暗挖車站洞內咬合樁止水施工技術研究*

王 振

(中鐵十八局集團市政工程有限公司,天津 300222)

0 引言

目前,一般的止水方法有注漿止水帷幕、凍結法和結構法(地下連續墻和咬合樁等)[1-4]。凍結法在技術上應用于大型地下空間開挖止水是切實可行的,但造價太高;注漿止水帷幕一般采用深孔注漿和高壓旋噴樁,深孔注漿在富水砂卵石地層效果難以保證,高壓旋噴樁造價太高;結構法一般采用地下連續墻和咬合樁,但暗挖車站空間受限,地下連續墻難以實施,研究洞內咬合樁止水施工技術勢在必行。

1 工程概況

1.1 項目概況

太平橋站為北京地鐵19號線中間站,為地下2層雙柱三跨(南端局部為三柱四跨)島式站臺,有效站臺寬度16m,車站長317m,標準段寬25m,高16m,拱頂覆土12m,底板埋深29m。車站采用洞樁法(PBA)施工,北端區間采用礦山法施工,南端區間采用盾構法施工。

1.2 水文地質條件

車站站址范圍內頂部地層主要為填土及粉細砂,中部地層以⑤卵石～圓礫、⑥粉質黏土、⑦卵石、⑧粉質黏土、⑨卵石層為主;底部為⑨卵石層;站底以下5～10m位置為粉質黏土及砂層,厚度3～5m,局部夾雜卵石層。車站范圍地下水主要為潛水(三)(微承壓性),水位標高21.800m,含水層主要為⑦卵石、⑨卵石,滲透系數300m/d,車站底板入水深度4.5m。

車站橫斷面及地層情況如圖1所示。

1.3 咬合樁施工參數

側壁咬合樁采用φ900@1 200 AB型咬合樁進行止水,在導洞開挖完成后開始施作,導洞凈寬4 000mm,凈高5 500mm。咬合樁施工參數如下。

1)A樁(素樁)采用M7.5補償收縮膨潤土砂漿,抗壓強度5～8MPa,滲透系數≤1×10-6cm/s,樁長19m。

2)B樁(鋼筋混凝土樁)采用鋼筋籠+C30混凝土,樁長28m。

3)A樁(I序),φ900@1 200,613根。

4)B樁(II序),φ900@1 200,580根。

5)咬合厚度≥300mm(綜合考慮垂直度及樁位偏差,保證底部最小咬合度≥50mm)。

6)垂直度偏差≤0.5%,樁位偏差≤50mm,樁深偏差≤300mm。

2 洞內咬合樁施工存在問題

咬合樁施工一般采用超緩凝混凝土和全套管跟進的施工工藝,其中素樁采用超緩凝混凝土,初凝時間20h以上,先施工兩側素樁,然后在2個素樁之間采用全套管跟進的方法施工鋼筋混凝土樁孔,因咬合需要,施工時須做導墻,需要全套管施工,并配備專用搓管機下套管,套管須超前2m左右。制作完鋼筋混凝土樁后,將套筒拆除,由于樁孔內灌入的是超緩凝混凝土,所以當拆除套筒后,超緩凝混凝土會與鋼筋混凝土樁融合在一起,從而形成咬合樁。

傳統咬合樁一般在地面上施作,作業空間寬裕,鉆機移位倒序和安裝套管等施工方便,但是地鐵暗挖車站內空間有限,如果素樁混凝土凝固,鋼筋混凝土樁將無法施工,且下套管需要搓管機配合,需要作業空間,施工過程繁瑣,增加了事故率和施工成本。

另外,洞內施工作業空間有限,需采取切實可行的措施保證機械成孔垂直度符合設計要求,并對咬合效果進行超前檢測,提前處理補強。

因此,對于地鐵暗挖車站洞內咬合樁施工,提出一種具有優異的抗滲、抗裂性能、良好的塑性和韌性,以及強度低、易切削等特點的素樁材料,適合洞內施工且保證施工質量的關鍵技術是急需解決的問題。

3 關鍵施工技術

3.1 施工工序

車站邊樁采用φ900@1200咬合樁,I序樁為咬合式膨潤土砂漿樁(A型樁),II序樁為咬合式鋼筋混凝土樁(B型樁)。先施工I序A型樁,待成樁后30～40d內施工II序B型樁,確保咬合效果。咬合樁施工順序如圖2所示。

圖2 洞內咬合樁施工順序Fig.2 Construction sequence of occlusal pile

3.2 導坑施工

3.2.1樁位控制

車站導洞開挖完成后,在導洞底板上放出樁位位置,經復核無誤后,用激光垂準儀將樁位點引至導洞頂部,并用釘子加掛線做標識,在頂部標出樁位號,調整掛線和垂準儀激光線重合,確保樁位準確。

破除底板前,將掛線垂直于導洞底板并掛上垂球,以此為圓心畫出破除范圍;鉆機在就位前利用導洞頂部掛線恢復出樁位準確位置,鉆桿中心對準樁位點進行下鉆。

3.2.2導洞破除

樁位孔口注漿加固完成后,為便于咬合樁施工工序安排,進行分段間隔人工破除導洞底板初支結構,施作導坑。具體施工工序如下(見圖3)。

圖3 導坑施工工序Fig.3 Guide pit construction process

1)根據咬合樁樁徑和間距,要求每段破除長度≤3.8m,破除格柵鋼架后施作洞口一期加強混凝土環梁,破除范圍沿導洞方向采用6根φ25鋼筋(分為上下2層)與底板格柵主筋焊接牢固形成洞口加強梁,中間采用I22支撐加固。

2)先采用人工挖孔的方式施工樁頂以下3m樁孔,稱之為導坑,在導坑內采用機械成孔施作I序A型素樁。

3)本段內素樁完成后,清理泥漿,拆除既有中間型鋼支撐,在素樁中心位置安裝I22換撐,破除素樁導坑,重新施作新導坑,在新導坑內采用機械成孔施作II序B型鋼筋混凝土樁。

4)待兩側咬合樁施工完成后,清理泥漿,破除中間段導洞底板,施作樁孔洞口二期加強環梁及型鋼支撐。隨后,在導坑內施工素樁,本段內素樁完成后,清理泥漿,型鋼支撐換撐,破除接口處一期加強環梁,施作車站鋼筋混凝土樁。

5)步驟1～4重復進行,直至車站內咬合樁全部施工完成。

3.3 機械成孔施工

3.3.1鉆機改進

素樁和鋼筋混凝土樁成孔均采用第7代8JH-150型履帶式反循環鉆機,外形尺寸:行進狀態長5 930mm、寬2 300mm、高2 740mm,工作狀態長5 930mm、寬2 300mm、高4 100mm。

1)鉆機改進措施 ①采用新型加重鉆機,鉆機自重由原來的14t增至17.5t,改變鉆塔結構,增加剛度和穩定性。②增加動力頭對中記憶數顯,實時監測數據,確保鉆孔定位準確。③鉆塔底盤(夾持平臺)加強,鋼板厚度由原來的20mm增至50mm,增加其穩定性和剛度。

2)鉆機自身平整度控制措施 ①鉆機調平 鉆機定位后,依靠鉆機自身水平系統調節鉆機平整度,并用水平尺檢查架體、動力頭等垂直度[5]。②實時監測 為防止鉆進過程中機身平整度發生變化,導致鉆桿傾斜,采用激光水平儀全過程實時監測鉆機機身(動力頭)水平。鉆機位于導洞泥漿內,鉆孔吃力過程中可能導致機身失穩,從而造成鉆桿傾斜。現場每臺鉆機配置1臺激光水平儀,實時監測鉆機平整度。

3.3.2鉆桿改進

由于咬合樁素樁強度與地層不同,造成鉆頭接觸面軟硬不一,致使鉆進過程中極易傾斜。采用適用于巖質地層的牙輪鉆頭(牙口加寬加厚,成孔約30h),增加鉆頭克服軟硬不一的能力,成孔過程中以慢磨為主,延長成孔時間,成孔質量較好,垂直度易保證。

為便于切削咬合樁素樁,在鋼筋混凝土樁施工時增加鉆頭頂部鉆桿質量,防止鉆頭擺動;增加扶正鉆桿,每4m一道(10m內3m一道)[6];施工過程中對每節鉆桿同心度進行校正,采用電子水平尺復核垂直度,每鉆進2m調校一次鉆桿垂直度。

3.3.3成孔檢測

施工過程中采用智能超聲成孔質量檢測儀檢測每根樁的成孔情況(個別擴孔數據顯示不明顯),鋼筋混凝土樁垂直度檢測結果統計如下。

1)垂直度≤5‰ 累計320根,占比55.2%。

2)5‰<垂直度≤8‰ 累計254根,占比43.8%。

3)垂直度>8‰ 6根,占比1.0%。

根據樁基成孔檢測儀檢測結果,鋼筋混凝土樁的垂直度基本位于8‰以內(占比99%),采用BIM模型進行分析可知,咬合厚度在最底部19m處最小約6cm,14m處最小約10cm。

3.3.4泥漿外運

洞內空間狹小,要完成鉆孔、泥漿與渣土外排、鋼筋籠搬運與吊裝連接、混凝土灌注等多項作業,需合理安排形成流水施工。泥漿通過小導洞、橫通道及豎井外運,在施工豎井內設置泥漿池,在地面設置渣土場,在小導洞及橫通道內布置泥漿管和排渣管。每臺鉆機均需1根泥漿管和排渣管,管徑為400mm,每根管路上各設置1臺渣漿泵,管路由豎井、橫通道及導洞安裝至鉆機作業面。通過豎井抓斗清理泥漿池內卵石等沉淀物,提升至地面渣土場,泥漿密度等技術指標根據出渣情況適時調整。

3.3.5鋼筋籠安裝

由于洞內空間受限,鋼筋籠在地面分節加工,完成后由豎井吊裝至洞內,運輸到施工作業面。樁長28.24m,鋼筋籠總長24.74m,共計11節,節長為1.5～3m。鋼筋籠主筋采用直螺紋套筒連接。

在洞內采用安裝架吊裝下放鋼筋籠,安裝架提前進行準確定位,安放平穩,并將其兩側的三角支架用麻繩分別固定在導洞側墻上,防止傾覆。第1節鋼筋籠下放到最后一個環向加強筋處,穿進工字鋼,將鋼筋籠支撐在導洞底板上,再通過吊裝架起吊第2節鋼筋籠,使它們在同一豎直軸線上并采用套筒連接好,抽出支撐工字鋼后緩慢下放,嚴禁鋼筋籠擺動碰撞孔壁,如此循環,下放至設計標高,校核鋼筋籠中心,固定于孔口,完成鋼筋籠的安裝。

3.4 素樁施工

3.4.1素樁材料配合比

考慮到素樁既要有足夠的抗壓強度和抗滲效果,又要便于后續鋼筋混凝土樁鉆進時易于鉆鑿切割,還不受緩凝時間影響,且垂直度有保證,因此素樁材料的選取需綜合多方面因素進行試驗。本文提出了一種補償收縮膨潤土砂漿作為地鐵暗挖車站內咬合樁素樁材料。

膨潤土砂漿是指將水泥、膨潤土、水、砂子、外加劑等攪拌而成的漿體澆筑凝結成的混合材料,具有較低的強度和彈性模量,能承受較大的變形,抗裂性能好,是一種新型柔性工程材料。與普通混凝土相比,補償收縮膨潤土砂漿彈性模量低、極限應變大、能適應較大變形、抗滲性能好,便于后續施工的樁鉆鑿切割[7]。

進一步進行膨潤土補償收縮砂漿配合比研究,針對膨潤土砂漿的終凝強度,選擇了4種強度等級進行配合比試驗,分別為M10,M7.5,M5,M2.5。各原材料的配合比如表1所示。膨潤土砂漿試驗如圖4所示。

表1 膨潤土砂漿配合比試驗數據Table 1 Bentonite mortar mix ratio test data

圖4 膨潤土砂漿試驗Fig.4 Bentonite mortar test

根據試驗報告的相關參數進行比選,選用M7.5膨潤土砂漿,并確定現場施工配合比,為提高膨潤土砂漿塑性,防止后期與樁共同受力產生裂縫,每m3膨潤土砂漿中添加140kg粉煤灰和0.42kg、素纖維[8]和0.84kg減水劑。

3.4.2素樁成樁情況

1)素樁自身完整性

素樁施工完成后,根據設計及規范要求,對素樁樁身完整性等進行檢測,采用低應變法檢測素樁123根,結果均為Ⅰ類樁。同時,成樁28d后,采用GK-180(移動)型地質鉆機(長1 640mm、寬1 030mm、高1 440mm)對素樁進行取芯,并進行試驗,得出其強度、抗滲系數等參數,共取芯21根,具體情況如表2所示。編號15的芯體如圖5所示,芯體完整。

表2 素樁取芯情況統計Table 2 Statistical of core taking of plain pile

圖5 編號15素樁現場取芯情況Fig.5 No. 15 core condition of plain pile site

2)剩余素樁自身完整性

鋼筋混凝土樁施工完成后,考慮切削對素樁完整性的影響,對剩余素樁樁身進行取芯,檢查完整性情況,共取芯10根樁,其中8根樁芯體完好,2根樁芯體不連續,受鉆機切削所致(見圖6)。

圖6 剩余素樁取芯情況Fig.6 The core condition of residual plain pile

3.5 接縫處理

在切削素樁過程中,由于受到鉆頭的擠壓,一部分泥渣依附在鋼筋混凝土樁與素樁接觸面,如圖7所示,為保證咬合樁施工質量,需對咬合樁接縫處泥皮進行處理,措施如下。

圖7 泥皮處理示意Fig.7 Mud treatment

1)在鋼筋混凝土樁內安裝了2根DN42注漿管,布置在鋼筋混凝土樁與素樁咬合交點部位(見圖7),與鋼筋籠綁扎牢固,隨鋼筋籠分節下放連接,通過樁側注漿加強接縫處咬合效果。

2)在鉆進鋼筋混凝土樁切削素樁時,采用重晶石代替膨潤土制備的泥漿,消除咬合接縫處的泥皮。

3.6 超前探測技術

滲漏水的檢測及處理一直是行業研究重點,若能提前探測出薄弱點,便于施工質量控制和及時處理補強。本文提出采用鉆孔電磁波成像儀檢測滲漏點。

1)檢測原理 利用磁偶極子天線和電磁波層析成像技術,通過改變兩鉆孔中收發探頭位置獲取相應場強,進而反演成像實現兩孔間的地質勘探,從而準確定位滲漏點位置。

2)檢測方法 預埋與素樁等長的PVC管,30m布置1道,管徑100mm,固定于鋼筋混凝土樁鋼筋籠上并隨鋼筋籠分節下放。一根作為超聲波信號發射孔,一根作為信號接收孔。為了采樣數據的穩定性,探頭下放過程不采集數據,上提操作時接收數據,發射機及接收機先都下放至樁底位置,然后接收機每間隔1m接收發射機從樁底提升至樁口期間的信號;需通過2次間隔測量消除鋼筋的影響,最后由計算機處理分析后檢測出滲漏點。滲漏水檢測預埋管如圖8所示。

圖8 咬合樁止水結構滲漏點檢測Fig.8 Detection of leakage point of sealing structure of occluding pile

4 咬合樁開挖情況分析

4.1 侵限情況

咬合樁全部實施完成后,車站進行大面積土方開挖,分別對地下1層和地下2層東西側墻暴露的咬合樁侵限情況進行實測。經統計,地下1層咬合樁垂直度控制較好,只有個別樁位侵限嚴重,主要在車站的南北兩端,侵限最大8cm,東西側墻咬合樁侵限情況很少,侵限量為1～4cm。地下2層咬合樁垂直度控制稍差,主要是車站的南北兩端樁位侵限嚴重,侵限量為3～8cm,個別樁位侵限量為15cm。東西側墻咬合樁侵限情況較少,侵限量為3～6cm。

4.2 樁體侵限處理措施

1)樁體傾斜5‰以內或樁體侵入側墻結構3mm以內,無需進行處理。

2)樁體傾斜5‰～9.5‰或樁體侵入側墻結構50mm以內,需剔除圍護樁保護層。

3)樁體傾斜9.5‰～15‰或樁體侵入側墻結構108mm以內,需剔除圍護樁保護層,切除相鄰側3根主筋,高度為底板以上4.2m。

4)樁體傾斜15‰～20‰或樁體侵入側墻結構160mm以內,需剔除圍護樁保護層,切除相鄰側5根主筋,高度為底板以上6m,樁體背后打設錨桿進行加固處理。

5)樁體傾斜15‰～20‰、連續3根樁及以上或樁體侵入側墻結構100～160mm,需間隔鑿除侵限樁體,對結構進行內凹處理,并對樁后土體打設4m長錨桿進行加固處理,樁間設置2根,豎向間距1 000mm。

4.3 滲漏水情況

車站地下1層開挖期間,側壁無明顯滲漏水現象;地下2層開挖期間,局部出現輕微滲漏水,開挖過程中采用防水砂漿臨時封堵,必要時采用靜壓注漿封堵,不影響基坑整體穩定,并且可隨時進行防水、鋼筋等下一步工序。若開挖過程中出現滲漏情況,應進行如下處理。

1)微小滲漏 開挖過程中采用防水砂漿臨時封堵,必要時注漿封堵。

2)滲漏明顯,防水施工困難 注漿封堵處理。

3)滲漏較大,樁間土流失 注漿處理,必要時啟動車站周邊降水井減壓。

5 結語

1)針對暗挖車站空間狹小,采用洞內機械成孔施工咬合樁,無全套管跟進,不需要大型起重機配合施工。同時,為保證垂直度和咬合效果,對鉆機和鉆桿進行改進,進一步提高了施工效率、降低了施工成本。

2)考慮超緩凝混凝土洞內施工局限性,研究新型膨潤土補償收縮砂漿作為素樁材料,施工時允許素樁凝固,采用對施工工序要求低、配合比較成熟的洞樁施工工藝,適應性較強,有利于咬合樁的推廣應用。

3)應用超前探測技術,提前發現薄弱點及時補強處理,針對不同侵限及滲漏水情況提出處理措施,降低開挖施工風險。

雖然洞內咬合樁施工技術成功應用,且開挖未發現明顯滲漏點,但洞內咬合樁施工仍然有需要解決的技術難題,例如搭載信息化平臺,實時監控滲漏水情況等。