蘇州地鐵車站咬合樁圍護結構的關鍵施工控制技術

張明童,陳學軍,張秀勇

(1.河海大學巖土工程研究所,江蘇 南京 210098;2.南京祿口國際機場二期工程建設指揮部,江蘇 南京 211100;3.南京水利科學研究院,江蘇 南京 210029)

0 引 言

咬合樁作為一種新型支護結構施工工法,具有防滲能力強、無需泥漿護壁、擴孔(充盈)系數小、配筋率低、止水效果好、工程造價低等優點,在國外城市的地鐵建設中得到了很多成功的應用[1-3]。但在國內的應用才剛剛起步,地下工程圍護結構中屬于新技術、新工法、新工藝。1999年深圳地鐵一期工程會展中心站至購物公園站區間隧道明挖段的基坑支護設計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中得到了成功應用[4-8],并在施工工藝和技術方面積累了一些經驗,但鑒于巖土工程的地域性差別較大,該工法還不能在全國范圍內直接推廣應用。

蘇州地鐵一號線南施街站咬合樁支護結構是該工法在蘇州地區的首次應用,承載著探索蘇州軟土地基咬合樁設計和施工經驗的任務。本文結合南施街站咬合樁的成功施工經驗,分析該工法在蘇州軟土地區施工過程中的關鍵控制技術。

1 工程概況

1.1 工程介紹

蘇州地鐵一號線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,長約122.0 m,寬約18.7 m的雙層臺島式車站,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。

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

車站主體圍護結構采用φ 1000@800鉆孔咬合樁,分三種樁型:A型咬合樁,應用于端頭井深部,樁長31.2 m;B型咬合樁,用于標準段,樁長27.2 m;C型咬合樁,應用于端頭井淺部,樁長28.2 m,以上三種樁型均采用“葷素”搭配。拐角等關鍵部位選用旋噴樁作止水帷幕。圍護樁在使用期間通過壓頂梁(樁頂冠梁)參與車站抗浮?；迂Q向設置一道800mm×700mm的鋼筋混凝土支撐以及三道Ф 609×16鋼支撐,車站標準段基坑埋深15.5 m,端頭盾構井基坑埋深17.0 m。

1.2 工程地質和水文地質條件

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

該區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,歷年最高潛水位標高2.63 m、最低潛水位標高0.21 m。微承壓含水層由晚更新統沉積成因的土層組成,主要為③2粉土夾粉質黏土、④1粉土,埋深通常為4.6 m～10.0 m。該含水層的補給來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,深承壓水頭標高-6.68 m。承壓水對本工程施工及運營影響不大。

基坑底板主要位于⑤粉質黏土層,該土層局部夾淤泥質粉質黏土及薄層狀粉土和可塑性的粉質黏土,以軟塑～流塑為主,強度低、變形大,以該土層作為持力層,地基承載力標準值為70 kPa～90 kPa。底板所在土層水平滲透系數為7.1×10-6cm/s,垂直滲透系數為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擋土并具備防滲作用的基坑圍護結構[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。施工順序為A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,利用套管樁機的切割能力切割掉相鄰A樁相交部分的混凝土,實現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 施工設備

南施街咬合樁主要施工設備為液壓搖頭式套管樁機MZ1000,該樁機有兩個液壓卡盤,上卡盤可升降轉動,能旋轉、提升及下壓套管,在成孔時發揮磨進作用,成樁時起提升套管的作用。施工中還配套使用履帶吊機,其行走機構與套管樁機相互連接成為整體,可整體行走、定位、移動,履帶吊機在成孔時提降抓斗,抓出套管內土方,成樁時吊裝鋼筋龍、提升導管。

2.3 施工工藝流程

目前國內還沒有關于咬合樁的統一施工技術標準,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結構的現場施工流程如圖2所示,其施工質量控制措施見圖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

蘇州地鐵一號線南施街站所處的南施街與翠園路兩側的地下管線十分密集,在南施街站圍護結構咬合樁施工期間,因相應管線沒有完成遷改,造成了砂樁現象的出現。為進行補救,在完成管線改移后,采取二次成孔的方式進行施工,并在砂樁冷縫外側施工旋噴樁止水。

南施街站主體圍護結構共施工449根咬合樁,在施工過程中發現有四處砂樁冷縫處出現滲漏,施工單位及時采用雙快水泥或堵漏王進行封堵注漿處理,同時用水泥-水玻璃雙液漿進行注漿。經處理后滲漏問題得到了有效地控制。

2008年10月8日南施街站基坑土方開始進行開挖,2008年11月9日第一段結構底板澆筑,2009年7月15日主體結構施工全部完成。除上述因管線影響未連續施工所引起的滲漏外,整個施工過程中未發生一起安全事故,基坑施工一直處于安全受控狀態,基坑開挖后可見咬合樁咬合充分,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)。從本工程的實際效果看,咬合樁在南施街站基坑工程中的應用是非常成功的,咬合樁作為基坑圍護結構,適合于蘇州軟土高地下水位地質條件。

3 咬合樁的關鍵施工控制技術

咬合樁具有施工噪音低、無泥漿污染、造價低、止水效果好等優點,但對施工精度、工藝和混凝土配比等均有嚴格要求,對施工人員的要求也相應較高。結合南施街站成功施工的實例,分析咬合樁在軟土地區施工過程中的關鍵控制技術[7]。

3.1 咬合樁樁位控制技術

孔口定位偏差控制一般是利用定位導墻精確安放第一節套管來控制孔口成孔精度,導墻上定位孔的直徑一般比樁徑大20mm～40mm。樁機就位后,將第一節套管插入定位孔并檢查調整,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,除對其孔口定位誤差嚴格控制外,成孔過程中需要對套管的順直度和樁的垂直度進行監測和檢查,套管順直度偏差一般控制在0.1%～0.2%。如發現垂直度偏差過大,必須及時進行糾偏,糾偏的具體措施見文獻[8]。

3.2 超緩凝混凝土的緩凝時間控制

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時間在60 h以上,由于該混凝土比一般緩凝混凝土凝結時間還長兩倍以上,故將其稱為超緩凝混凝土。本工程中配制和生產該混凝土的關鍵,一要確保素樁混凝土緩凝時間不小于60 h;二要求混凝土坍落度為16±2cm;三要求混凝土各齡期強度須滿足設計施工需要。即先施工樁的樁身混凝土凝結時間要長,混凝土的3 d強度不大于3MPa,以保證能被后施工樁的鉆機套管下沉時切割,同時混凝土的28 d強度能達到設計強度等級[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,通過試驗確定的配合比如表1所示。

表1 咬合樁超緩凝混凝土配合比

3.3 樁內“混凝土管涌”的控制技術

在B樁切割兩側A樁成孔過程中,由于A樁混凝土尚未凝固,還處于流塑狀態,因此A樁混凝土可能從A、B樁相交處涌入B樁孔內,稱為“混凝土管涌”。南施街站施工過程中出現過輕微涌砂現象,及時采取了以下措施防止了“混凝土管涌”的再次發生:

(1)控制A樁混凝土的坍落度,不宜超過18cm,以便于降低混凝土的流動性;

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

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

(4)B樁成孔過程中應注意觀察相鄰兩側A樁混凝土頂面,如發現A樁混凝土下陷應立即停止B樁開挖,并一邊將B樁套管盡量下壓,一邊向B樁內填土或注水,直到完全制止住“管涌”為止。

3.4 “拔樁”的控制技術

根據南施街站現場施工情況,主要采取了如下預防措施:

(1)嚴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間的前提下,不得拖延每次灌注的間隔時間;

(2)混凝土初灌后,即開始提拔外套管,且在灌注過程中隨著灌注混凝土頂面的提高,連續提拔外套管,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確保精確,在轉運、吊裝過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,或在鋼筋籠底部設置抗浮塊,且與鋼筋籠連接可靠。

3.5 分段施工節點連接的控制技術

節點連接一般采用砂樁過渡的方法,即在先施工樁的端頭設置一個砂樁(成孔后用砂灌滿,見圖4)用以在相鄰的A樁預留出咬合口,待后施工段到此節點時在砂樁樁位重新成孔挖出砂并灌上混凝土即可。

圖4 分段施工接頭預設砂樁示意圖

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)平移樁位單側咬合。B1樁切割咬合施工時,A1樁的混凝土已經凝固,使鉆機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,使鉆機單側切割A2樁,并在A1與B1樁外側另增加一根旋噴樁作為防水處理。

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

(3)預留咬合企口。在B1樁成孔施工中發現A1樁混凝土已有早凝傾向但還未完全凝固時,如繼續按正常順序施工則會更多的造成事故樁,應及時在A1樁右側施工一砂樁以預留出咬合企口,待調整完成后再繼續后面樁的施工。

(4)用后壓漿技術、旋噴補強技術等方法處理咬合樁之間的其它缺陷。

4 咬合樁的監測變形分析

本基坑施工中監測內容設有圍護結構水平位移、支撐軸力、地表和周圍建筑物沉降等,其中最具有直接檢驗效果的是圍護結構的側向位移,南施街站主體基坑每40 m左右至少有一組測斜孔的監測點,共布設14個測斜孔,本文選取車站基坑標準段中部測斜孔CX4的側向位移監測數據進行分析,根據基坑標準段在9種施工工況下CX4孔的側向位移監測數據進行整理,圖5給出了CX4點處咬合樁樁體水平側向位移隨工況的發展情況,圖中“位移差”代表相鄰兩種工況下圍護結構側向位移的變化量,位移差越大表示在兩種工況施工期間施工風險越大。

圖5 咬合樁的水平側向位移隨施工進度的變化

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

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

(3)圖5(c)為設置第二道鋼支撐并施加預加軸力后咬合樁的水平側向位移。

(4)圖5(d)為開挖深度至10 m時咬合樁的水平側向位移。從圖中可以看出,隨著開挖深度增加,咬合樁最大水平側向位移迅速增大到10mm,樁體位移形態開始表現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的變形形態。

(5)圖5(e)為設置第三道鋼支撐并施加預加軸力后咬合樁的水平側向位移。

(6)圖5(f)為開挖深度至12 m時咬合樁的水平側向位移。從圖中可以看出,基坑向下開挖3 m,咬合樁的水平側向位移僅僅增加了1mm,這是因為基坑開挖到相對較硬的土層,在一定程度上限制了樁體水平側向位移的發展。

(7)圖5(g)為設置第三道鋼支撐并施加預加軸力后咬合樁的水平側向位移。

(8)圖5(h)為開挖深度至14 m時咬合樁的水平側向位移。從圖中可以看出,隨著基坑開挖到基底位置,咬合樁最大水平側向位移迅速增大到28mm,此時是基坑開挖的最危險階段,應避免坑底暴露時間過長,以免引起坑底隆起量和樁體水平側向位移過大,造成安全隱患。

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

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

5 結 語

(1)南施街站的工程實踐證明:咬合樁圍護結構適用于蘇州地區軟土高地下水位地層。

(2)不同施工工況下的測斜監測數據分析表明:圍護墻體兩端變形小、中間變形大,最大側移點深度隨著開挖不斷下移,且最大側向位移監測值始終在警戒值范圍內,施工一直處于安全受控狀態。另外,深基坑首道支撐采用混凝土支撐,對保證基坑開挖安全,有效防止圍護樁墻內外位移起到了重要作用。

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