周翰斌,陳日勝
(中交四航局第一工程有限公司,廣東廣州 510500)
埃及塞得東港集裝箱碼頭二期工程地處蘇伊士運(yùn)河北端,北臨地中海,碼頭岸線1 200 m,前沿水深-17.5 m(海圖基準(zhǔn)面,下同),為4個深水泊位的現(xiàn)代化碼頭。由于該工程地層主要為第三紀(jì)中新世砂與黏土沉積層及第四紀(jì)上新世海洋沉積物,淤泥質(zhì)土層和粉細(xì)砂層厚度大,承載力低,持力層埋深大,以及碼頭前沿及后方堆場形成20 m的土壓力差,結(jié)構(gòu)的剛度要求尤其突出,經(jīng)反復(fù)比選后采取了國內(nèi)應(yīng)用很少的T形地連墻樁墻結(jié)構(gòu)樁基碼頭的新形式,將T形地下連續(xù)墻作為主體結(jié)構(gòu)的主要樁基礎(chǔ),以減少碼頭的工后沉降和墻體的水平位移,提高結(jié)構(gòu)的使用性能,降低工程造價。二期工程共有886個樁墻單元,樁墻厚度均為0.8 m。其中T形墻共349個單元,設(shè)計墻頂標(biāo)高-1 m,墻底標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計標(biāo)高-55 m,由于地層厚度變化,墻底最低標(biāo)高-58.5 m,最大成槽深度達(dá)61 m;碼頭前沿的兩個T形墻之間的一形圍幕連系墻底標(biāo)高為-32 m,岸側(cè)的底標(biāo)高則為-13 m;中間的一形樁的長度為5 m,底標(biāo)高為-53 m。主體結(jié)構(gòu)的樁墻平面布置見圖1。
工程所在地屬于熱帶沙漠氣候,春秋季節(jié)短,冬季平均最低氣溫10℃,夏季室外最高氣溫超過45℃,平均最高氣溫38℃,降雨量少。
場地高程+2.3~+3.0 m,所處海域平均潮高為+0.45 m,高潮位+0.75 m,低潮位-0.05 m。地下水位標(biāo)高+0.7~+1.0 m,與海水有密切水力聯(lián)系,水位變化受潮汐影響較為顯著。
場地主要土層為:回填土,主要為中細(xì)砂及礫砂,深灰~褐色,稍密~中密,層頂標(biāo)高1.6~7.43 m,平均標(biāo)貫擊數(shù)9.4擊。②1淤泥質(zhì)黏土,灰~深灰色,軟塑狀,混細(xì)砂,含有機(jī)質(zhì)、貝殼碎片,層頂標(biāo)高4.51~-1.85 m,標(biāo)貫擊數(shù)1~5擊。②2粉細(xì)砂與淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土互層,灰色,含有機(jī)質(zhì)及貝殼碎片,呈薄層互層狀,層頂標(biāo)高7.19~-12.39 m,標(biāo)貫擊數(shù)5~32擊。②3粉細(xì)砂,灰色,中密~密實,局部夾有粉土薄層,混有貝殼及有機(jī)質(zhì),層頂標(biāo)高1.52~-5.09 m,平均標(biāo)貫擊數(shù)35擊。③淤泥質(zhì)黏土,灰色,軟塑狀,混有貝殼碎屑,為有機(jī)質(zhì)土,層頂標(biāo)高-7.81~-16.39 m,標(biāo)貫擊數(shù)2~6擊。④黏土,灰色,可塑狀,混有少量貝殼碎屑,層頂標(biāo)高-16.59~-40.67 m,標(biāo)貫擊數(shù)6~36擊。⑤細(xì)中砂層,灰~灰綠~褐綠色,中密~極密實狀,混有貝殼碎屑及夾雜薄~中等厚度灰色黏土,層頂標(biāo)高-34.57~-63.48 m,平均標(biāo)貫擊數(shù)>50擊。整體上地層較復(fù)雜,上部的松散回填土層、軟塑狀淤泥質(zhì)土層及粉細(xì)砂層厚度大,對槽壁穩(wěn)定性不利,下部的細(xì)中砂層平均標(biāo)貫值超過50,不利于抓斗成槽機(jī)的挖槽施工。
圖1 樁墻的平面布置
1)地層條件差,淤泥質(zhì)土層及粉細(xì)砂層深厚,并在高水位情況下施工,由于T形槽壁臨空面大,施工過程中擾動多,陽角處易產(chǎn)生應(yīng)力集中,槽壁容易整體失穩(wěn)或局部坍塌。
2)細(xì)中砂層的平均標(biāo)貫擊數(shù)>50擊,常規(guī)液壓抓斗在該深度土層的挖掘效率會急劇下降,對成槽機(jī)的切削能力、糾偏功能及成槽工藝的選擇是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),同時依靠抓斗自重沖擊成槽的垂直度難以控制。但T形槽壁的垂直精度要求高,必須確保其大于JTJ303—2003《港口工程地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》規(guī)定的1/150而達(dá)到1/300以上,否則即使控制好T形鋼筋籠的起吊變形,只要槽壁垂直度有一個方向達(dá)不到要求,鋼筋籠就會被卡住而無法順利下放到位。
3)T形鋼筋籠存在兩個互為垂直的平面,如果制作時兩個平面籠體的垂直夾角控制不好,或者起吊過程中鋼筋籠兩個方向中的任何一個方向的變形超標(biāo),即便T形槽壁的垂直精度符合要求,鋼筋籠仍會被卡住而無法快速、順利吊裝到位,很可能會引起槽壁土層剝落,墻底沉渣超標(biāo)而影響墻體質(zhì)量,甚至?xí)斐刹郾谔?/p>
4)T形地下連續(xù)墻作為主體結(jié)構(gòu)的主要樁基礎(chǔ),工后沉降要求高,要求墻底沉渣厚度≤50 mm。
5)當(dāng)?shù)卮笮统刹墼O(shè)備較少,需從國內(nèi)調(diào)遣,且工期緊張,總共17萬多m3的樁墻開挖量需在15個月內(nèi)完成,每天需完成約300 m3的成槽量。
6)水下混凝土強(qiáng)度等級為C50,這在地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)與鉆孔灌注樁基礎(chǔ)中是較少應(yīng)用的,同時由于工程地處熱帶沙漠氣候,夏季氣溫高,對混凝土的配制及灌注施工要求高。
地下連續(xù)墻的成槽施工多采用液壓抓斗成槽機(jī)。一般液壓抓斗成槽機(jī)適用于較松軟土層,具有施工速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn),但本工程地表以下至45 m大多為淤泥質(zhì)土層及粉細(xì)砂層,液壓抓斗頻繁上下抓土,帶動槽內(nèi)泥漿反復(fù)沖擊槽壁,產(chǎn)生擠壓力及吸附力,極易造成T形槽壁坍塌及沉渣過厚現(xiàn)象。另外,普通抓斗式成槽設(shè)備在土層標(biāo)貫擊數(shù)超過30擊時挖掘速度下降較快,當(dāng)超過50擊則挖掘較難,成槽速度僅為0.3~0.5 m/h。而且超深T形槽孔的垂直精度很難保證,JTJ303—2003規(guī)程中的精度控制標(biāo)準(zhǔn)1/150并不適用于30 m深度以上的T形地下連續(xù)墻施工[1],成槽垂直度控制不理想,很難滿足T形鋼筋籠下放要求。
根據(jù)本工程的具體情況,最適宜的成槽方法應(yīng)是雙輪銑槽機(jī)銑槽,或者“抓銑結(jié)合”的成槽工藝,即地表下40 m深度以上較松軟土層采用液壓抓斗成槽施工,40 m深度以下土層采用雙輪銑設(shè)備成槽,施工效率以及槽壁的防坍、垂直度能夠得到保證。但此種成槽工藝的成本昂貴,技術(shù)要求高,國內(nèi)的雙輪銑設(shè)備很少,難以應(yīng)用到該工程,若新購置則一次性投入很大。考慮利用旋挖鉆機(jī)的施工特點(diǎn)及其剛性鉆桿能很好地控制垂直度的優(yōu)點(diǎn),在液壓抓斗挖槽前先由旋挖鉆機(jī)施工引導(dǎo)孔,為成槽垂直精度達(dá)到1/300以上提供保障,同時也通過引導(dǎo)孔提供的臨空面,解決液壓抓斗在極密實砂層中挖槽的技術(shù)瓶頸問題,提高抓斗成槽機(jī)的作業(yè)工效。綜合工期、成本、質(zhì)量要求,決定將金泰SG40A型液壓抓斗成槽機(jī)4臺(另配備1臺SG35A型液壓抓斗成槽機(jī)作為備用)、金泰SD28型旋挖鉆機(jī)2臺、氣舉反循環(huán)設(shè)備配以宜昌黑旋風(fēng)ZX-250泥漿凈化濾砂機(jī)3臺作為本工程所有樁墻施工的主要機(jī)具,3種設(shè)備各取所長、優(yōu)勢互補(bǔ)、聯(lián)合作業(yè)。
為有效解決T形槽段的垂直精度及提高液壓抓斗的成槽效率,經(jīng)現(xiàn)場4次試成槽試驗,確定采取“四鉆三抓”成槽方法(見圖2),即首先采用旋挖鉆機(jī)施工4個引導(dǎo)孔,再用抓斗成槽機(jī)按圖2所示的抓土順序挖槽施工,最后用泥漿凈化濾砂機(jī)配合氣舉反循環(huán)設(shè)備清孔,確保墻底沉渣厚度符合要求。
圖2 引導(dǎo)孔及挖土順序
導(dǎo)墻施工前,對槽壁的軟弱土體進(jìn)行水泥攪拌樁加固處理,加固深度根據(jù)土層情況及槽壁穩(wěn)定分析計算值[2-3]綜合確定。攪拌樁的樁徑為50 cm,兩樁之間搭接25 cm,樁邊離導(dǎo)墻內(nèi)側(cè)5 cm,采取“四攪兩噴法”施工,28 d試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值≥1.0 MPa。槽壁的預(yù)加固分為兩種區(qū)域,第一種是一、二期碼頭交界處的長約225 m、深達(dá)18 m的深水區(qū)域,由于該區(qū)域砂土回填時間短,較為松散,其T型槽孔周邊均施工攪拌樁(見圖3),深度從導(dǎo)墻底部的+1.1 m到穿透原狀土2 m,樁長不超過18 m,遇護(hù)面塊石的加固至塊石頂面;第二種是其余的225~1 200 m范圍的區(qū)域,T形槽孔的每個陽角處施工3根攪拌樁,深度從+1.1~-16 m。按文獻(xiàn) [2]計算得出加固后槽壁的最大水平變形約2.2 cm,發(fā)生在加固底部1.5 m范圍內(nèi),對槽壁土體加固可有效避免槽壁坍塌問題。
圖3 槽壁預(yù)加固的平面布置
導(dǎo)墻在施工期間需承受鋼筋籠、灌注混凝土的導(dǎo)管、挖槽設(shè)備動荷載的作用,對于連續(xù)墻的定位,防止槽壁坍塌起著至關(guān)重要的作用。為有效防止導(dǎo)墻產(chǎn)生變形、塌陷移位進(jìn)而影響到T形槽壁的穩(wěn)定,除了槽壁預(yù)加固外,還對開挖發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)墻下存在2~5 m厚的極為軟弱的淤泥層區(qū)域采取黏土混合料(摻入10%水泥)換填并碾壓密實,對海側(cè)導(dǎo)墻區(qū)域存在的厚達(dá)10 m的松散砂土層采用二重管高壓旋噴加固。導(dǎo)墻采取增加底板面積的“][”型[4]整體式C20鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),凈寬比連續(xù)墻厚度加大5 cm,高170 cm頂板、底板及肋板厚均為20 cm,頂板、底板寬度分別為80 cm、120 cm。導(dǎo)墻內(nèi)側(cè)采用100 mm×100 mm方木支撐,以免回填造成導(dǎo)墻側(cè)板移位。
泥漿質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行歐標(biāo)EN1538—2000(Execution of special geotechnical works-Diaphragm wall)。但該標(biāo)準(zhǔn)對于新漿的密度要求是針對于一般形式的地下連續(xù)墻,本工程由于超深T形地下連續(xù)墻施工處于厚軟弱土層和粉細(xì)砂層且臨海高水位環(huán)境中,并且施工現(xiàn)場受重型機(jī)械以及其他工序干擾較大,經(jīng)計算各層土體在泥漿密度為1.08~1.15 g/cm3時槽壁穩(wěn)定性可得到保證,正式施工前進(jìn)行的4次試成槽施工也證明了較大的泥漿密度更有利于槽壁的穩(wěn)定性,因此采用高屈服型膨潤土+重晶石粉配制的復(fù)合膨潤土泥漿,泥漿密度稍大于EN 1538—2000標(biāo)準(zhǔn)要求,但其它施工過程的泥漿指標(biāo)符合該標(biāo)準(zhǔn)要求。本工程泥漿性能指標(biāo)控制為:制備后經(jīng)12~24 h膨化的新漿密度控制在1.08~1.13 g/cm3,黏度控制在 40~50 s(黏度使用 1 500/946 ml的馬氏黏度漏斗來檢測);循環(huán)泥漿的密度控制在1.15~1.25 g/cm3,黏度 40~60 s。
制備泥漿流程為:原材料稱量投料→膨潤土加水充分?jǐn)嚢?0 min→靜置膨化4 h→摻入重晶石粉攪拌10 min→泥漿性能指標(biāo)測定→溶脹24 h后備用。泥漿在施工過程中由于土層變化及時調(diào)整泥漿指標(biāo),膨潤土摻量一般控制在4.5%~5.5%,重晶石的摻量一般控制在6%~8%,CMC(羧甲基纖維素納) 摻量則控制在0.03%~0.1%;泥漿使用1個循環(huán)之后,利用泥漿凈化濾砂機(jī)進(jìn)行分離凈化并補(bǔ)充新制泥漿,恢復(fù)原有的護(hù)壁性能,提高泥漿的重復(fù)使用率。
旋挖鉆機(jī)及液壓抓斗成槽機(jī)施工區(qū)域采取硬化措施,成槽施工時在其停機(jī)位置下鋪設(shè)4 cm厚的鋼板。成槽過程中遵循“慢提慢放、慢速掏進(jìn)、平穩(wěn)出入槽”的原則,減少動荷載對槽壁的影響。挖槽時控制旋挖鉆機(jī)的鉆頭、液壓成槽機(jī)的抓斗中心線與導(dǎo)墻中心線重合,并儲備足夠泥漿,隨挖隨補(bǔ)充泥漿,始終保持槽內(nèi)泥漿面不低于導(dǎo)墻頂面0.4 m及地下水位1.5~2 m以上。
槽段成孔后,當(dāng)即用泥漿凈化濾砂機(jī)配合氣舉反循環(huán)設(shè)備清孔,以提高清孔質(zhì)量和縮短清孔時間。清孔符合要求后,采取創(chuàng)新的“抬架垂直轉(zhuǎn)體法”吊裝T形鋼筋籠,達(dá)到吊裝入槽就位的一次成功率100%,提高吊裝工效20%,縮短挖槽到灌注混凝土的時間間隔,減少對槽壁的不利影響。
挖孔導(dǎo)向是成槽施工的關(guān)鍵,引導(dǎo)孔的垂直精度直接控制成槽精度,故在旋挖鉆機(jī)定位時,在互成直角的兩個方向上,用經(jīng)緯儀檢驗鉆桿的垂直度。旋挖鉆機(jī)挖孔時密切注意并利用垂直度檢測儀表及糾偏裝置保證引導(dǎo)孔垂直度達(dá)到要求。液壓抓斗成槽機(jī)挖槽時通過自帶的垂直度檢測儀表及糾偏裝置及時糾偏。槽段開挖一定高度后,采用KODEN DM602/604型超聲波測壁儀對已完成的槽孔垂直度進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)問題立即進(jìn)行修槽,以確保槽壁的垂直精度大于1/300。
T形鋼筋籠沿墻體高度方向全長布置,長度57~60.5 m,單幅重量約35~36.8 t。如果采用常用的雙機(jī)抬吊法直接起吊[1,5],通過吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換來完成其由水平狀態(tài)轉(zhuǎn)成垂直狀態(tài),不僅增強(qiáng)鋼筋籠剛度的輔助鋼材用量大,而且起吊轉(zhuǎn)體過程中由于鋼筋籠自身的剛度相對較低,易發(fā)生較大的變形,影響鋼筋籠順利就位,吊點(diǎn)的不斷轉(zhuǎn)換也使得吊裝工效及安全性大大降低。為彌補(bǔ)雙機(jī)抬吊法吊裝的不足,經(jīng)研究采取了創(chuàng)新的“抬架垂直轉(zhuǎn)體法”吊裝技術(shù)。
1)鋼筋籠在布置于緊靠二期工程末端的固定加工場制作,頂節(jié)的長度統(tǒng)一為36 m,底節(jié)則為21~24.5 m。分兩節(jié)制作后運(yùn)到現(xiàn)場安裝。采用可循環(huán)使用的外置式、剛度高的鋼抬架作為鋼筋籠制作、轉(zhuǎn)運(yùn)及吊裝施工的平臺(見圖4),以提高鋼筋籠臨時剛度,減少鋼筋籠的輔助加勁筋用量,控制鋼筋籠在起吊過程中發(fā)生較大變形,避免普通的抬吊法在起吊過程中需更換吊點(diǎn)、起吊重心難控制等問題,使鋼筋籠順利入槽,提高鋼筋籠吊裝作業(yè)的效率與安全性。
圖4 T形鋼筋籠制作吊裝抬架示意
2)鋼筋籠在抬架上制作完成后,由兩臺30 t龍門吊將鋼筋籠連同抬架一起裝上拖車出運(yùn)至現(xiàn)場后,150 t及180 t履帶吊機(jī)共同將其移至地面,然后150 t履帶吊機(jī)擺放在正對抬架縱軸的起吊端,吊住抬架的起吊點(diǎn);180 t履帶吊機(jī)一般擺放在抬架的轉(zhuǎn)軸端的一側(cè),場地狹窄時也可正對抬架縱軸,吊住鋼筋籠的起吊扁擔(dān),兩吊機(jī)的吊臂相向。150 t履帶吊機(jī)首先吊起抬架的起吊端以抬起鋼筋籠,并根據(jù)起吊高度調(diào)整與抬架之間的距離,抬升過程中180 t履帶吊保持與鋼筋籠之間的鋼絲繩為松弛狀態(tài),切不可吊起鋼筋籠。當(dāng)抬架抬至與地面成85°時,150 t履帶吊停止起吊抬架,使抬架及鋼筋籠保持穩(wěn)定狀態(tài)后,180 t履帶吊垂直緩緩吊起鋼筋籠,將鋼筋籠與抬架脫離,完成鋼筋籠由水平狀態(tài)轉(zhuǎn)換成垂直狀態(tài),然后180 t履帶吊移動鋼筋籠,緩慢將鋼筋籠吊入槽內(nèi),對鋼筋籠、聲測管及其他預(yù)埋件進(jìn)行檢查,拆除鋼筋籠的臨時加勁筋。底節(jié)鋼筋籠就位后,用型鋼穿過吊筋,將其掛在導(dǎo)墻上,待頂節(jié)鋼筋籠起吊至其正上方,進(jìn)行鋼筋籠的對接和下放。150 t履帶吊機(jī)將抬架恢復(fù)至水平狀態(tài),運(yùn)回加工場重復(fù)使用。
地下連續(xù)墻采用C50水下混凝土,試配強(qiáng)度>65 MPa。為滿足熱帶沙漠氣候夏季高溫時水下混凝土灌注施工要求,經(jīng)綜合考慮混凝土灌注的持續(xù)時間、接頭管形式及上拔等,確定混凝土的入槽坍落度控制在180~210 mm,流動度≥550 mm,初凝時間為8~10 h,混凝土入槽溫度≤32°C。為達(dá)到C50水下混凝土的強(qiáng)度要求及流動性大、保塑時間長的施工要求,經(jīng)多次試配采用摻加緩凝型高效減水劑與硅灰的混凝土。
混凝土采用雙導(dǎo)管同時灌注法,避免單側(cè)灌注造成混凝土面不均勻上升,導(dǎo)管布置如圖5所示。導(dǎo)管選用φ250 mm的圓形螺旋快速接頭,并采用橡膠圈進(jìn)行密封?;炷脸豕嗉羟蚝蟮膶?dǎo)管埋深保證在1.0 m以上,灌注連續(xù)進(jìn)行,控制導(dǎo)管埋深在2~6 m。灌注過程中,采用測錘每隔30 min或每2車混凝土測量及計算槽內(nèi)的混凝土面標(biāo)高,以保證槽內(nèi)混凝土面高差≤30 cm,以及準(zhǔn)確適時拔拆導(dǎo)管和起拔接頭管。
圖5 雙導(dǎo)管平面布置
根據(jù)水下混凝土初凝速度及施工中測試數(shù)據(jù),混凝土灌注開始后4~5 h左右用千斤頂開始頂拔接頭箱,以后每隔30 min提升1次,其幅度為50~100 mm,待混凝土灌注結(jié)束7~9 h,即混凝土終凝后,將接頭管拔出。連續(xù)墻上部的空槽部分深2.0~3.5 m,為保證相鄰槽段的成槽安全以及大型機(jī)械行走安全,在連續(xù)墻檢查驗收后,對空槽部分回填砂至導(dǎo)墻面。
通過對埃及塞得東港集裝箱碼頭超深T形地下連續(xù)墻關(guān)鍵技術(shù)的深入研究與創(chuàng)新,極大地提高了現(xiàn)場施工速度和質(zhì)量,現(xiàn)該工程已經(jīng)順利并提前完成。經(jīng)統(tǒng)計,完成單個T形槽的成槽時間在40 h以內(nèi),槽壁的垂直精度達(dá)到1/550~1/600,沒有發(fā)生塌方現(xiàn)象,平均擴(kuò)孔系數(shù)僅為1.04,鋼筋籠吊裝就位的一次成功率達(dá)100%,超聲波檢測I類樁達(dá)到97%,“四鉆三抓”工藝可比雙輪銑設(shè)備施工降低成本50%。
從該工程施工情況來看,上軟下硬地層中T形地下連續(xù)墻成槽施工方法的正確選擇,是其順利施工的關(guān)鍵之一。在軟弱地層中施工,通過改善地層特性、修筑有效的導(dǎo)墻、控制護(hù)壁泥漿性能、保持槽內(nèi)液面高程和大型成槽設(shè)備下加墊鋼板等措施,確保槽壁穩(wěn)定和減少地面沉降;采用旋挖鉆機(jī)引孔后三抓成槽施工,提高了在致密砂層中的挖槽效率,確保了整個槽壁的垂直精度達(dá)到1/550以上。該成槽施工工藝保證了安全質(zhì)量和工期,節(jié)約了施工成本,適用于臨海地區(qū)復(fù)雜土質(zhì)的超深異形地下連續(xù)墻施工。
“抬架垂直轉(zhuǎn)體法”吊裝技術(shù)以剛度較大的外置桁架式抬架作為T形鋼筋籠制作、轉(zhuǎn)運(yùn)的臨時平臺,確保了T形鋼筋籠的加工質(zhì)量及減少運(yùn)輸環(huán)節(jié)的變形,替代了“抬吊法”中內(nèi)置的增強(qiáng)鋼筋籠剛度的鋼筋,承托著T形鋼筋籠不用經(jīng)過吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換而直接完成由水平狀態(tài)轉(zhuǎn)成垂直起吊狀態(tài),2臺履帶吊機(jī)的獨(dú)立作業(yè)減少了吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),簡化了起吊的工藝,成功解決了“抬吊法”中存在的問題及超深T形連續(xù)墻鋼筋籠吊裝難題。經(jīng)工程實踐證明具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益,是一種具有先進(jìn)性和創(chuàng)新性的長大鋼筋籠吊裝技術(shù)。
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