區(qū)間隧道近距離鉆孔灌注樁的施工及監(jiān)護(hù)
——以上海市南京東路179街坊項(xiàng)目反循環(huán)成樁技術(shù)為例

李筱旻

(上海申通地鐵集團(tuán)有限公司，上海 200030)

隨著城市軌道交通建設(shè)的高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化地鐵幾乎遍布上海市的每一個(gè)角落，肩負(fù)著城市主動(dòng)脈的重任.隨著城市的快速發(fā)展，近年來地鐵沿線建設(shè)井噴式發(fā)展，由于地鐵旁建設(shè)項(xiàng)目極高的商業(yè)價(jià)值及項(xiàng)目體自身用地利用率的最大化，隨之而來的近距離工程樁施工越來越多.此類項(xiàng)目施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，施工稍有不慎，就會造成地鐵車站和盾構(gòu)隧道的較大變形[1].本文結(jié)合上海市南京東路179街坊老房改造項(xiàng)目，對近距離已運(yùn)營二號線區(qū)間隧道邊樁基施工的敏感性參數(shù)和施工技術(shù)進(jìn)行綜合分析,考慮樁基施工對鄰近地鐵隧道的影響,采用車載反循環(huán)鉆機(jī)工藝,確保工程施工優(yōu)質(zhì)、安全與快速的同時(shí),保護(hù)地鐵運(yùn)營的安全[2],對施工過程全程監(jiān)控，施工數(shù)據(jù)綜合分析，與常規(guī)工藝對比研究，總結(jié)了此類工程樁的施工要點(diǎn),以期對類似區(qū)間近距離工程樁施工有借鑒價(jià)值.

1 工程概況與項(xiàng)目難點(diǎn)

1.1 工程概況

上海市黃浦區(qū)南京東路179號地塊拆改留保護(hù)整治試點(diǎn)項(xiàng)目系黃浦區(qū)179號商業(yè)舊區(qū)改造地塊，位于“中華商業(yè)第一街”南京東路東段南側(cè)，江西中路、四川中路之間，距離“萬國建筑博覽群”外灘僅有一個(gè)街區(qū)之隔，屬外灘歷史文化風(fēng)貌保護(hù)區(qū)范圍.項(xiàng)目為綜合性高檔商業(yè)街區(qū)，由一新建地下室、一幢新建七層商業(yè)建筑和多幢保留(保護(hù))建筑改造組成，具體包括保護(hù)建筑美倫大樓、中央商場、新康大樓、華僑大樓和新建新康大樓等建筑.

1.2 與區(qū)間隧道位置關(guān)系

項(xiàng)目基坑北側(cè)南京東路下有地鐵二號線南京東路站與陸家嘴站的區(qū)間隧道，區(qū)間隧道φ6.2 m，隧道頂埋深由西向東從13 m逐漸下降至16 m.基坑與南線隧道的最小距離為43.4 m，與北線隧道的最小距離為55.1 m.基坑開挖面距南京東路40～42 m，基坑與南京東路之間為保留的美倫大樓及中央商場等建筑，南京東路下管線密集.

1.3 項(xiàng)目工程難點(diǎn)

項(xiàng)目基坑施工的前提是對周邊保護(hù)性老建筑進(jìn)行加固，且項(xiàng)目自身系老建筑改建，故基礎(chǔ)加固是整幢老建筑改建的前提，樁基施工又是基礎(chǔ)加固的前提.因而第一階段監(jiān)護(hù)作業(yè)重點(diǎn)為前期臨近地鐵側(cè)老建筑內(nèi)樁基施工.該工程難點(diǎn)的復(fù)雜性體現(xiàn)在周邊環(huán)境的復(fù)雜，自身改造施工受場地條件所限，由此采用的施工措施又有其自身帶來的各項(xiàng)施工難點(diǎn).

(1)周邊管線密集

基地周邊道路下各類市政管線密集，且與基坑距離較近，管線類型又多為危險(xiǎn)管線，管線類型以及管線與基坑的距離(見表1).

表1 場地周邊管線表

(2)施工場地小，周轉(zhuǎn)困難

由于美倫大樓、新康大樓、華僑大樓的絕大部分工程樁在原建筑室內(nèi)施工，所以美倫大樓、新康大樓、華僑大樓內(nèi)的工程樁施工操作面凈高需>8 m，以確保工程樁施工機(jī)械的運(yùn)行.施工須預(yù)先配合拆除美倫大樓、新康大樓、華僑大樓的次梁及樓板.

(3)與區(qū)間隧道近，施工風(fēng)險(xiǎn)高

項(xiàng)目為地鐵一級監(jiān)護(hù)項(xiàng)目，北臨地鐵二號線區(qū)間隧道，基地內(nèi)美倫大樓及中央商場兩棟歷史建筑外墻距地鐵隧道外邊線2 m，該兩棟建筑室內(nèi)托換樁擬采用鉆孔灌注樁[3]，樁位距地鐵隧道最近為4 m(見圖1).施工風(fēng)險(xiǎn)大，根據(jù)同類工程經(jīng)驗(yàn)該項(xiàng)目具有塌孔、縮頸風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生類似事故則對相鄰的地鐵隧道產(chǎn)生不利影響.

圖1 工程樁與區(qū)間隧道位置關(guān)系圖

(4)環(huán)境保護(hù)控制要求高

由于對環(huán)境保護(hù)的要求極高與文明施工的要求，工程范圍內(nèi)南京東路商業(yè)一條街，施工車輛行走不便，周邊四川中路為單行道，二號線區(qū)間隧道位處南京東路下，嚴(yán)禁施工重車行走，給施工的便利帶來了一定的麻煩.

2 施工條件及影響因素

2.1 施工時(shí)間限定

為確保樁基施工對區(qū)間隧道擾動(dòng)可控，原則上須進(jìn)一步優(yōu)化樁基平面布置，確保與隧道距離超過3 m，要求在地鐵停運(yùn)前鉆機(jī)就位，停運(yùn)后開始施工，軌道交通二號線是上海最繁忙的地鐵線路，該站停運(yùn)時(shí)間為23 ∶15～次日5 ∶13，地鐵停運(yùn)時(shí)間短，故成樁要求在7 h內(nèi)完成，確保樁基不因地鐵振動(dòng)造成坍孔而影響地鐵隧道的安全[3].

2.2 原位試樁擾動(dòng)指標(biāo)測定

土體最大變形值必須控制在3 mm以內(nèi)，未達(dá)標(biāo)不得區(qū)間近距離施工.因此，在遠(yuǎn)離地鐵側(cè)先行原位試樁，邊緣位置布設(shè)測斜管，距離工程樁為半徑2 m區(qū)域，收集參數(shù)增加施工熟練度及工效，確保臨近地鐵的樁基施工穩(wěn)定性及時(shí)間要求.

樁基施工前在試樁位邊緣位置布置測斜管，測斜管距離工程樁為2 m左右.測量樁基施工不同階段的土體變形數(shù)據(jù)，樁周土體變形最大值為1.9 mm，均小于設(shè)計(jì)值2 mm.600 mm鉆頭成孔為620～640 mm，無塌孔，混凝土充盈系數(shù)為1.08，垂直度等均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求.

2.3 區(qū)間隧道實(shí)時(shí)監(jiān)測

加強(qiáng)區(qū)間隧道監(jiān)測頻率，施工前布設(shè)自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備，遵循有點(diǎn)施工制度，過程中實(shí)時(shí)同步監(jiān)測指導(dǎo)施工，區(qū)間內(nèi)部實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)觀察，若有數(shù)據(jù)突變，立即停止鉆進(jìn)，樁孔回填[4].若5 ∶30未完成二清，針對本工程周邊環(huán)境，考慮到地鐵運(yùn)營安全及周邊管線保護(hù)，現(xiàn)場應(yīng)及時(shí)采用黃沙進(jìn)行回填，待原因探明后再重新成孔，若處置時(shí)間過程造成監(jiān)測數(shù)據(jù)有進(jìn)一步變大的趨勢，則應(yīng)采用素混凝土回填后報(bào)設(shè)計(jì)進(jìn)行樁位變更.

3 施工控制措施研究

3.1 設(shè)備選型研究

以往適合本項(xiàng)目的灌注樁施工工藝主要有套管法[5]，即在地鐵早晨啟運(yùn)前，在樁孔中插入護(hù)壁鋼管，保護(hù)樁孔避免坍孔.該工藝較為成熟，各個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)間的控制有把握.但施工時(shí)間較長，一般需2 d；護(hù)壁鋼套管難以埋設(shè)且鋼護(hù)筒與孔壁之間存在空隙，不能完全避免坍孔；鋼護(hù)筒無法回收，造價(jià)高.結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)和比選，借鑒車載反循環(huán)鉆機(jī)工藝，采用新型泵吸反循環(huán)法，將鉆頭切削產(chǎn)生的泥條，通過大功率的泥漿泵吸走，加快成孔速度.其工藝原理(見圖2)，由機(jī)架上的動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)大直徑空芯鉆桿，頂部動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對鉆桿的向下壓力，鉆桿帶動(dòng)切削式鉆頭旋轉(zhuǎn)，形成對土體的切削.在切削土體的過程中，將制備好的護(hù)壁泥漿注入孔中，同時(shí)利用真空泵制造真空，并采用吸泥泵將被鉆頭切削下來的條塊狀渣土隨泥漿從鉆桿內(nèi)部通道吸升，經(jīng)排泥管排出.該工藝的鉆削式反循環(huán)鉆機(jī)快速成孔系統(tǒng)的成孔速度比常規(guī)的成孔速度提高2～3倍，可縮短成孔周期，具有孔底沉渣少，清孔快的顯著特點(diǎn).

圖2 反循環(huán)鉆機(jī)工藝

采取“快速鉆削成孔設(shè)備”，其成孔設(shè)備動(dòng)力裝置可安放于低凈空樁架上，配合漿、泥分離系統(tǒng)使用.切削鉆頭快速均勻地強(qiáng)制分層切削土體，達(dá)到快速成孔.對鉆頭刀片、吸漿管坡口角度、泵管及動(dòng)力裝置進(jìn)行改良，與傳統(tǒng)鉆頭不同，切削鉆頭采用長齒，能快速將土體切削成泥條.鉆桿頭管腔采用十字形鋼板分割，防止大粒徑渣滓進(jìn)入鉆桿，并可增加吸渣量，提高成孔速度.通過改變成孔工藝，加快成孔速度.本項(xiàng)目使用切削式鉆頭及防堵鉆桿(見圖3).

圖3 切削式鉆頭及防堵鉆桿

目前上海地區(qū)鉆孔灌注樁施工常規(guī)采用設(shè)備為GPS-10型鉆機(jī)，以往的區(qū)間隧道近距離工程樁施工案例中，為確保施工穩(wěn)定及對周邊擾動(dòng)最小化，通常擬采用在樁孔中插入護(hù)壁鋼管，保護(hù)樁孔避免坍孔[6].該工藝較為成熟，各個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)間的控制有把握.但施工時(shí)間較長，一般需2 d；護(hù)壁鋼套管難以埋設(shè)且鋼護(hù)筒與孔壁之間存在空隙，不能完全避免坍孔；鋼護(hù)筒無法回收，造價(jià)高.

若不采用鋼護(hù)筒施工，采用工程優(yōu)化措施，通常在成孔階段采用大功率泥漿泵，袋裝膨潤土人工造漿，現(xiàn)場儲備備用鉆頭；鋼筋籠安裝時(shí)將鋼筋籠9 m改為12 m，減少一個(gè)接頭，采用吊機(jī)拼裝鋼筋籠，兩名電焊工進(jìn)行接籠.以此前特級監(jiān)護(hù)項(xiàng)目大中里為例，區(qū)間隧道近距離施工在采取以上的優(yōu)化措施后，17.8 m以下樁長近50 m，成樁用時(shí)由第一根26.80 h減少至19.53 h，節(jié)省時(shí)間7.27 h.仍離停運(yùn)后7～8 h內(nèi)須完成成樁的要求有一定距離，效果并不顯著.結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式及常規(guī)現(xiàn)狀調(diào)查，將鉆削成孔工藝和普通成孔工藝施工時(shí)間對比，以650樁徑、45 m長的灌注樁，得出結(jié)果(見表4).

表4 工藝施工時(shí)間對比

3.2 環(huán)控應(yīng)對措施研究

工程使用鉆削成孔工藝，配合重力式漿泥分離裝置及立式漿泥分離系統(tǒng)，對施工現(xiàn)場泥漿進(jìn)行工具式的存儲、分離，固化處理[7]，做到現(xiàn)場無泥漿外露，保證現(xiàn)場文明施工.其工藝原理吸泥泵將被鉆頭切削下來的條塊狀渣土隨泥漿從鉆桿內(nèi)部通道吸升，經(jīng)排泥管排出，在漿渣分離設(shè)備中處理后，將渣土和泥漿分離，分離設(shè)備(見圖4)，泥漿排進(jìn)立式泥漿儲存罐處理后,經(jīng)回漿管重新注入孔中，形成泥漿循環(huán).分離出的渣土外運(yùn).在文明施工的同時(shí)要減少泥漿外運(yùn)頻次，降低重車對二號線區(qū)間隧道影響.

圖4 泥漿分離設(shè)備

3.3 施工成孔質(zhì)量分析

為了減小樁基施工對軌道交通的影響，針對各個(gè)土層制定相對措施，并根據(jù)需要制定相應(yīng)的泥漿指標(biāo).對于粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土層，采用輕壓大泵量快速穿過；對于灰色粉質(zhì)黏土層，由于其造漿性能好，可以造優(yōu)質(zhì)成孔泥漿，但由于本層易縮徑，故低速勤掃通過成孔；因局部地層自然造漿性能差，極易坍垮孔，采用自行調(diào)配優(yōu)質(zhì)泥漿進(jìn)行施工.在粘土層中成孔時(shí)，進(jìn)口泥漿的比重控制在1.15～1.20；在砂土層、淤泥質(zhì)及易坍孔土層中成孔時(shí)，泥漿比重控制在1.2～1.3，并應(yīng)選擇含砂量較小的泥漿；泥漿進(jìn)孔的粘度控制在16～18 s，出孔的粘度控制在18～22 s；在成孔過程中，吸出的泥漿泥條經(jīng)重力式漿泥分離系統(tǒng)分離后的泥漿進(jìn)入立式泥漿儲罐沉淀，降低泥漿的含砂量及比重，然后再進(jìn)入循環(huán)箱重復(fù)使用；經(jīng)常對立式泥漿儲罐進(jìn)行清理，清除沉砂、積淤，對不符合要求的泥漿應(yīng)及時(shí)排放到廢漿池外運(yùn)，確保泥漿質(zhì)量.

4 實(shí)施與監(jiān)測

4.1 施工流程

項(xiàng)目2014年11月中旬開始遠(yuǎn)離地鐵側(cè)新康大廈內(nèi)樁基兼原位試樁施工[8](見圖5)，期間信息化施工并調(diào)整施工參數(shù)；至2015年4月正式開始地鐵側(cè)美侖大廈工程樁作業(yè)，其距離區(qū)間隧道最近距離4 m樁基4根，樁號為ML-19、ML-32、ML-33、ML-34，跳樁施工.樁基施工過程中均采用切削式快速成孔鉆孔灌注樁施工工藝(見圖6).

圖5 現(xiàn)場施工照片

圖6 工藝流程圖

4.2 施工成樁時(shí)間及現(xiàn)場成樁質(zhì)量

現(xiàn)場樁型為φ650 mm，長度45 m.任選新康大廈試樁期間(時(shí)間：2014年11月17日，樁位編號：XK-54)及地鐵側(cè)美侖大廈成樁(時(shí)間：2014年11月17日，樁位編號：ML-32)記錄(見表2～表3)，實(shí)際成樁均控制在7 h以內(nèi).

過程中經(jīng)檢測，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了《鉆孔灌注樁施工規(guī)程》的要求.孔徑穩(wěn)定，沒有縮頸和坍孔的情況發(fā)生；孔底沉渣實(shí)測值均在100 mm以內(nèi)；充盈系數(shù)基本在1.07左右.小應(yīng)變檢測，一類樁達(dá)到100%.靜載試驗(yàn)單樁荷載達(dá)到3 000 kN，最大沉降量4.21 mm，最大回彈量1.75 mm，滿足設(shè)計(jì)使用荷載1 500 kN的要求[7].

表2 新康大廈試樁記錄表

表3 美侖大廈成樁記錄表

4.3 灌注樁施工期間對地鐵擾動(dòng)分析

南京東路179街坊項(xiàng)目整個(gè)施工過程中，軌道交通安全保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測.監(jiān)測區(qū)間內(nèi)隧道部分測點(diǎn)距離灌注樁位較近，約為4.2 m.因灌注樁的施工對土層擾動(dòng)的影響范圍有限[9]，故選取距離隧道邊界最近的測點(diǎn)進(jìn)行分析.美倫大廈灌注樁樁位與區(qū)間隧道監(jiān)測點(diǎn)關(guān)系(見圖7).從圖中選擇ML-19、ML-32、ML-33、ML-34共四根樁做灌注樁施工期間的地鐵監(jiān)測分析.由于下行線距離灌注樁較遠(yuǎn)，故不做分析，重點(diǎn)分析與只灌注樁對應(yīng)的上行線測點(diǎn)變化，即ML-19對應(yīng)SC15和SCA5(SC15：人工測點(diǎn)編號，SCA5：自動(dòng)化測點(diǎn)編號)，ML-32對應(yīng)SC16和SCA6，ML-33對應(yīng)SC17和SCA7，ML-34對應(yīng)SC18和SCA8.

圖7 美倫大廈灌注樁樁位與區(qū)間隧道監(jiān)測點(diǎn)關(guān)系圖

灌注樁的施工控制在7 h內(nèi)，因此人工測量的頻率無法測得施工期間對地鐵的影響，但是可以結(jié)合人工測量的隧道變形監(jiān)測曲線來反應(yīng)地鐵隧道的影響程度.變形量主要通過自動(dòng)化的測量反映.從實(shí)際測量和相關(guān)文獻(xiàn)中可以得到，灌注樁施工對隧道的收斂變形影響小，因此分析主要針對沉降變形.

ML-19樁施工時(shí)間為2015年4月26日21:00—2015年4月27日9：00，監(jiān)測變化(見圖8).從圖中可以得到：累計(jì)沉降最大值為3.9 mm，未超過隧道的變形報(bào)警值5 mm[10]，灌注樁施工時(shí)產(chǎn)生的沉降位移為-1.9 mm.

ML-32樁施工時(shí)間為2015年4月24日21:00—2015年4月25日9：00，監(jiān)測變化(見圖9).從圖中可以得到：累計(jì)沉降最大值為3.1 mm，未超過隧道的變形報(bào)警值5 mm，灌注樁施工時(shí)產(chǎn)生的沉降位移為-1.5 mm.

圖8 ML-19樁號對應(yīng)監(jiān)測變化圖

圖9 ML-32樁號對應(yīng)監(jiān)測變化圖

ML-33樁施工時(shí)間為2015年4月28日21:00—2015年4月27日9：00，監(jiān)測變化(見圖10).從圖中可以得到：累計(jì)沉降最大值為4.9 mm，未超過隧道的變形報(bào)警值5 mm，灌注樁施工時(shí)產(chǎn)生的沉降位移為0.3 mm.

ML-19樁施工時(shí)間為2015年4月30日21:00—2015年5月1日9：00，監(jiān)測變化(見圖11).從圖中可以得到：累計(jì)沉降最大值為4.8 mm，未超過隧道的變形報(bào)警值5 mm，灌注樁施工時(shí)產(chǎn)生的沉降位移為0.4 mm.

圖10 ML-33樁號對應(yīng)監(jiān)測變化圖

圖11 ML-34樁號對應(yīng)監(jiān)測變化圖

從上述分析結(jié)果可以表明在隧道近距離樁基施工過程中地鐵隧道的沉降都保持在2 mm以內(nèi)，對地鐵隧道擾動(dòng)較小.證明了所選用的反循環(huán)鉆孔灌注樁施工的高效、環(huán)保、擾動(dòng)小，在工程中使用效果良好.

5 結(jié) 論

上海市南京東路179街坊改建項(xiàng)目增加了機(jī)械化施工程度，減少勞動(dòng)力使用成本；滿足低凈空室內(nèi)樁基施工，減少泥漿排放量，將部分施工泥漿變?yōu)楦稍镣膺\(yùn)；現(xiàn)場泥漿通過封閉的管道有組織集中處置及排放，達(dá)到文明施工要求；改變成孔工藝，加快成孔速度，減少周邊環(huán)境變形.通過本次工程實(shí)踐，鉆削式灌注樁鉆機(jī)、重力式泥漿分離系統(tǒng)、泥漿管路系統(tǒng)、立式泥漿分離裝置在實(shí)際成孔中的效果達(dá)到了預(yù)期的目的.特別是成孔速度快、工具式重力式泥漿分離系統(tǒng)的脫泥效果非常明顯；成孔后的孔壁穩(wěn)定性、垂直度及沉渣厚度經(jīng)檢測均達(dá)到了理想的效果，為今后相似工程提供設(shè)計(jì)、施工借鑒.針對此次案例，同時(shí)考慮若采取減少鋼筋籠分節(jié)、加快下放鋼筋籠速度和混凝土蓄車待命等措施，應(yīng)該可進(jìn)一步壓縮施工時(shí)間.

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