基于自反壓鋼護筒護壁人工挖孔樁施工技術研究及應用

尹文綱

（中鐵三局集團有限公司，山西 太原 030001）

1 概述

隨著城市基礎設施建設規模的擴大，許多城市新建道路與既有鐵路出現立體交叉，橋涵頂進施工的方法被用于解決這個難題。人工挖孔樁具有操作空間要求小、施工工藝簡單、施工速度快、造價低、高承載力等特點，在建筑樁基、地下工程圍護結構、邊坡圍護、橋涵頂進架空體系施工過程中被大量應用，而且許多工程都證明了該技術的可靠性和實用性[1-5]。在富水砂層地質條件下人工挖孔樁的施工過程中，容易出現塌孔、涌砂，甚至導致周邊建筑物坍塌等問題。鑒于此，常用的解決方法主要有局部加固護壁法、注漿管壓漿護壁挖孔法、冷凍法、井點降水、帷幕注漿止水，以減小開挖深度，縮短鋼筋網麻袋護壁或者鋼護筒護壁等。同時，在鋼護筒護壁的施工過程中，常采用靜壓或機械方法將鋼護筒壓入指定的深度[6-11]。這些解決方法多數是在作業場地寬廣、機械設備施工方便、周邊允許降水施工等客觀條件的基礎上使用的。在一些特殊工況條件下，比如在橋涵頂進多條既有鐵路運營線施工中，由于周邊環境要求，不允許進行降水施工，采用既有常規的人工挖孔樁施工技術往往不能滿足現場的實際需求。如何解決類似條件下人工挖孔樁的施工難題，確保人工挖孔樁及周邊建（構）筑物的安全，成為施工中需要解決的新問題。本文是基于該問題開展研究和相關技術應用闡述的。

2 工程背景

內蒙古自治區包頭市東河區工業園區東路為在建城市主干道，規劃工業園區東路天然氣管道護涵，污水管護涵，工業區東路道路立交箱形橋、供熱管道護涵（箱形橋）、雨水管護涵（圓涵）自北向南垂直下穿既有京包雙線和集包雙線鐵路，采用頂進法施工，圖1為集包線D型便梁架空加固人工挖孔平面布置圖。集包鐵路路基采用碎石樁加固處理，顆粒機配比較好。在下穿既有集包鐵路頂進施工中，線路架空加固體系采用人工挖孔樁作為D型便梁支點樁，集包線兩側和雙線之間支點樁采用φ1.25 m、樁長11 m人工挖孔樁，頂部采用冠梁連接。該施工屬于臨近既有線施工，區域距離黃河3 km，地下水位線比較高。為了確保線路安全，在施工過程中不允許降水。場地內地層分別為人工填土、粉砂、粉土和粉砂。地下水為第四系孔隙潛水，勘探期間地下水穩定水位2.9～3.0 m，變幅一般為2～4 m，地下水具有水位高、易補充的特點。

3 問題的提出及原因分析

為了保證既有線線路的行車安全，在人工挖孔樁正式施工前，選取線路兩側樁基進行試樁。當樁身上部通過既有碎石樁處理路基段，施工進展順利。當樁身處于既有路基以下時，開挖過程中出現涌水、涌砂的情況，導致鋼筋混凝土預制管節下沉困難，現澆鋼筋混凝土護壁成形難度大。人工挖孔樁8～10 m位置出現滲水，10～12 m有集中涌水點、反砂，人工挖孔無法成孔，開挖過程中極易坍塌且成孔比較難，安全隱患大。圖2為人工挖孔樁塌孔及回填處理情況。

經過分析，明確出現上述問題的主要原因，具體包括以下幾點：①地質條件復雜。人工挖孔樁所處地質為粉砂、粉土層，其中，2.9 m以下含飽和水粉砂地層，局部夾薄層粉質黏土，厚度2.5～11.0 m為主，地質條件非常復雜，不利于成孔。②不允許降水施工。該區域地下水水位高，距離大型水源補給地黃河近，且在施工過程中，為了確保線路運營安全，不允許降水施工。③施工作業空間狹小。人工挖孔樁施工臨近既有線，作業空間狹小，其中部分樁位于既有集包鐵路雙線之間，天窗點時間短，時間和空間上均不利于采用靜壓或機械方法施工鋼護筒護壁。④線路沉降變形控制標準高。既有集包線為雙線客貨共線電氣化鐵路，速度目標值為200 km/h，呼和浩特鐵路局按照高速鐵路管理，地表沉降不得超過20 mm，隆起不得超過10 mm，沉降和變形控制標準高，施工控制難度大。

4 施工難點分析及總體思路

4.1 施工主要難點及問題解決原則

施工時，首先要選擇和確定含水砂層段人工挖孔樁的護壁方式。在人工挖孔樁開挖至富水砂層段，面臨含水砂層防水或堵水難題。因此，應根據砂層段含水量和砂層段長度確定合理的護壁方式，尤其應考慮采取超前預支護或護壁措施，以確保開挖過程中孔壁穩定、作業人員安全。

其次，在施工前，要明確狹小空間人工挖孔樁護壁施工方法和設備的確定原則。人工挖孔樁臨近既有線或位于既有線間，施工天窗點短，為了確保既有線的運營與施工安全，人工挖孔樁開挖或護壁施工中設備應具備輕巧、拆裝方便、易操作的特點。護壁施工應堅持地面部分施工簡單易行、孔內操作可靠穩定的原則。

施工時，要明確人工挖孔樁混凝土施工質量的控制。人工挖孔樁是架空體系的核心支撐點，對于確保整個架空體系的結構穩定性和頂進施工的安全起著決定性作用。在施工過程中，應確保樁底位于可靠穩定的持力層上，并在樁身鋼筋籠加工、安裝、樁身混凝土澆筑方面采取有效措施，確保人工挖孔樁的施工質量滿足要求。

4.2 總體施工思路

為了解決富水砂層地質不降水條件下既有線間人工挖孔樁施工過程中涌泥、塌孔等問題，采用樁上部混凝土護壁與下部易塌孔段自反壓鋼護筒護壁相結合的組合護壁施工技術，以保證人工挖孔樁的成孔質量和施工安全。

5 富水粉細砂層不降水條件下人工挖孔樁施工

在人工挖孔樁穿越砂層、粉細砂等過程中，結合試樁情況和地質勘察資料，當孔底標高至該類地層一定高度時，停止鉆孔開挖。將直徑與鉆孔樁直徑大小相同、合理板材厚度、高度的鋼護筒，利用反壓裝置壓入砂質地層底面以下，然后按照常規施工方法開挖。如果砂層厚度超過一個護筒高度，可采用每壓送一節鋼護筒，開挖一定高度，并預留一定高度，再進行預制鋼護筒壓送，循環壓送、開挖，直至開挖至設計深度。

預制鋼護筒反壓施工的主要原理是：利用護壁兩側開孔作為上部工字鋼（提供反力）的支撐點，并在鋼護筒的上部布置下部工字鋼，利用上下部工字鋼之間的千斤頂提供反力，反復循環頂進鋼護筒至設計位置。在鋼護筒護壁作用下，進行人工挖孔樁的施工。

人工挖孔樁的施工流程是：施工準備→測量定位→混凝土護壁人工挖孔樁施工→鋼護筒段反壓鋼護筒安裝→反壓鋼護筒及其垂直度調整→人工挖孔樁底部鋼管加固→鋼筋籠制作與安裝→混凝土灌注→樁端壓漿。

這里重點介紹反壓鋼護筒安裝與反壓鋼護筒及其垂直度調整施工技術。

5.1 反壓鋼護筒安裝

在施工過程中，根據試樁情況，當孔底標高施工至粉砂層涌水、涌砂地段以上50 cm時，停止開挖，先將預制鋼護筒（100 cm一節，壁厚4 mm）利用反壓法壓至開挖面以下，每壓送一節開挖60～70 cm，預留30～40 cm，然后再進行預制鋼護筒壓送，循環壓送、開挖，直至開挖至設計深度。反壓裝置主要由工字鋼、大行程千斤頂、工字鋼連接板和方木墊板等組成。在鋼護筒的前個混凝土護壁循環鋼筋的施工過程中，在人工挖孔樁護壁兩側開孔，該孔洞作為上部工字鋼（提供反力）的固定點。開孔位置＝孔底標高+鋼護筒高度+兩組工字鋼高度（正反壓工字鋼）+千斤頂高度。開孔位置應對稱且兩孔連接線中心點與樁身中心重合，開孔完成后吊裝鋼護筒就位。圖3為反壓施工組合裝置示意圖。

5.2 反壓鋼護筒及垂直度調整

鋼護筒、千斤頂、工字鋼安裝完畢后開始反壓施工，循環直至具備安裝下一節鋼護筒為止。第一節鋼護筒反壓深度達到1 m（每節高度）后，拆除反壓設備，利用列車間隔時間吊裝第二節鋼護筒。在反壓過程中，鋼護筒位置偏移傾斜，調整千斤頂至較難反壓處反壓，待鋼護筒垂直后，再擺正千斤頂位置，使其處于鋼護筒軸心處繼續反壓，以保證鋼護筒垂直度。

反壓鋼護筒施工至設計樁底后，如果個別樁位樁底有涌水的情況發生，可在底部用人工錘擊方式插入梅花形布置鋼管，待混凝土澆筑后與樁體成為一體加固樁底。鋼筋籠采用2.0 m分節吊裝、孔內焊接的方法安裝，同時，鋼筋籠內預埋注漿管，成樁后2～30 d內進行樁端壓漿。

5.3 施工效果

在施工過程中，及時進行樁位沉降監測和數據分析預警。現場監測結果表明，橋涵頂進施工中線路未發生一次因樁體沉降造成的線路下沉、影響施工和行車安全的問題，有效保證了施工安全。

6 結論

本文研究并應用的富水砂層地質不降水條件下既有線人工挖孔樁施工方法，解決了人工挖孔樁施工中涌泥、塌孔等問題，保證了既有線運營和施工安全。實踐結果證明，該方法是有效、可行的。

在施工過程中，采用水位線上部分混凝土護壁與水位線下易塌孔段自反壓鋼護筒護壁相結合的組合護壁方法，確保了狹小空間富水地質條件下人工挖孔樁的施工安全。

施工時采用的人工挖孔樁內反壓模板和反力施加系統具有安裝和拆卸方便、適應性強等特點，可為日后既有線等狹小空間人工挖孔樁的順利進行提供借鑒。

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