桩全部施工完成。

3.3 机械成孔施工

3.3.1钻机改进

素桩和钢筋混凝土桩成孔均采用第7代8JH-150型履带式反循环钻机,外形尺寸:行进状态长5 930mm、宽2 300mm、高2 740mm,工作状态长5 930mm、宽2 300mm、高4 100mm。

1)钻机改进措施 ①采用新型加重钻机,钻机自重由原来的14t增至17.5t,改变钻塔结构,增加刚度和稳定性。②增加动力头对中记忆数显,实时监测数据,确保钻孔定位准确。③钻塔底盘(夹持平台)加强,钢板厚度由原来的20mm增至50mm,增加其稳定性和刚度。

2)钻机自身平整度控制措施 ①钻机调平 钻机定位后,依靠钻机自身水平系统调节钻机平整度,并用水平尺检查架体、动力头等垂直度[5]。②实时监测 为防止钻进过程中机身平整度发生变化,导致钻杆倾斜,采用激光水平仪全过程实时监测钻机机身(动力头)水平。钻机位于导洞泥浆内,钻孔吃力过程中可能导致机身失稳,从而造成钻杆倾斜。现场每台钻机配置1台激光水平仪,实时监测钻机平整度。

3.3.2钻杆改进

由于咬合桩素桩强度与地层不同,造成钻头接触面软硬不一,致使钻进过程中极易倾斜。采用适用于岩质地层的牙轮钻头(牙口加宽加厚,成孔约30h),增加钻头克服软硬不一的能力,成孔过程中以慢磨为主,延长成孔时间,成孔质量较好,垂直度易保证。

为便于切削咬合桩素桩,在钢筋混凝土桩施工时增加钻头顶部钻杆质量,防止钻头摆动;增加扶正钻杆,每4m一道(10m内3m一道)[6];施工过程中对每节钻杆同心度进行校正,采用电子水平尺复核垂直度,每钻进2m调校一次钻杆垂直度。

3.3.3成孔检测

施工过程中采用智能超声成孔质量检测仪检测每根桩的成孔情况(个别扩孔数据显示不明显),钢筋混凝土桩垂直度检测结果统计如下。

1)垂直度≤5‰ 累计320根,占比55.2%。

2)5‰<垂直度≤8‰ 累计254根,占比43.8%。

3)垂直度>8‰ 6根,占比1.0%。

根据桩基成孔检测仪检测结果,钢筋混凝土桩的垂直度基本位于8‰以内(占比99%),采用BIM模型进行分析可知,咬合厚度在最底部19m处最小约6cm,14m处最小约10cm。

3.3.4泥浆外运

洞内空间狭小,要完成钻孔、泥浆与渣土外排、钢筋笼搬运与吊装连接、混凝土灌注等多项作业,需合理安排形成流水施工。泥浆通过小导洞、横通道及竖井外运,在施工竖井内设置泥浆池,在地面设置渣土场,在小导洞及横通道内布置泥浆管和排渣管。每台钻机均需1根泥浆管和排渣管,管径为400mm,每根管路上各设置1台渣浆泵,管路由竖井、横通道及导洞安装至钻机作业面。通过竖井抓斗清理泥浆池内卵石等沉淀物,提升至地面渣土场,泥浆密度等技术指标根据出渣情况适时调整。

3.3.5钢筋笼安装

由于洞内空间受限,钢筋笼在地面分节加工,完成后由竖井吊装至洞内,运输到施工作业面。桩长28.24m,钢筋笼总长24.74m,共计11节,节长为1.5～3m。钢筋笼主筋采用直螺纹套筒连接。

在洞内采用安装架吊装下放钢筋笼,安装架提前进行准确定位,安放平稳,并将其两侧的三角支架用麻绳分别固定在导洞侧墙上,防止倾覆。第1节钢筋笼下放到最后一个环向加强筋处,穿进工字钢,将钢筋笼支撑在导洞底板上,再通过吊装架起吊第2节钢筋笼,使它们在同一竖直轴线上并采用套筒连接好,抽出支撑工字钢后缓慢下放,严禁钢筋笼摆动碰撞孔壁,如此循环,下放至设计标高,校核钢筋笼中心,固定于孔口,完成钢筋笼的安装。

3.4 素桩施工

3.4.1素桩材料配合比

考虑到素桩既要有足够的抗压强度和抗渗效果,又要便于后续钢筋混凝土桩钻进时易于钻凿切割,还不受缓凝时间影响,且垂直度有保证,因此素桩材料的选取需综合多方面因素进行试验。本文提出了一种补偿收缩膨润土砂浆作为地铁暗挖车站内咬合桩素桩材料。

膨润土砂浆是指将水泥、膨润土、水、砂子、外加剂等搅拌而成的浆体浇筑凝结成的混合材料,具有较低的强度和弹性模量,能承受较大的变形,抗裂性能好,是一种新型柔性工程材料。与普通混凝土相比,补偿收缩膨润土砂浆弹性模量低、极限应变大、能适应较大变形、抗渗性能好,便于后续施工的桩钻凿切割[7]。

进一步进行膨润土补偿收缩砂浆配合比研究,针对膨润土砂浆的终凝强度,选择了4种强度等级进行配合比试验,分别为M10,M7.5,M5,M2.5。各原材料的配合比如表1所示。膨润土砂浆试验如图4所示。

表1 膨润土砂浆配合比试验数据Table 1 Bentonite mortar mix ratio test data

图4 膨润土砂浆试验Fig.4 Bentonite mortar test

根据试验报告的相关参数进行比选,选用M7.5膨润土砂浆,并确定现场施工配合比,为提高膨润土砂浆塑性,防止后期与桩共同受力产生裂缝,每m3膨润土砂浆中添加140kg粉煤灰和0.42kg、素纤维[8]和0.84kg减水剂。

3.4.2素桩成桩情况

1)素桩自身完整性

素桩施工完成后,根据设计及规范要求,对素桩桩身完整性等进行检测,采用低应变法检测素桩123根,结果均为Ⅰ类桩。同时,成桩28d后,采用GK-180(移动)型地质钻机(长1 640mm、宽1 030mm、高1 440mm)对素桩进行取芯,并进行试验,得出其强度、抗渗系数等参数,共取芯21根,具体情况如表2所示。编号15的芯体如图5所示,芯体完整。

表2 素桩取芯情况统计Table 2 Statistical of core taking of plain pile

图5 编号15素桩现场取芯情况Fig.5 No. 15 core condition of plain pile site

2)剩余素桩自身完整性

钢筋混凝土桩施工完成后,考虑切削对素桩完整性的影响,对剩余素桩桩身进行取芯,检查完整性情况,共取芯10根桩,其中8根桩芯体完好,2根桩芯体不连续,受钻机切削所致(见图6)。

图6 剩余素桩取芯情况Fig.6 The core condition of residual plain pile

3.5 接缝处理

在切削素桩过程中,由于受到钻头的挤压,一部分泥渣依附在钢筋混凝土桩与素桩接触面,如图7所示,为保证咬合桩施工质量,需对咬合桩接缝处泥皮进行处理,措施如下。

图7 泥皮处理示意Fig.7 Mud treatment

1)在钢筋混凝土桩内安装了2根DN42注浆管,布置在钢筋混凝土桩与素桩咬合交点部位(见图7),与钢筋笼绑扎牢固,随钢筋笼分节下放连接,通过桩侧注浆加强接缝处咬合效果。

2)在钻进钢筋混凝土桩切削素桩时,采用重晶石代替膨润土制备的泥浆,消除咬合接缝处的泥皮。

3.6 超前探测技术

渗漏水的检测及处理一直是行业研究重点,若能提前探测出薄弱点,便于施工质量控制和及时处理补强。本文提出采用钻孔电磁波成像仪检测渗漏点。

1)检测原理 利用磁偶极子天线和电磁波层析成像技术,通过改变两钻孔中收发探头位置获取相应场强,进而反演成像实现两孔间的地质勘探,从而准确定位渗漏点位置。

2)检测方法 预埋与素桩等长的PVC管,30m布置1道,管径100mm,固定于钢筋混凝土桩钢筋笼上并随钢筋笼分节下放。一根作为超声波信号发射孔,一根作为信号接收孔。为了采样数据的稳定性,探头下放过程不采集数据,上提操作时接收数据,发射机及接收机先都下放至桩底位置,然后接收机每间隔1m接收发射机从桩底提升至桩口期间的信号;需通过2次间隔测量消除钢筋的影响,最后由计算机处理分析后检测出渗漏点。渗漏水检测预埋管如图8所示。

图8 咬合桩止水结构渗漏点检测Fig.8 Detection of leakage point of sealing structure of occluding pile

4 咬合桩开挖情况分析

4.1 侵限情况

咬合桩全部实施完成后,车站进行大面积土方开挖,分别对地下1层和地下2层东西侧墙暴露的咬合桩侵限情况进行实测。经统计,地下1层咬合桩垂直度控制较好,只有个别桩位侵限严重,主要在车站的南北两端,侵限最大8cm,东西侧墙咬合桩侵限情况很少,侵限量为1～4cm。地下2层咬合桩垂直度控制稍差,主要是车站的南北两端桩位侵限严重,侵限量为3～8cm,个别桩位侵限量为15cm。东西侧墙咬合桩侵限情况较少,侵限量为3～6cm。

4.2 桩体侵限处理措施

1)桩体倾斜5‰以内或桩体侵入侧墙结构3mm以内,无需进行处理。

2)桩体倾斜5‰～9.5‰或桩体侵入侧墙结构50mm以内,需剔除围护桩保护层。

3)桩体倾斜9.5‰～15‰或桩体侵入侧墙结构108mm以内,需剔除围护桩保护层,切除相邻侧3根主筋,高度为底板以上4.2m。

4)桩体倾斜15‰～20‰或桩体侵入侧墙结构160mm以内,需剔除围护桩保护层,切除相邻侧5根主筋,高度为底板以上6m,桩体背后打设锚杆进行加固处理。

5)桩体倾斜15‰～20‰、连续3根桩及以上或桩体侵入侧墙结构100～160mm,需间隔凿除侵限桩体,对结构进行内凹处理,并对桩后土体打设4m长锚杆进行加固处理,桩间设置2根,竖向间距1 000mm。

4.3 渗漏水情况

车站地下1层开挖期间,侧壁无明显渗漏水现象;地下2层开挖期间,局部出现轻微渗漏水,开挖过程中采用防水砂浆临时封堵,必要时采用静压注浆封堵,不影响基坑整体稳定,并且可随时进行防水、钢筋等下一步工序。若开挖过程中出现渗漏情况,应进行如下处理。

1)微小渗漏 开挖过程中采用防水砂浆临时封堵,必要时注浆封堵。

2)渗漏明显,防水施工困难 注浆封堵处理。

3)渗漏较大,桩间土流失 注浆处理,必要时启动车站周边降水井减压。

5 结语

1)针对暗挖车站空间狭小,采用洞内机械成孔施工咬合桩,无全套管跟进,不需要大型起重机配合施工。同时,为保证垂直度和咬合效果,对钻机和钻杆进行改进,进一步提高了施工效率、降低了施工成本。

2)考虑超缓凝混凝土洞内施工局限性,研究新型膨润土补偿收缩砂浆作为素桩材料,施工时允许素桩凝固,采用对施工工序要求低、配合比较成熟的洞桩施工工艺,适应性较强,有利于咬合桩的推广应用。

3)应用超前探测技术,提前发现薄弱点及时补强处理,针对不同侵限及渗漏水情况提出处理措施,降低开挖施工风险。

虽然洞内咬合桩施工技术成功应用,且开挖未发现明显渗漏点,但洞内咬合桩施工仍然有需要解决的技术难题,例如搭载信息化平台,实时监控渗漏水情况等。