上海软土地层钻孔咬合桩的施工和应用

1工程概况

中环线邯郸路地道工程位于上海市杨浦区五角场和大柏树之间的邯郸路下,东西向穿过复旦大学校区。地道全长1080m,属长距离浅埋式地道,采用顺作法施工。结构分U型槽、箱式暗埋、箱式暗埋开孔三种形式。箱式暗埋开孔段长200m,基坑开挖深度11m,宽度42.5m,该段基坑围护结构采用?1000咬合桩,桩长22m,咬合厚度20cm。咬合桩已经在深圳、南京等地地铁项目中得到了应用,施工工艺已较为成熟,但在邯郸路地道工程中的应用是作为一种新型深基坑围护结构在上海地区软土及高地下水位地层中的首次应用。

施工区域工程地质从上至下依次为:①人工填土:成份复杂,结构松散,厚0.8~3.8m;②31:黄—灰色粘质粉土夹粉砂,稍密,中压缩性,夹薄层粘性土较多,土质不均,含氧化铁斑点、云母晶片,厚2.5~10.6m;②32:灰色,砂质粉土,稍密,中压缩性,夹少量粘土,含云母晶片,局部夹粉砂,厚2.4~16.1m;④:灰色,淤泥质粘土,流塑,高压缩性,夹少量粉砂,含碎蚌壳,局部为淤泥质粉质粘土,厚1.3~6.3m;⑤1:灰色,粉质粘土,流塑—软塑,高—中压缩性,夹薄层粉砂,含腐植物、钙结核、有机质,厚3.8~7.6m;地下水位埋深为0.5~1.3m,属潜水类型,主要补给来源为大气降水、地表径流,常因气候、降水降水、地表径流,常因气候、降水等影响而变化。地下水对混凝土无腐蚀性。 2咬合桩施工技术

钻孔咬合桩是近几年来在我国粘性土、砂土以及冲填土等软土层中的基础和地下工程应用较多的一项新技术。施工主要采用“套管桩机+超缓凝型砼”方案。由于地下结构顶、底板较厚,要求侧墙亦有较大刚度与之匹配,钻孔咬合桩整体刚度较大可用作主体结构侧墙的一部分参与主体结构受力,内衬墙因此可采用较经济的设计。并且相对于地下连续墙,钻孔咬合桩本身在经济上有较大优势。 2.1施工机械

本工程根据试桩情况、施工进度安排和工程量的数量采用4台MZ-120液压摇头式套管桩机和2台MZ-100液压摇头式套管桩机。每台机器的生产能力为每天3根。 2.2桩型和平面布置

咬合桩的排列方式采用,为一个素砼桩(A桩,有的工程中A桩也为钢筋混凝土桩,考虑到B桩要切割咬合,A桩中用较小截面的方形钢筋笼)和一个钢筋砼桩(B桩)间隔,如图1所示。先施工A桩,后施工B桩,A桩砼采用超缓凝型砼,要求必须在A桩砼初凝之前完成B桩的施工,B桩施工时,利用套管桩机的切割能力切割掉相邻A桩相交部分的砼,则实现了咬合。 邯郸路地道工程的基坑围护中的两种桩型分别为C30素混凝土桩(A桩)和C30钢筋混凝土桩(B桩),A桩B桩相间布置切割咬合(咬合宽度每侧20cm)成排桩围护结构。如图1所示。

2.3咬合桩咬合厚度的确定

相邻桩之间的咬合厚度d根据桩长来选取,桩越短咬合厚度越小(但最小不宜小于100mm),桩越长咬合厚度越大,按下式进行计算: d-2(kl+q)≥50mm(1)

(即保证桩底的最小咬合厚度不小于50mm) 式中:l———桩长; k———桩的垂直度;

q———孔口定位误差容许值; d———钻孔咬合桩的设计咬合厚度。 2.4工艺流程

(1)单桩施工流程:平整场地→测放桩位→施工砼导墙→套管桩机就位对中→压入第一节套管及校核垂直度→钻孔→测量孔深→清孔检查→B桩吊放钢筋笼→放入混凝土导管→浇注混凝土→拔出套管。

(2)排桩施工流程:本工程咬合桩排桩是按先施工A桩,后施工B桩的施工原则进行的,其施工流程是:A1—A2—B1—A3—B2—A4—B3……,(如图2所示):

3试桩及其成果

为了验证咬合桩施工工艺在邯郸路地道工程中应用的合理性、可行性。同时为设计修正提供必要的施工技术参数,本工程进行了试桩。

试桩桩长、桩型布置形式与设计桩型一致,试桩地点在设计桩位附近进行,共计试桩11根。通过试桩检验地质水文情况、成孔过程中垂直度控制情况、咬合厚度控制情况、超缓凝型砼相关参数合理情况、普通混凝土相关参数合理情况、钢筋笼上浮控制情况、桩头质量的

保证情况及桩体的完整性情况,并进一步完善和优化咬合桩作业流程。试桩记录汇总表见表1。

通过本次试桩和后面将要提及的混凝土缓凝试验,摸清了地质水文情况;有效控制了孔口定位精度、成孔垂直度;保证了咬合厚度;验证了超缓凝混凝土缓凝剂的掺量、缓凝时间、坍落度及普通混凝土坍落度的合理性。通过钻孔取芯、超声波检测及试块的实验,验证了桩头的质量、桩身的完整性、混凝土的抗压强度等均达到了设计规定的标准,能够满足设计要求。同时确定了咬合桩在邯郸路地道工程中使用时的具体施工参数,见表2。

本次试桩平均单桩成桩时间为8h18min。因初期施工时对地质情况不了解,设备磨合、人员配合协调等因素影响单桩成桩时间,试桩初期最长单桩施工时间为16h30min(主要原因是等钢筋笼),以后的几根桩比较顺利,用时最短单桩成桩时间仅为4h45min,随着对施工工艺的熟练,能够保证每8h成1根桩(即每天每机成3根桩)。咬合桩超缓凝的时间要保证大于4根桩的单桩成桩时间。实际试桩4根桩的成桩时间为33h12min,小于设计规定的超缓凝时间

60h,能满足设计要求。施工控制过程中考虑砼的运输、等待、机械故障、不可预见因素影响以及地下土体中(含地下水)外加剂的扩散,施工将超缓凝时间定为72h,试桩超缓凝外加剂掺量为1.5%。

从表1来看,整桩垂直度控制的较好,最小的垂直度达到0.2‰。可见利用线锤进行地面及孔内垂直度控制能满足设计要求,可用于正式施工的垂直度控制。 4施工关键技术

针对本工程的周边环境特点和施工条件,为确保施工过程中基坑安全及基坑两侧交通、管线及建筑物安全,要保证咬合桩身的质量和桩墙的整体质量和稳定。同时也为验证咬合桩在上海地区的适用性,在施工中有以下需控制的关键点: 4.1孔口定位误差的控制

为了保证咬合桩底部有足够的厚度的咬合量,应对其孔口的定位误差进行严格的控制。为提高孔口的定位精度,在咬合桩桩顶以上设置钢筋砼导墙,导墙上定位孔的直径宜比桩径大40mm。桩机就位后,将第一节套管插入定位孔并检查调整,使孔口定位误差控制±10mm。 4.2桩体垂直度

控制桩体垂直度,是为保证桩与桩之间的咬合,确保围护结构的截水效果。邯郸路地道工程咬合桩桩长22m,咬合厚度20cm,要保证桩体通长范围的咬合厚度不少于10cm,桩身垂直度偏差不应大于4.5‰,实际施工中,根据我国《地下铁道工程施工及验收规范》规定,桩的垂直度标准为3‰。控制桩身垂直度必须做好全过程控制,措施如下: 4.2.1套管的顺直度检查和校正

咬合桩施工前在平整地面上进行套管顺直度的检查和校正,首先检查和校正单节套管的顺直度,然后将按照桩长配置的套管全部连接起来进行整根套管(15~25m)的顺直度偏差宜小于10mm。检测方法:于地面上测放出两条相互平行的直线,将套管置于两条直线之间,然后用线锤和直尺进行检测。

4.2.2成孔过程中桩的垂直度监测和检查

地面监测:在地面选择两个相互垂直的方向采用经纬仪或线锤监测地面以上部分的套管的垂直度,发现偏差随时纠正。这项检测在每根桩的成孔过程中应自始自终坚持,不能中断。孔内检查:每节套管压完后安装下一节套管之前,都要停下来用线锤进行孔内垂直度检查,不合格时需进行纠偏,直至合格才能进行下一节套管施工。 4.2.3纠偏

成孔过程中如发现垂直度偏差过大,必须及时进行纠偏调整,纠偏的常用方法有以下三种: 利用桩机油缸进行纠偏:如果套管入土不深(5m以下),可直接利用钻机的两个顶升油缸和两个推拉油缸调节套管的垂直度,即可达到纠偏的目的。

A桩纠偏:如果A桩在入土5m以下发生较大偏移,可先利用钻机油缸直接纠偏,如达不到要求,可向套管内填砂或粘土,一边填土一边拔起套管,直至将套管提升到上一次检查合格的地方,然后调直套管,检查其垂直度合格后再重新下压。

B桩的纠偏:B桩的纠偏方法与A桩基本相同,其不同之处是不能向套管内填砂或粘土而应填入与A桩相同的砼,否则有可能在桩间留下土夹层,从而影响排桩的防水效果。 4.3防止管涌

如图3所示,在B桩成孔过程中,由于A桩混凝土未凝固,还处于流动状态,A桩混凝土有可能从A、B桩相交处涌入B桩孔内,称之为“管涌”,克服“管涌”有以下几个方法:

(1)A桩混凝土的坍落度应尽量小一些,不宜超过18cm,以便于降低混凝土的流动性。 (2)套管底口应始终保持超前于开挖面一定距离,以便于造成一段“瓶颈”,阻止混凝土的流动,如果桩机能力许可,这个距离越大越好,但至少不应小于1.5m。

(3)如有必要(如遇地下障碍物套管底无法超前时)可向套管内注入一定量的水,使其保持一定的反压力来平衡A桩混凝土的压力,阻止“管涌”的发生。

(4)B桩成孔过程中应注意观察相邻两侧A桩混凝土顶面,如发现A桩混凝土下陷应立即停止B桩开挖,并一边将套管尽量下压。一边向B桩内填土或注水,直到完全制止住“管涌”为止。

4.4超缓凝混凝土

超缓凝混凝土目前尚无标准可循,初凝时间较难控制。超缓凝混凝土缓凝剂的掺量一般在3.5%~6%,水泥和缓凝剂的适应性以及水泥品种对凝固时间影响很大。超缓凝混凝土对温度、湿度较为敏感,一般温度越高、湿度越低,混凝土凝固越快。混凝土设计要根据施工现场的温度、湿度调整配合比,才能保证足够缓凝时间和坍落度要求。混凝上设计和质量控制在本施工工艺中起着举足轻重的作用。

根据咬合桩单桩成桩时间(约11h),确定超缓凝型砼初凝时间大于60h,为满足这一要求,砼配合比经多次模拟现场条件试验后确定。

由于咬合桩施工工艺的特殊性,要求超缓凝混凝土的缓凝期必须稳定,不能波动,否则将有可能给工程带来很大的损失,因此要求混凝土供应商设置专用生产线来生产超缓凝混凝土,其所用的设备、人员、原材料都相对固定,以减少出错的机会,确保混凝土的质量。

使用过程中严格检查和监控,每车混凝土在使用前必须由试验室检查其坍落度及观感质量是否符合要求,坍落度超标或观感质量太差的坚决退回,决不使用。 4.5施工中出现的问题及采取的措施 4.5.1桩孔偏斜

(1)钢套管有倾斜趋势时,立即通过反复摇动、微量扭、挪套管支座等将套管倾斜消除在初始状态。

(2)如垂直度偏斜超过3‰,无法靠桩机本身调整时,采取向孔内填砂,向上拔出套管,重新校正精度和成孔。

(3)无法利用套管钻机重新成孔时,在待处理桩位的两侧注浆,形成隔渗帷幕拦截地下水,做人工挖孔咬合桩补救。 4.5.2A桩混凝土早凝

(1)施工B桩时,两侧A桩混凝土均已凝固:因中间B桩无法切割成孔,直接跳过该桩继续施工,而把该桩做人工挖孔咬合桩并后备旋喷桩处理。

(2)一侧A桩混凝土已凝固,另一侧A桩混凝土未凝固:将中间待做的B桩向未凝固的A桩平移20cm,使中间B桩与已凝固A桩相切成孔。桩身外侧相切部位增打旋喷桩。

(3)后浇注A桩混凝土早凝:此时只有单侧(A1)桩,另一侧(A2)桩已来不及施工,为争取时间,直接切割单侧(A1)桩成孔,灌砂成为砂桩,待另一侧(A2)桩成桩后,再进行二次成孔,施工中间的B桩。

4.5.3咬合桩流水作业中断

如果咬合桩流水作业中断,迅速移机对末端成桩进行切割单侧咬合面成孔,然后在孔内灌砂拔管形成砂桩,待后续施工至该桩位时重新成孔。在实际施工中,这种情况比较常见。 5结论与建议

(1)邯郸路地道暗埋开孔结构段基坑采用咬合桩围护结构,在基坑开挖后,咬合桩外观整齐光洁,整体达到防渗止水效果。证明了咬合桩在上海软土高地下水位土层中的适用性。 (2)咬合桩施工进度快、成孔成桩质量好、工程造价低,经济效益可观。

(3)咬合桩属干孔作业,施工安全,噪音干扰小,无泥浆排放,利于环保。咬合桩机成孔全套管跟进,对周围土体扰动小,利于管线和建筑物保护。

(4)咬合桩对施工要求高,需控制的关键技术多,尤其是超缓凝混凝土对温度、湿度较敏感,因此不同工程需通过试验确定合理的参数。