盾構掘進中遇群樁障礙基礎處理施工技術研究

聶曉凱,李永濤

(中煤第三建設(集團)有限責任公司 合肥市 230000)

盾構施工沿線地下障礙物根據環(huán)境調查和設計圖紙等可提前預見,并采取針對性處理措施,提前規(guī)避,但也存在著障礙物不可預見,尤其是盾構沿線涉及一些年代久遠、資料缺失或不全的建(構)筑物,給盾構施工帶來了極大的不便與困難[1]。結合天津地鐵10號線一期工程復興門110kv變電站電源線穿越海河隧道工程盾構施工中遇群樁障礙基礎處理施工,系統(tǒng)地闡述了盾構施工中遇長距離、大范圍障礙樁處理的施工技術,并實現(xiàn)了盾構過障礙段的施工安全,以期為類似盾構施工項目帶來一定的借鑒和參考。

1 工程概況

天津地鐵10號線一期工程復興門110kv變電站電源線穿越海河隧道工程為新建電力電纜隧道,隧道內徑3m,全長1020m,設置工井兩座。隧道從始發(fā)井向南穿越環(huán)宇道、沿著月牙河東路綠化帶及人行通道向南,至海河東路穿越海河東路、海河、臺兒莊路至閘房甬路接收井接收,隧道最小曲線半徑R=568m,最大縱坡25.01‰,覆土埋深12.5～25.5m,采用一臺RCJS3000-DN泥水平衡盾構機施工,管片外徑3.5m,內徑3.0m,管片厚度0.25m,環(huán)寬0.8m。

盾構穿越地層主要為⑥4粉質黏土、⑦粉質黏土、⑧1粉質黏土、⑧2粉土、⑨1粉質黏土、⑨2粉土。場地靜止水位埋深1.00～3.80m,相當于標高1.89～0.42m,隧道主要位于潛水含水層和第一層承壓含水層。

2 異常情況確定

盾構推進至105環(huán)時,盾構機刀盤位于110環(huán)位置,刀盤面板發(fā)出異響,泥漿泵堵塞,經檢查,堵塞物為混凝土碎塊以及長短不一的鋼筋段,初步判斷盾構掘進遭遇了地下基礎障礙,盾構機被迫停機等待查明原因處理,此時盾構機處于⑥4粉土、⑦粉質黏土、⑧1粉質黏土中,埋深約為14.5m,盾構上方位于已拆遷天鋼地塊園區(qū)內,上方無建(構)筑物。

通過調查2002年天鋼地塊衛(wèi)星圖、1985年天鋼總平面圖以及1965年空分車間樁基礎平面布置圖,判斷盾構機遇到了空分車間預制樁基礎,因天鋼地塊為污染土地塊,污染土未治理前無法進行刨驗探挖,現(xiàn)場采用多頻電磁感應儀對盾構機隧道范圍沿線進行了專項探測,如圖1所示,探測結果顯示110環(huán)～280環(huán)約136m范圍內存在地下群樁基礎,主要為400mm×400mm方樁基礎,樁長在12～22m不等。盾構機為直徑3780mm、開口率10%的泥水平衡盾構機,不具備推進磨樁條件,因此需對隧道136m范圍內的地下障礙樁全部清除后方可繼續(xù)推進。

圖1 多頻電磁儀探測局部示意圖

3 處理方案選擇

因障礙樁數量較多,涉及隧道范圍較長,為減少盾構機停機時間,降低盾構停機風險,根據現(xiàn)場實際條件、水文地質狀況以及污染土的情況,結合以往樁基礎處理施工經驗,針對性選擇處理方案。

(1)方案1:全回轉鉆機法,通過全回轉設備驅動鋼套管轉動[2],并產生下壓力和扭矩,利用管口的高強刀頭對障礙樁進行切削,將套管鉆入地下至樁底,同時采用抓斗將切削的碎樁清除。

(2)方案2:套管鉆進法,與全回轉設備一樣,利用套管切削隔離原有樁基礎周邊土體,主要區(qū)別為不破除樁身,而是利用吊車整體拔除。

(3)方案3:全護筒振動水洗法,利用振動錘鉗住全護筒振動下壓護筒,同時噴設高壓水,隔離樁身周邊土體,使整個樁身全部位于護筒,折頁鋼板關閉,提出套筒帶出預制樁體。

(4)方案4:型鋼振動水洗法,利用振動錘鉗住套型型鋼,振動下壓型鋼通過樁套切削樁身周邊土體,同時通過噴設高壓水,沖刷樁身土體,隨后下放鋼絲繩,將鋼絲下放至預定樁身位置,利用吊車一次將障礙樁全部提出。

針對以上四種拔樁方案:方案1拔樁設備需要進入到拔樁處理范圍,設備需來回移動施工且拔樁費用高;方案2拔樁設備同樣需要進入到拔樁處理范圍,同時施工占地較大,樁基存在承插樁形式,施工效率不高,對環(huán)境影響較大[3];方案3和方案4拔樁設備可不進入拔樁區(qū)域,主要利用吊車施工,移動相對方便,軟土地質條件下拔樁效率相對較高,且障礙樁位于污染土區(qū)域,不宜占用過大的施工場地,大型設備進入污染土范圍,不利于污染土的防治;綜合考慮,決定采用方案3和方案4同時施工。

現(xiàn)場將處理范圍劃分為3個施工作業(yè)面并同時施工,如圖2所示,第一施工作業(yè)面為110環(huán)～135環(huán),采用方案4施工;第二施工作業(yè)面為135環(huán)～185環(huán),采用方案3施工;第三施工作業(yè)面為161環(huán)～280環(huán),采用方案4施工。

圖2 處理施工工作面劃分平面圖

4 施工工藝及技術措施

4.1 污染土治理及施工準備

根據需要處理的樁基礎區(qū)域,測量人員按坐標進行放樣,劃定現(xiàn)場需要進行污染土治理范圍,并提前進行污染土治理。施工現(xiàn)場采取圍擋封閉,沿治理范圍東側和進出拔樁區(qū)域道路鋪設鋼板并在鋼板上鋪設HDPE土工膜,作為臨時存土區(qū)域,隔離治理后土體與污染土,防止交叉污染,同時防止設備將污染土帶出。

4.2 管線探挖

根據處理范圍,采用人工開挖方式進行管線探挖,探挖深度1m,寬度為1.2m,確定處理范圍內地下是否存在市政管線,若發(fā)現(xiàn)管線,提前采取保護措施,如管線與拔樁施工存在沖突,進行遷改,防止承臺探挖及拔樁過程中對管線造成影響。

4.3 承臺探挖破除及樁頭定位

管線探挖及保護完成后,進行樁基承臺探挖,結合污染土處理過程中的施工情況,確定承臺埋深在1.0～2.3m范圍內;現(xiàn)場采用挖機分段開挖,每段長6m,當承臺漏出后,進行測量定位和尺寸確認,并采用炮錘進行承臺破除施工,混凝土塊清理至坑外,破除完成后,對承臺下樁頭進行測量定位,并在平面圖中進行定位標注,隨后進行回填,避免探挖下一段過程中造成基坑周邊土體坍塌,依次將全部影響范圍內的承臺開挖破除并定位出全部影響樁基的精確位置。

4.4 拔樁設備加工

樁基礎最長為22m,最短12m,截面尺寸400×400mm且存在承插樁形式,現(xiàn)場根據樁體情況對拔樁套筒、型鋼、水洗裝置等進行加工制作。

(1)全護筒

全護筒采用6m一節(jié),直徑800mm,厚度30mm的錳鋼鋼護筒,采用焊接接長方式至24m,在距護筒底部400mm位置,設置4個插銷式折頁鋼板,折頁鋼板采用錳鋼制作,同時為保證折頁鋼板的順利轉動,在護筒壁設置4個折頁板活動窗口,窗口兩側焊接插銷耳朵,窗口中心位置焊接φ28鋼筋作為防外翻裝置,避免樁頭將折頁板頂至外翻。

(2)型鋼

采用60型鋼焊接加工長度至22m,在型鋼底部加工焊接一個600×600mm的方形樁套。

(3)水洗裝置

樁基拔除過程中一是要克服樁基礎的自重,二是要解決土體與樁基礎間粘結力以及采用全護筒拔樁時護筒與土體的摩擦力;現(xiàn)場在全護筒插銷式折頁鋼板下部以及型鋼600×600樁套內側,設置水洗裝置(噴嘴),考慮到水洗裝置的工作效率及穩(wěn)定性,每個底部設置8個噴嘴,對稱布置,并通過在全套管外表面以及型鋼翼板內側焊接Φ20mm的鋼制水管與噴嘴進行連接。

4.5 拔樁施工

三個施工作業(yè)面,每個按6m一段分段施工,根據樁頭埋深,對于開挖深度大于3m的,開挖前按6m×6m范圍采用拉森鋼板樁進行支護,隨后進行基坑開挖,露出樁頭,將拔樁設備對準樁頭進行拔樁施工。

(1)型鋼振動水洗法拔樁

采用70t履帶吊站在施工便道外,吊住90kW振動錘,振動錘同時鉗住套型型鋼,振動下壓型鋼通過樁套切削樁身周邊土體,同時通過高壓注漿機、注漿管路在噴嘴位置噴設高壓水,沖刷樁身土體,直至到樁體底部位置,并按此方法重復2次。

隨后吊車小勾吊住鋼絲繩,通過型鋼底部樁套,下放鋼絲繩,將鋼絲下放至預定樁身位置,提升型鋼及小勾,鋼絲繩緊固至樁身,在樁頭位置綁住鋼絲繩,將鋼絲繩送至樁身預定位置,同時在障礙樁頂部綁住鋼絲繩,利用履帶吊大、小勾,一起將障礙樁全部提出,如圖3所示。

圖3 型鋼振動水洗法拔樁施工示意圖

(2)全護筒振動水洗法拔樁

采用200t履帶吊站在施工便道外,吊住150kW振動錘,振動錘同時鉗住護筒,振動下壓全護筒通過全套筒隔離樁身周邊土體,同時通過高壓注漿機、注漿管路在噴嘴位置噴設高壓水,沖刷樁身土體,當全套筒全部下沉完成,此時樁基位于全護筒內部,全護筒底部折頁依靠自重閉合,履帶吊提升套筒帶出樁基,如圖4所示。

圖4 全護筒振動水洗法拔樁施工示意圖

拔樁過程中,若型鋼振動水洗法拔樁出現(xiàn)斷樁情況,現(xiàn)場進行樁基坐標記錄和標記,并在最后采用全護筒振動水洗法,將斷樁拔出,直至影響范圍內樁基全部清除。

4.6 樁孔處理

樁基拔出后,采用三七灰土回填孔洞,并采用挖機重新翻挖5m深范圍內土體,防止存在遺漏未拔出或未發(fā)現(xiàn)的樁基。

采用振動水洗法拔除樁基后,樁體周圍土體液化,樁位孔洞易坍塌,同時最深樁長侵入隧道底部8m,穿過了⑧2粉土第一承壓含水層,打開了隔水層,若樁孔回填不密實,盾構機穿越時,極易導致推進參數和盾構姿態(tài)難以控制,同時存在地面下沉、地面冒漿以及隧道滲水嚴重等情況,因此,在孔洞回填后,在地面對樁孔通過袖閥管進行回填注漿,對回填不密實形成的空洞進行填充,注漿范圍根據每根樁長進行確定,從樁底標高注漿至隧道頂部3m范圍。

撥樁后,周圍土體擾動較大,如采用水泥漿冒漿將會嚴重,同時考慮到水泥漿注漿流失較為嚴重,且后期強度較大,對盾構復推存在安全風險,因此采用雙液漿進行回填注漿,凝膠時間可控,且屬于脆性結構,對盾構掘進影響較小[4]。

水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥,水玻璃濃度為40Be′,雙液漿按水泥和水質量比1:1、水玻璃和水體積比0.4:1配置。漿液配比及注漿壓力根據現(xiàn)場情況進行確認及調整[5]。

注漿量根據每根樁回填注漿范圍分別按式(1)計算:

Q=Anαβ

(1)

式中:Q為單根樁總注漿量(m3);A為注漿范圍的體積(m3)(樁底標高至隧道頂3m范圍,面積為護筒或型鋼樁套表面積);n為孔隙率,取0.8;α為漿液填充系數取0.8;β為注漿漿液損耗系數(考慮到個別樁長深入⑧2粉土地層,損耗系數取1.2)。

因樁位孔口坍塌以及個別存在樁孔串通,注漿時不能完全按照理論注漿量進行控制,采用注漿壓力與注漿量雙控指標[6]。

注漿孔采用鉆機成孔,鉆機按照樁頭坐標進行定位,按注漿深度及注漿范圍嚴格控制鉆桿深度,同時密切觀察鉆孔情況,成孔后下放袖閥管進行注漿施工,所有樁孔注漿完成后,進行地面恢復,并開始盾構復推。

5 結語

天津地鐵10號線一期工程復興門110kV變電站電源線穿越海河隧道工程,通過應用型鋼振動水洗法和全護筒振動水洗法拔樁技術,圓滿、高效地完成136m范圍內的地下群樁障礙拔樁工作,且拔樁過程中未出現(xiàn)斷樁、碎樁的現(xiàn)象,盾構機已安全通過。