鉆孔咬合樁在天津地鐵基坑圍護結構施工中的應用[摘 要]在天津城區地鐵隧道采用明挖法施工時,當地質條件復雜,不宜于施工水泥攪拌樁止水帷幕時,常采用地下連續墻。本文對鉆孔咬合樁這一圍護結構型式在天津地鐵改、擴建工程中的首次應用進行了詳細介紹,對其在天津地鐵基坑中的應用進行了實際工程監測,并進行了評價分析,認為咬合樁在地鐵施工中有廣闊的應用前景。[關鍵詞]基坑;鉆孔咬合樁;工程監測1前 言 天津目前正在進行大規模地鐵建設,其中在市區部分地段采用了明挖法[1]。由于城市中心地帶建筑物、交通設施稠密,故地鐵工程的基坑開挖只能在支護結構保護下進行垂直開挖。目前地鐵深基坑圍護結構一般采用的形式有鉆孔灌注樁加水泥攪拌樁復合結構,地下連續墻結構和ＳＭＷ工法[2 3]。 相對上述圍護結構,鉆孔咬合樁在天津較少有應用。該方法在國外及國內部分地區,已具備成熟的施工經驗與工法,有很多成功的工程實例。其適用于沿海地區軟弱地層、含水砂層地質情況下的地下工程深基坑圍護結構的施工。它采用的是鋼筋混凝土樁與素混凝土樁切割咬合成排樁的型式,其圍護和止水效果很好,工程造價比地下連續墻和人工挖孔樁要低20%～30%左右。為此,在天津地鐵西南角車站深基坑工程中引入了鉆孔咬合樁工法。2工程概況 天津地鐵1號線既有線改、擴建工程西南角站,位于四馬路、南開三馬路與黃河道、南馬路交口處,呈南北走向。本車站將既有結構全部拆除,按照新的建筑平面重新構筑新結構。改建段結構全長244.349ｍ。2.1 工程地質與水文地質 改建段區間位于第四系全新統人工填土層(Ｑｍｌ)、新近沉積層(Ｑ43Ｎ ｓｉ)、第Ⅰ陸相層(Ｑ4 3ａ1)、第Ⅰ海相層(Ｑ2 4ｍ)中,巖性以雜填土、粉質粘土、粉土為主,土質松軟,多呈可塑～流塑狀,屬中～高壓縮性土。場地地下水類型為孔隙潛水,儲存于第四系粘性土、粉土及砂類土中,地下水埋深0.8～4ｍ,水位變幅1～2ｍ。2.2設計情況 該車站主體為地下一層多跨矩形框架結構,采用明挖順作法施工。原設計方案基坑圍護結構采用鉆孔灌注樁加水泥攪拌樁止水帷幕,坑內設鋼支撐系統。但由于本工程基坑開挖較深,達到了10ｍ,且其中一段基坑與一棟高層建筑———金禧大酒店距離僅6ｍ,而且由于開挖處雜填土中埋有原地鐵修建時拋棄的建筑垃圾,有很多如鋼筋、廢木料、模板等各種雜填物,情況非常復雜,經現場試驗后發現一般鉆孔灌注樁成樁較困難;此外,本段地下水埋藏較淺且豐富,樁孔易發生坍塌變形。鉆孔咬合樁由于采用了全鋼套管護壁,能有效地防止孔內流砂、涌砂現象的產生,并且通過現場實時監測其成孔精度即可得到有效控制,其“一葷(指鋼筋混凝土樁)”、“一素(指素凝土樁)”相互咬合排列,擋土和止水效果極佳,經濟性好。最后經多方面因素綜合考慮,本工程決定采用咬合樁這一新型圍護結構型式。3 鉆孔咬合樁施工技術3.1工藝原理 鉆孔咬合樁的排列方式為一根素混凝土樁(Ａ樁)與一根鋼筋混凝土樁(Ｂ樁)間隔布置。Ａ樁采用緩凝型混凝土,Ｂ樁采用普通混凝土,先施工Ａ樁,后施工Ｂ樁。天津地鐵西南角站鉆孔咬合樁采用的是全護筒沖弧法,即在兩側Ａ樁成樁后利用護筒鉆機的下壓切割能力,在切割掉Ａ樁部分混凝土的同時使Ｂ樁成樁。最后效果是使Ｂ樁嵌入兩側Ａ樁一部分,形狀類似于相互咬合,故形象的稱為咬合樁(如圖1)。3.2 工藝流程3.2.1 導墻施工 為了保證鉆孔咬合樁孔口定位的精度并提高樁體就位效率,應在咬合樁成樁前首先在樁頂部兩側施作混凝土導墻或鋼筋混凝土導墻(見圖1)。
3.2.2 單根咬合樁施工工藝流程 (1)護筒鉆機就位 當定位導墻有足夠的強度后,用吊車移動鉆機就位,并使主機抱管器中心對應定位于導墻孔位中心; (2)單樁成孔 其步驟為隨著第1節護筒的壓入(深度為1.5～2.5ｍ),沖弧斗隨著從護筒內取土,一邊抓土一邊繼續下壓護筒,待第1節全部壓入后(一般地面上留1～2ｍ,以便于接筒)檢測垂直度,合格后,接第2節護筒,如此循環至壓到設計樁底標高; (3)吊放鋼筋籠 對于Ｂ樁,成孔檢查合格后進行安放鋼筋籠工作,此時應保證鋼筋籠標高正確; (4)灌注混凝土 如孔內有水,需采用水下混凝土灌注法施工;如孔內無水,則采用干孔灌注法施工并注意振搗; (5)拔筒成樁 一邊澆注混凝土一邊拔護筒,應注意保持護筒底低于混凝土面≥2.5ｍ。3.2.3 排樁施工工藝流程 流程:Ａ1→Ａ2→Ｂ1→Ａ3→Ｂ2→Ａ4→Ｂ3……,如圖2所示。3.3 控制措施 (1)成孔精度控制 為控制咬合樁的成孔精度達到《地下鐵道工程施工及驗收規范》[4]要求,采用成孔精度全過程控制的措施。本工程采用的是在成樁機具上懸掛兩個線柱控制南北、東西向護筒外壁垂直度并用兩臺測斜儀進行孔內垂直度檢查。發現有偏差時及時進行糾偏調整。 (2)Ａ樁混凝土緩凝時間的確定 在測定出單樁成樁所需時間ｔ后,可根據下式計算Ａ樁混凝土緩凝時間ＴＴ=3ｔ+Ｋ 其中,Ｋ為儲備時間,一般取1.5ｔ。3.4施工問題與解決方案 (1)防止管涌措施 在Ｂ樁成孔過程中,由于Ａ樁混凝土未完全凝固,還處于流動狀態,因此其有可能從Ａ、Ｂ樁相交處涌入Ｂ樁孔內,形成“管涌”。克服措施有:①控制Ａ樁坍落度<14ｃｍ;②護筒應超前孔底至少1 5ｍ;③實時觀察Ａ樁混凝土頂面是否下陷,若發現下陷應立即停止Ｂ樁開挖,并一邊將護筒盡量下壓,一邊向Ｂ樁內填土或注水(平衡Ａ樁混凝土壓力),直至制止住“管涌”為止。 (2)遇地下障礙物處理方法 由于咬合樁采用的是鋼護筒,所以可吊放作業人員下孔內清除障礙物。 (3)克服鋼筋籠上浮方法 在向上拔出護筒時,有可能帶起放好的鋼筋籠。預防措施可選擇減小Ｂ樁混凝土骨料粒徑或者可在鋼筋籠底部焊上一塊比其自身略小的薄鋼板以增加其抗浮能力。4 工程實踐效果與分析在對各種圍護結構型式比選后,最終在天津西南角地鐵車站基坑工程中選擇了鉆孔咬合樁這一新工法。施工中,在靠近金禧大酒店一側的基坑采用φ1200咬合樁,其余基坑段采用φ1000咬合樁,樁間咬合200ｍｍ,樁長為19.2ｍ。由于咬合樁這一圍護型式首次在天津地鐵工程中使用,而且基坑工程又是整個項目的重要工程,因此非常有必要在基坑開挖過程中跟蹤施工進程,對樁體側移、坑周地面沉陷和地層位移、附近建筑物、地下管網等變形及受力情況進行監測[5],用取得的監測數據,與預測值或計算值相比較并進行分析,能可靠的反映工程施工所造成的影響,能較準確地以量的形式反映這種影響的程度,也可以對咬合樁的適用性進行客觀、準確的評價。4.1監測方案 圖3為基坑監測布點平面布置示意圖。 監測設備包括:高精度水準儀,經緯儀和測斜儀。根據施工設計,在基坑開挖和主體結構施工期間,主要進行了變位、沉降、咬合樁變位和地下管線位移監測,監測對象及相應使用的儀器見表1。4.2數據分析 從2003年8月初開始監測,到2004年2月底結束,前后共計七個月的時間。在基坑開挖期間,工程中沒有出現險情和事故,咬合樁防滲效果很好,各項監測數據也比較平穩,現對下面幾個監測內容得到的監測數據進行分析說明。 圖4和圖5表示的是該基坑圍護結構中的兩處咬合樁的側移曲線,分別為186號和52號(其具體位置見圖3)。 由監測數據結果所繪出的樁體側向變形曲線圖可以看出,咬合樁圍護結構樁體的最大側向變形一般均發生在基坑開挖面以上靠近坑底的部位[6]。比較186號樁與52號樁的側移曲線,可明顯看到52號樁的樁頂水平位移和樁體最大側移均比186號樁要大很多。分析其原因,在圖3中可以看出,186號樁位于一號線靠近金禧大酒店一側的基坑邊,由前述其樁徑為1200ｍｍ,而52號樁樁徑為1000ｍｍ。由于圍護樁的樁徑增大,所以其抗彎剛度勢必會相應提高,在基坑內支撐型式相同的情況下,則樁身各部側向變形量相應的會變小。52號樁樁頂最大側移達到了8.5ｍｍ,遠大于186號樁的2ｍｍ。分析原因是由于基坑開挖時第1道支撐加撐不及時,導致開挖后樁體懸臂狀態暴露時間過長所致。綜合這兩個樁體位置與其他測點樁體側移數據來看,絕大部分樁體變形值均滿足要求,最大變形值11.9ｍｍ,小于設計要求的灌注樁、地連墻等圍護結構水平側移限值14ｍｍ。圖6為基坑外地面沉降隨時間變化曲線。測量從基坑開挖時開始,第1個觀測點(52-1)位于52號咬合樁樁頭,第2個測點(52-2)與第一個測點相距5ｍ,第3個測點(52-3)與第2個測點相距10ｍ(見圖3)。從圖6中可以看出,在開始測量時地面已經存在微小的沉降。由于場地地下水位埋深較淺(0.8～4ｍ),為了防止基坑開挖時坑內外水位差較大而引起的流砂、管涌等滲透破壞現象,本工程采取的是基坑外井點降水措施。所以可以認定,初始的微小地面沉降是由于基坑開挖前坑外降水引起的。地表沉降會隨著施工過程時間的增大而加大,最大沉降發生在52-2測點處,其次是樁頭測點52-3,而距離基坑最遠的52-1點沉降值已非常小了,說明此位置處地面沉降受基坑開挖影響已很小。 圖7為一號線基坑開挖需重點保護的周圍高層建筑物金禧大酒店的沉降隨時間變化曲線。 從圖7中看出,建筑物在坑外降水時即有一定的沉降,但沉降值很小。而出現沉降最快的時候,正是基坑從開挖至開挖到底這段時間內。而后,這些測點雖然繼續下沉,但下沉的速率明顯變緩,最大沉降值僅為3.5ｍｍ。綜合基坑周圍其他幾幢建筑物的沉降值及地下管線的變形情況來看,最大沉降量在15ｍｍ以內,完全滿足了規范[7]限定對主基坑周圍建筑物和管線的沉降限值20ｍｍ的要求。4.3 鉆孔咬合樁新工藝的評價分析 從天津地鐵一號線西南角站基坑工程采用鉆孔咬合樁這一新型圍護結構型式的實際施工過程和效果看出,鉆孔咬合樁相比較其他幾種常用的圍護型式有其自身很大的優勢: (1)咬合樁采用的是全護筒沖弧法,能夠克服不良地質條件下灌注樁成樁困難的問題; (2)咬合樁采用鋼護筒,不像灌注樁用的是泥漿護壁,可以大大減小泥漿四溢對周圍環境的影響; (3)咬合樁垂直度比灌注樁好,不會塌孔,下挖過程中如遇到土體內有雜物影響時可以直接下去作業人員對雜物進行清理; (4)從經濟角度,咬合樁比地鐵隧道基坑常用的地下連續墻結構要省20%～30%的經費,經濟性好。 同時在本次工程的施工過程中也總結出了一些鉆孔咬合樁施工的改進方法,如咬合樁導墻若采用預制結構而代替現澆結構,不僅可以更加方便施工,而且經濟性更好等等。5 結 論 (1)在本文所涉及的工程地質條件復雜的情況下進行地鐵隧道施工,基坑開挖圍護結構采用鉆孔咬合樁這種新的圍護結構型式,達到了預期的目的; (2)在基坑工程中,只要圍護結構的擋土和止水效果好,并及時架設支撐,基坑開挖時對周圍環境不會造成太大的影響,完全可以保證緊鄰高層建筑物的沉降變形滿足要求; (3)基坑外地表沉降會隨著施工過程時間的增長而加大,通過對本工程后續觀測的結果來看,后期的沉降將持續半年左右才逐漸趨于穩定; (4)鉆孔咬合樁圍護結構型式,當條件適當時,可應用在城市地鐵施工中,一定會取得可觀的社會效益和經濟效益,將會有廣闊的應用前景。[參考文獻][1]施仲衡.地下鐵道設計與施工[Ｍ].西安:陜西科學技術出版社,1997.[2]劉建航,侯學淵.基坑工程手冊[Ｍ].北京:中國建筑工業出版社,1997.[3]鄭剛侯樹民,等.天津地鐵改造中車站箱體位移控制研究[Ｊ].巖土力學,2002,23(6):733 737.[4]國家標準,ＧＢ50299—1999,地下鐵道工程施工及驗收規范[Ｓ].[5]賈利亨,趙明好,丁文兵.地鐵車站大跨度深基坑支護技術的研究與應用[Ｊ],隧道建設,2003,23(3):7 15.[6]劉建航.上海地鐵施工與鄰近建筑施工的環境保護要求[Ａ].中國土木工程年會八屆論文集[Ｃ].清華大學出版社,2002.[7]國家標準,ＪＧＪ120 99,建筑基坑支護技術規范[Ｓ].
3.2.2 單根咬合樁施工工藝流程 (1)護筒鉆機就位 當定位導墻有足夠的強度后,用吊車移動鉆機就位,并使主機抱管器中心對應定位于導墻孔位中心; (2)單樁成孔 其步驟為隨著第1節護筒的壓入(深度為1.5～2.5ｍ),沖弧斗隨著從護筒內取土,一邊抓土一邊繼續下壓護筒,待第1節全部壓入后(一般地面上留1～2ｍ,以便于接筒)檢測垂直度,合格后,接第2節護筒,如此循環至壓到設計樁底標高; (3)吊放鋼筋籠 對于Ｂ樁,成孔檢查合格后進行安放鋼筋籠工作,此時應保證鋼筋籠標高正確; (4)灌注混凝土 如孔內有水,需采用水下混凝土灌注法施工;如孔內無水,則采用干孔灌注法施工并注意振搗; (5)拔筒成樁 一邊澆注混凝土一邊拔護筒,應注意保持護筒底低于混凝土面≥2.5ｍ。3.2.3 排樁施工工藝流程 流程:Ａ1→Ａ2→Ｂ1→Ａ3→Ｂ2→Ａ4→Ｂ3……,如圖2所示。3.3 控制措施 (1)成孔精度控制 為控制咬合樁的成孔精度達到《地下鐵道工程施工及驗收規范》[4]要求,采用成孔精度全過程控制的措施。本工程采用的是在成樁機具上懸掛兩個線柱控制南北、東西向護筒外壁垂直度并用兩臺測斜儀進行孔內垂直度檢查。發現有偏差時及時進行糾偏調整。 (2)Ａ樁混凝土緩凝時間的確定 在測定出單樁成樁所需時間ｔ后,可根據下式計算Ａ樁混凝土緩凝時間ＴＴ=3ｔ+Ｋ 其中,Ｋ為儲備時間,一般取1.5ｔ。3.4施工問題與解決方案 (1)防止管涌措施 在Ｂ樁成孔過程中,由于Ａ樁混凝土未完全凝固,還處于流動狀態,因此其有可能從Ａ、Ｂ樁相交處涌入Ｂ樁孔內,形成“管涌”。克服措施有:①控制Ａ樁坍落度<14ｃｍ;②護筒應超前孔底至少1 5ｍ;③實時觀察Ａ樁混凝土頂面是否下陷,若發現下陷應立即停止Ｂ樁開挖,并一邊將護筒盡量下壓,一邊向Ｂ樁內填土或注水(平衡Ａ樁混凝土壓力),直至制止住“管涌”為止。 (2)遇地下障礙物處理方法 由于咬合樁采用的是鋼護筒,所以可吊放作業人員下孔內清除障礙物。 (3)克服鋼筋籠上浮方法 在向上拔出護筒時,有可能帶起放好的鋼筋籠。預防措施可選擇減小Ｂ樁混凝土骨料粒徑或者可在鋼筋籠底部焊上一塊比其自身略小的薄鋼板以增加其抗浮能力。4 工程實踐效果與分析在對各種圍護結構型式比選后,最終在天津西南角地鐵車站基坑工程中選擇了鉆孔咬合樁這一新工法。施工中,在靠近金禧大酒店一側的基坑采用φ1200咬合樁,其余基坑段采用φ1000咬合樁,樁間咬合200ｍｍ,樁長為19.2ｍ。由于咬合樁這一圍護型式首次在天津地鐵工程中使用,而且基坑工程又是整個項目的重要工程,因此非常有必要在基坑開挖過程中跟蹤施工進程,對樁體側移、坑周地面沉陷和地層位移、附近建筑物、地下管網等變形及受力情況進行監測[5],用取得的監測數據,與預測值或計算值相比較并進行分析,能可靠的反映工程施工所造成的影響,能較準確地以量的形式反映這種影響的程度,也可以對咬合樁的適用性進行客觀、準確的評價。4.1監測方案 圖3為基坑監測布點平面布置示意圖。 監測設備包括:高精度水準儀,經緯儀和測斜儀。根據施工設計,在基坑開挖和主體結構施工期間,主要進行了變位、沉降、咬合樁變位和地下管線位移監測,監測對象及相應使用的儀器見表1。4.2數據分析 從2003年8月初開始監測,到2004年2月底結束,前后共計七個月的時間。在基坑開挖期間,工程中沒有出現險情和事故,咬合樁防滲效果很好,各項監測數據也比較平穩,現對下面幾個監測內容得到的監測數據進行分析說明。 圖4和圖5表示的是該基坑圍護結構中的兩處咬合樁的側移曲線,分別為186號和52號(其具體位置見圖3)。 由監測數據結果所繪出的樁體側向變形曲線圖可以看出,咬合樁圍護結構樁體的最大側向變形一般均發生在基坑開挖面以上靠近坑底的部位[6]。比較186號樁與52號樁的側移曲線,可明顯看到52號樁的樁頂水平位移和樁體最大側移均比186號樁要大很多。分析其原因,在圖3中可以看出,186號樁位于一號線靠近金禧大酒店一側的基坑邊,由前述其樁徑為1200ｍｍ,而52號樁樁徑為1000ｍｍ。由于圍護樁的樁徑增大,所以其抗彎剛度勢必會相應提高,在基坑內支撐型式相同的情況下,則樁身各部側向變形量相應的會變小。52號樁樁頂最大側移達到了8.5ｍｍ,遠大于186號樁的2ｍｍ。分析原因是由于基坑開挖時第1道支撐加撐不及時,導致開挖后樁體懸臂狀態暴露時間過長所致。綜合這兩個樁體位置與其他測點樁體側移數據來看,絕大部分樁體變形值均滿足要求,最大變形值11.9ｍｍ,小于設計要求的灌注樁、地連墻等圍護結構水平側移限值14ｍｍ。圖6為基坑外地面沉降隨時間變化曲線。測量從基坑開挖時開始,第1個觀測點(52-1)位于52號咬合樁樁頭,第2個測點(52-2)與第一個測點相距5ｍ,第3個測點(52-3)與第2個測點相距10ｍ(見圖3)。從圖6中可以看出,在開始測量時地面已經存在微小的沉降。由于場地地下水位埋深較淺(0.8～4ｍ),為了防止基坑開挖時坑內外水位差較大而引起的流砂、管涌等滲透破壞現象,本工程采取的是基坑外井點降水措施。所以可以認定,初始的微小地面沉降是由于基坑開挖前坑外降水引起的。地表沉降會隨著施工過程時間的增大而加大,最大沉降發生在52-2測點處,其次是樁頭測點52-3,而距離基坑最遠的52-1點沉降值已非常小了,說明此位置處地面沉降受基坑開挖影響已很小。 圖7為一號線基坑開挖需重點保護的周圍高層建筑物金禧大酒店的沉降隨時間變化曲線。 從圖7中看出,建筑物在坑外降水時即有一定的沉降,但沉降值很小。而出現沉降最快的時候,正是基坑從開挖至開挖到底這段時間內。而后,這些測點雖然繼續下沉,但下沉的速率明顯變緩,最大沉降值僅為3.5ｍｍ。綜合基坑周圍其他幾幢建筑物的沉降值及地下管線的變形情況來看,最大沉降量在15ｍｍ以內,完全滿足了規范[7]限定對主基坑周圍建筑物和管線的沉降限值20ｍｍ的要求。4.3 鉆孔咬合樁新工藝的評價分析 從天津地鐵一號線西南角站基坑工程采用鉆孔咬合樁這一新型圍護結構型式的實際施工過程和效果看出,鉆孔咬合樁相比較其他幾種常用的圍護型式有其自身很大的優勢: (1)咬合樁采用的是全護筒沖弧法,能夠克服不良地質條件下灌注樁成樁困難的問題; (2)咬合樁采用鋼護筒,不像灌注樁用的是泥漿護壁,可以大大減小泥漿四溢對周圍環境的影響; (3)咬合樁垂直度比灌注樁好,不會塌孔,下挖過程中如遇到土體內有雜物影響時可以直接下去作業人員對雜物進行清理; (4)從經濟角度,咬合樁比地鐵隧道基坑常用的地下連續墻結構要省20%～30%的經費,經濟性好。 同時在本次工程的施工過程中也總結出了一些鉆孔咬合樁施工的改進方法,如咬合樁導墻若采用預制結構而代替現澆結構,不僅可以更加方便施工,而且經濟性更好等等。5 結 論 (1)在本文所涉及的工程地質條件復雜的情況下進行地鐵隧道施工,基坑開挖圍護結構采用鉆孔咬合樁這種新的圍護結構型式,達到了預期的目的; (2)在基坑工程中,只要圍護結構的擋土和止水效果好,并及時架設支撐,基坑開挖時對周圍環境不會造成太大的影響,完全可以保證緊鄰高層建筑物的沉降變形滿足要求; (3)基坑外地表沉降會隨著施工過程時間的增長而加大,通過對本工程后續觀測的結果來看,后期的沉降將持續半年左右才逐漸趨于穩定; (4)鉆孔咬合樁圍護結構型式,當條件適當時,可應用在城市地鐵施工中,一定會取得可觀的社會效益和經濟效益,將會有廣闊的應用前景。[參考文獻][1]施仲衡.地下鐵道設計與施工[Ｍ].西安:陜西科學技術出版社,1997.[2]劉建航,侯學淵.基坑工程手冊[Ｍ].北京:中國建筑工業出版社,1997.[3]鄭剛侯樹民,等.天津地鐵改造中車站箱體位移控制研究[Ｊ].巖土力學,2002,23(6):733 737.[4]國家標準,ＧＢ50299—1999,地下鐵道工程施工及驗收規范[Ｓ].[5]賈利亨,趙明好,丁文兵.地鐵車站大跨度深基坑支護技術的研究與應用[Ｊ],隧道建設,2003,23(3):7 15.[6]劉建航.上海地鐵施工與鄰近建筑施工的環境保護要求[Ａ].中國土木工程年會八屆論文集[Ｃ].清華大學出版社,2002.[7]國家標準,ＪＧＪ120 99,建筑基坑支護技術規范[Ｓ].
